楊福合，胡振華，龐明超

(中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，山西太原 030051)

某企業(yè)深孔鉆鏜床采用繼電器接觸器控制系統(tǒng)控制，專門用來加工圓柱形深孔工件。鉆孔最大直徑100 mm，鉆孔深度范圍:1 000～12 000 mm，工件夾持直徑范圍:100～300 mm。原控制系統(tǒng)功能簡易，自動化程度低，導(dǎo)致工人勞動強(qiáng)度大;原控制系統(tǒng)元器件老化，電氣線路受高壓油與切削液腐蝕，機(jī)床在加工過程中故障頻發(fā);由于某些材料硬度高，深孔加工工藝復(fù)雜，因此在加工時容易出現(xiàn)打刀現(xiàn)象，倘若操控不當(dāng)，易導(dǎo)致鉆桿變形甚至折斷、工件報廢，從而給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對機(jī)床切削參數(shù)的監(jiān)控和控制系統(tǒng)的改造十分迫切。

1 改造方案規(guī)劃

1.1 主要結(jié)構(gòu)及改造技術(shù)難點(diǎn)

深孔鉆鏜床是由床體、主軸箱、授油器、鉆桿箱、拖板箱、工件支架、鉆桿支架、主軸控制系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、高壓冷卻系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)組成。被加工工件一端由主軸前端的卡盤夾緊，隨主軸一起旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動，另一端由工件中心架輔助支撐定位。鉆頭由鉆桿箱帶動高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動，絲杠在進(jìn)給電機(jī)的帶動下推動鉆桿箱實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動。機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

主要技術(shù)難點(diǎn)有以下幾點(diǎn):

(1)實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速精確控制與無極調(diào)速，根據(jù)進(jìn)給速度自動完成多段速度切換。

(2)根據(jù)不同軸材料和進(jìn)給深度，刀桿電機(jī)可自動完成多段速度切換，也可無極調(diào)速。

(3)將原進(jìn)給系統(tǒng)的全開環(huán)控制系統(tǒng)改造為閉環(huán)控制系統(tǒng)，不僅滿足速度控制、位置控制，還可微調(diào)速。

(4)開發(fā)人機(jī)交互系統(tǒng)，用戶可對加工參數(shù)設(shè)定，同時完成對相關(guān)切削參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。

圖1 深孔鉆鏜床結(jié)構(gòu)圖

1.2 電氣系統(tǒng)改造規(guī)劃

深孔鉆鏜床原電氣控制總體采用接觸器控制系統(tǒng)，主軸傳動系統(tǒng)、刀桿傳動系統(tǒng)均采用三相異步交流電動機(jī)傳動，由齒輪換擋實(shí)現(xiàn)調(diào)速，進(jìn)給電機(jī)采用電磁調(diào)速器實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度的調(diào)整。原系統(tǒng)不僅無法滿足主軸調(diào)速、轉(zhuǎn)矩控制、刀桿轉(zhuǎn)速控制、進(jìn)給量控制的要求，而且無法監(jiān)控加工工程中的主要參量，加工完全憑借操作人員經(jīng)驗(yàn)，因此加工可靠性與加工精度大大降低。根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際加工需求，擬定主軸傳動控制系統(tǒng)、刀桿運(yùn)動控制系統(tǒng)、進(jìn)給運(yùn)動控制系統(tǒng)、人機(jī)交互及監(jiān)測控件模塊、輔助控制系統(tǒng)為改造重點(diǎn)。新控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)可知，系統(tǒng)共需要20個輸入點(diǎn)、20個輸出點(diǎn)，則選用臺達(dá)推出的DVP-32EH2高速精密定位型主機(jī)，結(jié)合其提供的運(yùn)動控制指令及邏輯控制指令可方便實(shí)現(xiàn)控制要求。由于主軸變頻器和刀具變頻器的調(diào)速需要模擬電壓，而且系統(tǒng)要求功率監(jiān)控、需實(shí)時顯示主軸電機(jī)的電流及電壓值，所以擴(kuò)展2臺模擬量輸入輸出模塊。

2.1 主軸傳動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主軸傳動控制系統(tǒng)采用變頻器控制，原主軸箱機(jī)械結(jié)構(gòu)保留，但機(jī)械換擋功能廢棄，不僅可以實(shí)現(xiàn)多段速度的切換，還可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速及轉(zhuǎn)矩控制。

(1)變頻器。該系統(tǒng)采用臺達(dá)VFD-E系列變頻器，該變頻器具有多種控制方式，可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，并根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，提供相應(yīng)電流及電壓矢量值輸出。

(2)無極調(diào)速控制。主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0～3 000 r/min，DA模塊轉(zhuǎn)換數(shù)字量的范圍為0～3 200。正常加工時，操作者在觸摸屏設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速n，PLC根據(jù)設(shè)定參數(shù)經(jīng)計(jì)算得到DA模塊應(yīng)當(dāng)輸出電壓的數(shù)字量:D=3 200n/3 000，經(jīng)過DA模塊轉(zhuǎn)換為模擬電壓后傳送至變頻器的頻率設(shè)定端。PLC與變頻器的接線如圖3所示。

圖3 變頻器硬件連接圖

2.2 進(jìn)給運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)伺服電機(jī)及驅(qū)動。系統(tǒng)要求進(jìn)給速度可調(diào)、進(jìn)給位移任意可調(diào)，為保證控制精度，故選用伺服電機(jī)驅(qū)動方案。伺服電機(jī)采用邁信電氣技術(shù)有限公司的STAR系列電機(jī)150ST-M27020，功率5.5 kW，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，配套的驅(qū)動器為ASD-A2-5523-L伺服驅(qū)動。PLC與伺服驅(qū)動器的連接如圖4所示。

圖4 伺服驅(qū)動器硬件連接圖

(2)進(jìn)給控制系統(tǒng)。用戶要求機(jī)床在加工時進(jìn)給速度、進(jìn)給量任意控制，而且要求在進(jìn)給過程中可以調(diào)速，選擇脈沖輸出指令PLSY來實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度及進(jìn)給量的控制。PLSY指令格式如下:

PLSY S1 S2 D

其中:S1表示脈沖輸出頻率(脈沖/秒);S2表示脈沖輸出個數(shù);D表示脈沖輸出裝置。進(jìn)給方向的控制由PLC輸出端Y1的通斷控制伺服驅(qū)動器的方向信號即可。

正常加工時，操作者在觸摸屏上輸入進(jìn)給位移L與基準(zhǔn)進(jìn)給速度v，這兩個參數(shù)分別存入專用寄存器D中，應(yīng)發(fā)送的脈沖個數(shù)

S2=L/δ

式中:L為伺服機(jī)構(gòu)的位移量(mm);δ為伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)，脈沖當(dāng)量與絲杠螺距、減速機(jī)的減速比及伺服驅(qū)動器設(shè)定參數(shù)有關(guān)。

應(yīng)發(fā)送的脈沖頻率

S1=60v/δ

式中:v為伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度(mm/min);δ為伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)。PLC程序中在每個掃描周期都需根據(jù)設(shè)定值計(jì)算S，這樣操作者可在觸摸屏上隨時更改進(jìn)給速度，滿足調(diào)速要求。

2.3 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

(1)觸摸屏選型。系統(tǒng)采用臺達(dá)的DOP-A系列的DOP-A10THTD1觸摸屏，該系列觸摸屏具有65536色TFT、800像素×600像素顯示效果，支持USB上下載，可連接打印機(jī)和U盤、支持以太網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)監(jiān)控場合。

(2)觸摸屏軟件開發(fā)。觸摸屏不僅可以認(rèn)為設(shè)定輸入相關(guān)加工參數(shù)，還可以對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)加工參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測。在解決觸摸屏與PLC通信之后，即可完成與PLC之間的數(shù)據(jù)交換，同時也可實(shí)現(xiàn)對加工過程的控制與檢測。觸摸屏的軟件開發(fā)利用Screen Editor 2.0來完成，在軟件開發(fā)階段分別完成觸摸屏與PLC連接的數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂贩峙浔砭庉嫛⒖刂平缑媾c在線檢測界面設(shè)計(jì)開發(fā)。最終設(shè)計(jì)出8個控制界面與檢測界面，分別是主控制界面、主軸電機(jī)控制與檢測界面、伺服控制界面、液壓控制界面、冷卻系統(tǒng)控制界面、加工參數(shù)設(shè)定界面。如圖5所示。

圖5 控制、參數(shù)設(shè)定界面

2.4 輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于機(jī)床床身較長，所以采用多地控制，控制面板分布在主軸箱、授油器及鉆桿箱三處。在主軸箱按鈕站分別有急停、主軸啟動、主軸停止3個按鈕，授油器按鈕站除急停按鈕與壓力表外，所有操控均可由觸摸屏完成。為操作方便快捷，觸摸屏下方設(shè)置了常用的按鈕。鉆桿箱上設(shè)置急停、正向進(jìn)給、反向進(jìn)給、快速前進(jìn)、快速后退及進(jìn)給停止5個按鈕。為節(jié)省PLC的輸入輸出點(diǎn)，3個急停按鈕采用常閉串聯(lián)的方式引入PLC的X0端子，其他功能相同的按鈕采用常開并聯(lián)的方式引入PLC。

3 機(jī)床切削參數(shù)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

3.1 切削參數(shù)監(jiān)控理論推導(dǎo)

刀具磨損由各種機(jī)械物理因素造成，包括刀刃的塑性變形、黏著、摩擦、切屑和熱疲勞等。刀具發(fā)生磨損時，后角變?yōu)?，后刀面與工件接觸面積增大。同時，刀尖圓弧半徑加大，刀具與工件間摩擦加劇，從而使機(jī)床消耗功率加大。因此，通過監(jiān)測主軸電機(jī)實(shí)時扭矩值，并依據(jù)相應(yīng)的公式，即可探測刀具的磨損。文中從機(jī)床電機(jī)和機(jī)械傳動系統(tǒng)一體化的角度出發(fā)，在考慮各種能量損耗并存的前提下，以傳動環(huán)節(jié)的能量流程為基礎(chǔ)建立了機(jī)床功率監(jiān)控數(shù)學(xué)模型。

式中:Me為電極電磁轉(zhuǎn)矩;

ω為電機(jī)軸的角速度;

M0、B、J分別為機(jī)床主傳動系統(tǒng)等效到電機(jī)

軸上非載荷庫侖摩擦力矩、黏性阻尼系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量;

Pc(t)為切削功率;

αt為系統(tǒng)載荷損耗系數(shù)。

切削功率

式中:T為主軸電機(jī)實(shí)時扭矩;

n為操作者設(shè)定轉(zhuǎn)速參數(shù)值。

在一次磨損過程中，ω變化很小，因此可近似認(rèn)為

在實(shí)際加工中，將切削用量等參數(shù)固定，只將磨損量作為變量，所以式(1)可改寫為

由式(3)可看出:機(jī)床功率信息完全由主軸電機(jī)實(shí)時扭矩值決定。系統(tǒng)采用A/D模塊采集主軸變頻器實(shí)時扭矩值，通過式(3)的計(jì)算得到主軸實(shí)時的鉆削功率。因此，鉆削加工時機(jī)床主軸功率的變化可以定量描述為時間的函數(shù)，加工參數(shù)相同的同種工件其加工過程具有相似的主軸功率/時間曲線，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由485接口輸入PLC，進(jìn)行運(yùn)算和判斷，監(jiān)視切削過程中切削功率的變化情況。

3.2 主軸功率監(jiān)測與控制

在大量的加工測試及研究分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)刀具破損失效時，深孔鏜床主軸功率變化主要包括以下幾種情況:

(1)圖6(a)為正常加工時監(jiān)測主軸功率曲線。

(2)鉆頭持續(xù)鉆孔，由于刀具處于持續(xù)的磨損過程，因此監(jiān)測到的主軸功率大致呈現(xiàn)持續(xù)增加的現(xiàn)象，如圖6(b)所示。

(3)根據(jù)主軸功率離散模型得出加工過程功率變化曲線:當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生破損失效時，主軸功率曲線突然異常增大，如圖6(c)所示。此時功率值超出預(yù)先設(shè)定的主軸鉆削功率的閾值Pmax，PLC發(fā)出報警信號，控制面板報警燈閃爍。

圖6 不同刀具狀態(tài)下鉆削加工主軸功率變化曲線

當(dāng)功率超過設(shè)定的閾值，PLC控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)反轉(zhuǎn)、退刀，主軸只承受裝夾工件下的空轉(zhuǎn)狀態(tài)，而不受切削載荷，因此此時檢測到的軸功率維持在一個較低的狀態(tài)。

4 結(jié)束語

根據(jù)深孔加工機(jī)床的加工特點(diǎn)對機(jī)床原有電氣控制系統(tǒng)重新進(jìn)行研究，以PLC作為控制系統(tǒng)的核心，取代傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)控制可靠性與控制精度的大幅提高。綜合考慮機(jī)床各個工位的控制特點(diǎn)和操作人員的工作特點(diǎn)，使用變頻器、伺服驅(qū)動器、觸摸屏等控制操作設(shè)備，從而達(dá)到對加工過程中的重要參數(shù)的數(shù)字化控制與檢測。

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