黃 健

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528404)

1 BTA 內(nèi)排屑深孔鉆頭的溫度與轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量的關(guān)系

深孔鉆削刀具與切屑摩擦功及切屑形成之剪切功、工件摩擦功基本全部轉(zhuǎn)化為熱能。切削熱總熱能中，除很少量是以熱輻射的形式發(fā)散外，其余都用于加熱工件、刀具以及切屑。

當(dāng)工件材料、刀具材料和幾何形狀等一定時(shí)，鉆削溫度即為鉆孔直徑d、進(jìn)給量f 和切削速度v 三因素的函數(shù)。文獻(xiàn)［1］采用正交試驗(yàn)方法L9(34)，對(duì)鉆孔直徑d、進(jìn)給量f 和切削速度v 用多元線性回歸的方法得到描述各變量間定量關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，鉆削溫度θ:

由上式可以看出，切削熱的大小由d、f、v 決定?？梢悦黠@地得出，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，切削熱增大;當(dāng)進(jìn)給量增大時(shí)，切削熱增大;當(dāng)鉆孔直徑增大時(shí)，切削熱增大。由上式還可以看出，對(duì)鉆削溫度影響最大的是切削速度，進(jìn)給量次之，直徑的影響最小。這個(gè)結(jié)論為后續(xù)的控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

在做溫度測(cè)量時(shí)，BTA 內(nèi)排屑深孔鉆不使用切削液和冷卻液，代之以普通的常溫壓縮空氣，即:將具有一定壓力的空氣接入授油器后通過(guò)鉆桿外部環(huán)狀空間壓入切削刃部分(鉆桿與授油器的右端有密封)，發(fā)熱的內(nèi)排屑鉆頭被高速氣體吹冷，并將切削刃上形成的切屑反向吹入鉆頭的出屑口，經(jīng)鉆桿的中空內(nèi)腔向后排出。壓縮空氣從切削液入口進(jìn)入，從切削液及鉆屑出口處流出。

2 BTA 內(nèi)排屑深孔鉆頭出屑口處的溫度測(cè)量

2.1 PT100 溫度傳感器

PT100 熱電偶的測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，是目前較成熟也較常用的鉆削溫度測(cè)量方法［2，3］。

溫度傳感器的測(cè)量位置放置，把PT100 的感溫桿插入BTA 內(nèi)排屑深孔鉆頭出屑口1/2 處深度，緊密接觸到鉆屑和熱空氣，此時(shí)測(cè)量所得到的溫度值最大，準(zhǔn)確度高［4，5］。實(shí)際使用時(shí)，用兩個(gè)PT100 同時(shí)測(cè)量，兩路溫度信號(hào)實(shí)時(shí)傳入測(cè)量裝置［6］。

2.2 鉆頭實(shí)際溫度與測(cè)量溫度

高溫發(fā)熱的鉆頭經(jīng)壓縮空氣冷卻，壓縮空氣被加熱后經(jīng)過(guò)排屑孔反向折回到出屑口，出屑口處的測(cè)量溫度隨時(shí)間的增加而增加，出屑口處的測(cè)量溫度跟隨鉆頭的實(shí)際溫度。在鉆削的初始階段，鉆頭擠壓鍥入工件，使切削刃附近的工件材料發(fā)生塑性變形而導(dǎo)致溫度迅速增加，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鉆削深度也在增加，又由于鉆削條件差，雖然有壓縮空氣吹冷，但集聚的熱量還是不易散發(fā)出去，從而導(dǎo)致鉆削溫度繼續(xù)增加。當(dāng)鉆頭溫度達(dá)到可以耐受的極限溫度600 ℃時(shí)，出屑口處的測(cè)量溫度是260 ℃。這個(gè)值很重要，后面的控制程序就以260 ℃作為控制的比較值使用。

3 測(cè)控系統(tǒng)的研制

3.1 測(cè)控系統(tǒng)的工作原理

測(cè)控系統(tǒng)由PLC、變頻器、溫度傳感器、溫度轉(zhuǎn)換模塊、進(jìn)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等部分組成，其系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1 所示。

唐玉煙的蘇醒很大程度上要?dú)w功于天葬院外的戰(zhàn)斗。她事后對(duì)青辰說(shuō)，那戰(zhàn)斗鬧出的動(dòng)靜驚天地泣鬼神，將昏迷中的她帶入了一個(gè)極其恐怖的噩夢(mèng)中，然后又讓她從噩夢(mèng)中驚醒。她出了院子，便看到了唐飛霄，于是隨手取了他的命。

圖1 深孔鉆削控制系統(tǒng)

系統(tǒng)工作原理:

1)主軸的旋轉(zhuǎn)由變頻器來(lái)控制，變頻器與PLC 連接，PLC 與變頻器經(jīng)過(guò)模擬量控制模塊建立聯(lián)系，控制主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速［7，8］?？諌簷C(jī)不停地通過(guò)進(jìn)氣裝置給鉆孔里注入壓縮空氣。

2)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)由伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，伺服驅(qū)動(dòng)器與PLC 連接，由PLC 控制伺服驅(qū)動(dòng)器改變進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到改變進(jìn)給量的目的。

3)兩路溫度傳感器測(cè)量冷卻鉆頭溫度的壓縮空氣的溫度，溫度信號(hào)輸入至溫度模塊FX2N-4AD-PT，PLC 比較溫度信號(hào)是否超標(biāo)，并及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整FX0N-3A 的輸出信號(hào)，由FX0N-3A 去控制變頻器的輸出頻率控制主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)及時(shí)地根據(jù)FX2N-4AD-PT 的輸入溫度信號(hào)，PLC 控制進(jìn)給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出頻率控制進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣的閉環(huán)測(cè)控方式能夠使本系統(tǒng)對(duì)鉆頭的鉆削溫度進(jìn)行自動(dòng)跟蹤測(cè)量，自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量。

3.2 溫度數(shù)據(jù)采集電路

溫度數(shù)據(jù)采集電路的組成如圖2 所示。兩個(gè)溫度傳感器PT100 經(jīng)過(guò)FX2N-4AD-PT 與PLC 配合，測(cè)量鉆頭出屑口處的溫度。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路框圖

兩個(gè)溫度傳感器PT100 采集的溫度數(shù)據(jù)分別經(jīng)過(guò)溫度模塊的兩個(gè)通道CH1 和CH2 采集進(jìn)來(lái)并放大，存儲(chǔ)在主處理單元中，攝氏度和華氏度都可讀取，讀分辨率是0.2 ℃～0.3 ℃，所有的數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)設(shè)置都可以通過(guò)FX2N-4ADPT 的軟件控制來(lái)調(diào)整，由FX2NPC 的TO/FROM 應(yīng)用指令來(lái)完成。在FX2N-4AD-PT 里經(jīng)過(guò)溫度采樣次數(shù)處理、判別模塊地址、錯(cuò)誤信息判斷處理，使PLC 接收到實(shí)時(shí)可靠的溫度數(shù)據(jù)。

被測(cè)的溫度信號(hào)經(jīng)裝設(shè)在鉆桿出屑口處的2 個(gè)溫度傳感器PT100(3 線)感知，再接入到測(cè)控系統(tǒng)的信號(hào)接收模塊FX2N-4AD-PT，可將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合PLC 電路檢測(cè)的數(shù)字信號(hào)，輸出給PLC，F(xiàn)X2N-4AD-PT 同時(shí)起到了信號(hào)隔離作用［9］。

3.3 主軸速度控制電路

主軸速度控制電路如圖3 所示。

圖3 主軸速度控制電路

主軸電動(dòng)機(jī)由變頻器控制，變頻器經(jīng)過(guò)FX0N-3A 與PLC 配合，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。應(yīng)用FX0N-3A 模擬量輸出通道輸出4～20 mA 的電流信號(hào)，然后將電流信號(hào)給變頻器模擬控制輸入端。

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定后，鉆床啟動(dòng)工作，鉆頭出屑口處的溫度沒(méi)有達(dá)到極限溫度260 ℃時(shí)，變頻器以額定頻率運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)鉆頭出屑口處的溫度達(dá)到極限溫度260 ℃時(shí)，PLC 程序改變給定的數(shù)字量(減小數(shù)字量)，經(jīng)過(guò)FX0N-3A 的D/A 轉(zhuǎn)換處理，F(xiàn)X0N-3A 模擬量輸出通道輸出4～20 mA 的電流信號(hào)，將電流信號(hào)給變頻器模擬控制輸入端，使變頻器降低輸出頻率，主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低。FX0N-3A 模擬量輸出通道輸出4～20 mA 電流信號(hào)，比輸出電壓信號(hào)可靠，因?yàn)殡妷盒盘?hào)的傳輸方式容易受干擾。如果在降低了主軸轉(zhuǎn)速的情況下，經(jīng)過(guò)1 秒延時(shí)，鉆頭出屑口處的溫度沒(méi)有降低下來(lái)，還在極限溫度260 ℃值時(shí)，PLC 程序繼續(xù)改變給定的數(shù)字量(減小數(shù)字量)，使變頻器降低輸出頻率，以降低主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如果此時(shí)鉆頭出屑口處的溫度降低下來(lái)，低于極限溫度260 ℃，則PLC 程序改變給定的數(shù)字量(增加數(shù)字量)，使變頻器提高輸出頻率，以提高主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速。如果1 秒時(shí)鉆頭出屑口處的溫度繼續(xù)在高溫260 ℃甚至超過(guò)260 ℃，需要主軸停轉(zhuǎn)。以上過(guò)程均配合進(jìn)給量的控制。

同軸編碼器與主軸電動(dòng)機(jī)同軸，編碼器的輸出脈沖經(jīng)過(guò)PLC 的高速計(jì)數(shù)器接收，計(jì)算在ΔT 時(shí)間內(nèi)接收的脈沖個(gè)數(shù)，就可以計(jì)算出主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。主軸電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可以實(shí)時(shí)地顯示在觸摸屏上。

3.4 進(jìn)給量控制電路

進(jìn)給量控制電路如圖4 所示。

圖4 進(jìn)給量控制電路

鉆頭的進(jìn)給量由伺服電動(dòng)機(jī)控制。PLC 控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)PLC 對(duì)進(jìn)給量的控制。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量設(shè)定后，鉆床啟動(dòng)工作，鉆頭出屑口處的溫度沒(méi)有達(dá)到極限溫度260 ℃時(shí)，主軸變頻器以額定頻率運(yùn)行，主軸電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng);進(jìn)給量以額定進(jìn)給量進(jìn)給。當(dāng)鉆頭溫度達(dá)到極限溫度260 ℃時(shí)，PLC 程序改變給定的數(shù)字量(減小數(shù)字量)，經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器處理，減小進(jìn)給電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。1 秒時(shí)如果在降低了進(jìn)給電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，鉆頭出屑口處的溫度沒(méi)有降低下來(lái)，還在極限溫度260 ℃值時(shí)，PLC 程序繼續(xù)改變給定的數(shù)字量(減小數(shù)字量)，進(jìn)一步降低進(jìn)給電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如果此時(shí)鉆頭出屑口處的溫度降低下來(lái)，低于極限溫度，則PLC 程序改變給定的數(shù)字量(增加數(shù)字量)，以提高進(jìn)給電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速。如果1 秒時(shí)鉆頭出屑口處的溫度繼續(xù)在高溫260 ℃甚至超過(guò)260 ℃，則需要進(jìn)給電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)甚至反轉(zhuǎn)退出鉆頭。以上過(guò)程均配合主軸電動(dòng)機(jī)的控制。進(jìn)給量可以實(shí)時(shí)地顯示在觸摸屏上。

3.5 人機(jī)接口電路

人機(jī)接口電路必須滿足用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理和維護(hù)的各種需要，為此，配置了大屏幕液晶觸摸屏。PLC 的RS232接口與觸摸屏連接，可顯示漢字、圖形，中文菜單，界面直觀。液晶觸摸屏顯示器采用三菱觸摸屏，既節(jié)省了空間，同時(shí)使得人機(jī)界面更加友好，操作更加方便。還設(shè)計(jì)了指示燈和報(bào)警信號(hào)，便于用戶隨時(shí)掌握裝置的運(yùn)行狀況。

4 測(cè)控系統(tǒng)軟件研制

測(cè)控系統(tǒng)的主程序流程如圖5 所示。對(duì)于一個(gè)實(shí)用的測(cè)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，測(cè)量的精確性和控制的準(zhǔn)確性必須首先得到保證［10］，除了硬件要滿足要求外，軟件設(shè)計(jì)也必須充分考慮到這些方面。

圖5 主程序流程圖

裝置需要調(diào)整控制觸摸屏面板上的“轉(zhuǎn)速”和“進(jìn)給量”來(lái)進(jìn)行所需要的鉆削參數(shù)選擇，PLC 會(huì)根據(jù)設(shè)定的鉆削轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量值工作。裝置需要采集的數(shù)據(jù)是鉆頭出屑口處的溫度，為了保證采樣的精確度，軟件設(shè)計(jì)方面，保證是連續(xù)的實(shí)時(shí)溫度采樣，具有足夠的采樣精度;二是數(shù)據(jù)處理程序的設(shè)計(jì)，比較判斷所測(cè)溫度值是否＞=260 ℃?如果所測(cè)溫度值＜260 ℃，無(wú)需調(diào)節(jié)主軸電動(dòng)機(jī)變頻器的工作參數(shù)及進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器參數(shù);如果所測(cè)溫度值＞=260 ℃，則降低主軸轉(zhuǎn)速5%，延時(shí)后如果所測(cè)溫度值還是＞=260 ℃，則再次降低主軸轉(zhuǎn)速5%，同時(shí)降低進(jìn)給轉(zhuǎn)速25%;延時(shí)后如果所測(cè)溫度值還是＞=260 ℃，則再次降低主軸轉(zhuǎn)速5%，同時(shí)降低進(jìn)給轉(zhuǎn)速25%;如是則3 次比較。延時(shí)后所測(cè)溫度值如果＜260 ℃，則提高主軸和進(jìn)給轉(zhuǎn)速至額定值，如果所測(cè)溫度值還是＞=260 ℃，則停機(jī)人工處理。

系統(tǒng)可在PLC 配合下手動(dòng)工作。手動(dòng)操作適用于深孔鉆床的檢修調(diào)試及變頻器出故障時(shí)使用，也可直接鉆削淺孔時(shí)使用。手動(dòng)啟動(dòng)與停止分別由其對(duì)應(yīng)的“啟動(dòng)”和“停止”按鈕完成，并點(diǎn)亮或熄滅指示燈。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中采用壓縮空氣既作為冷卻介質(zhì)又作為溫度的傳導(dǎo)介質(zhì)，利用三菱PLC 和溫度模塊、變頻器、伺服電機(jī)控制鉆頭進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速的深孔鉆頭降溫裝置，能夠有效的識(shí)別深孔鉆頭的溫度信號(hào)，能夠自動(dòng)調(diào)整深孔鉆頭的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了深孔鉆系統(tǒng)的自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)控制，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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