摘要: 結合（hé）生產加工的實際情況，分析了原深孔（kǒng）加工機床控製係統存在的缺（quē）陷，並（bìng）根據用戶（hù）的需求提出了一種高（gāo）自動化的控製與檢測方案。係統主要由PLC、觸摸屏、變頻器、伺服驅動組成，可實現主軸的無級調速和刀具（jù）進給速度、進給深度的任（rèn）意控（kòng）製，最大程度上保證了加工工藝的（de）靈活性。同時，切削參數監控功（gōng）能在提高加工精（jīng）度與效率的同時，保證（zhèng）了加工質量，降低了廢品率。

      關鍵詞: 深孔加工; 控製係統改造; 切削參數監測

 
      某企業深孔（kǒng）鑽鏜床（chuáng）采用繼電器接觸器控製係統控製（zhì），專門用來加工圓柱形深孔工件。鑽孔最大直徑100 mm，鑽孔深度範（fàn）圍: 1 000 ～ 12 000 mm，工（gōng）件夾持直徑範圍: 100 ～ 300 mm。原控製（zhì）係（xì）統功能簡易，自動化程（chéng）度低，導致工人勞動強度大（dà）; 原控（kòng）製係統元器件（jiàn）老化，電氣線路受高（gāo）壓油與切削液腐蝕，機床在加工過程中故障頻發; 由於某些材料硬度高，深孔加工工藝複雜（zá），因此在加工時（shí）容易出現打刀現（xiàn）象，倘若（ruò）操控不當，易導致鑽杆變形甚至（zhì）折斷、工件（jiàn）報廢，從而給企業造成巨（jù）大的經（jīng）濟損失（shī）。因此，對機床切削參數的監控和控製係統的改造十分迫切。

      1 、改造方案規劃

      1. 1 主要結構及改造技術難點

      深孔鑽（zuàn）鏜床是由床體、主軸箱、授油器（qì）、鑽杆箱、拖板箱、工（gōng）件支架、鑽杆支架、主（zhǔ）軸控製係統、進給係統、液壓係統、高壓冷卻係統、輔助（zhù）控製係統組成。被加工工件一端由主軸前端的卡盤夾（jiá）緊，隨主（zhǔ）軸一起旋轉（zhuǎn）實現主運動，另一端由工件中心架輔助支撐定（dìng）位。鑽頭由鑽杆箱（xiāng）帶動高速旋轉實現切削運動，絲杠在進給電機的帶動下推動鑽杆箱實（shí）現進給運動。機床（chuáng）結構示意圖如圖1 所示。

      圖1 深孔鑽鏜床結構圖
 

      1. 2 電氣係統改造規劃

      圖2 控製（zhì）係統（tǒng）總體結構示意圖

      2 、電氣控製係（xì）統設計

      根據輸入輸出點數統計可知，係統共需要20 個輸入點、20 個輸出點（diǎn），則選用（yòng）台（tái）達推出的DVP-32EH2 高速精密定位型主（zhǔ）機，結合其提供的運（yùn）動控製指令及邏輯控製指令可方便實現控製要求。由於主軸變頻器和刀具（jù）變頻器的調速需要模擬電壓，而且係統要求功率監控、需實時顯示主軸電（diàn）機的電流及電壓值，所以擴展2 台模（mó）擬量輸入（rù）輸出模塊。

       2. 1 主軸傳動控製係統設計

       主軸（zhóu）傳動控製係統采用變頻器控製，原主軸箱機械結構保留（liú），但機械換擋功能廢棄，不僅（jǐn）可（kě）以實現多段速度的切換，還可以實現（xiàn）無級調速及轉矩（jǔ）控製。

       ( 1) 變（biàn）頻器。該（gāi）係統采用台達VFD-E 係列變（biàn）頻器，該變頻器具有多種控製方式，可實現無極調速，並根據負載轉矩，提供相應電（diàn）流及電壓矢量值輸出。
       ( 2) 無極調速控製。主軸電機轉速範圍為0 ～3 000 r /min，DA 模（mó）塊轉（zhuǎn）換數字（zì）量的範（fàn）圍為0 ～ 3 200。正常加工時，操作者在（zài）觸摸屏設定（dìng）主軸轉速n，PLC根據設定（dìng）參數經（jīng）計算得到DA 模塊應當輸出電壓的數字量: D = 3 200n /3 000，經過DA 模塊轉換為模擬電壓後傳送至變頻器的頻率設定端。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 進給運（yùn）動控製係統設計

          圖（tú）4 伺服驅動器硬件連接圖

     ( 2) 進給控（kòng）製係統。用戶要（yào）求機床在加（jiā）工時進（jìn）給速度、進給（gěi）量任意控製，而且要求在進給過（guò）程中可以調速，選擇（zé）脈衝輸出（chū）指（zhǐ）令PLSY 來實現進（jìn）給速度及進給量的控（kòng）製（zhì）。PLSY 指令（lìng）格式如下:

     其中: S1 表示（shì）脈衝輸出頻率( 脈衝/秒（miǎo）) ; S2 表示脈衝輸出個數; D 表（biǎo）示脈衝輸出（chū）裝置。進給方向的控製由PLC 輸出端（duān）Y1 的通斷控製伺服驅動器的方向信（xìn）號即可。

     正 常加工時（shí），操作（zuò）者（zhě）在觸摸屏（píng）上輸入進給位移L與基準進給速度v，這（zhè）兩個參數分別存入專用寄存器D 中，應發送的脈衝個數S2 = L /δ式中: L 為伺服（fú）機構的位移量( mm) ; δ 為伺服機構的脈衝當量( mm/脈（mò）衝) ，脈（mò）衝當量與絲杠螺距、減速機（jī）的減速比及伺服驅動器設定參數有關。應發（fā）送的脈衝頻率S1 = 60v /δ式中: v 為伺服機（jī）構的進給速度( mm/min) ; δ 為伺服機構的脈衝（chōng）當量( mm/脈衝（chōng）) 。PLC 程序（xù）中（zhōng）在每個（gè）掃描周期都需根（gēn）據設定值計算（suàn）S，這樣操作者可在觸摸屏上隨時更（gèng）改進給速度，滿足調速要求。

     2. 3 人機（jī）交互係統設計開發

     ( 1) 觸摸屏選型。係統（tǒng）采用台達的DOP-A 係列的（de）DOP-A10THTD1 觸摸屏，該係列觸摸屏具有65536色TFT、800 像素× 600 像素顯示效果，支持USB 上下載（zǎi），可連（lián）接打印機和U 盤、支（zhī）持以太網絡等特點，廣泛應用於各種工業（yè）監控場合。

     ( 2) 觸（chù）摸屏軟件開發。觸摸屏不僅可以認為設定輸入相關加工（gōng）參數，還可以對係統的運行狀態和相關加工參（cān）數進行（háng）在線監測。在解決觸摸屏與PLC 通信之後，即可完成與（yǔ）PLC 之間的數據交（jiāo）換，同時也可實現對加工過程（chéng）的控製與檢測。觸摸屏的軟件開發利用Screen Editor 2. 0 來完成，在軟件開發階段分（fèn）別完成觸摸屏（píng）與（yǔ）PLC 連接的（de）數據傳（chuán）輸地（dì）址分配表編（biān）輯、控製界麵與在線檢測界麵設計開發。最終設計（jì）出8 個控製界麵與檢測界麵，分別是主控（kòng）製界麵、主軸電機控（kòng）製與檢測（cè）界麵、伺服控製界麵、液壓控製界麵、冷卻係（xì）統控製界麵、加工參數設定界麵。如（rú）圖5 所示。

       圖5 控製、參數設定（dìng）界麵

     2. 4 輔助控製（zhì）係統設計

     由於機（jī）床床（chuáng）身較（jiào）長（zhǎng），所以采用多地控（kòng）製，控製麵板分（fèn）布在主軸箱、授油器及（jí）鑽（zuàn）杆箱三處。在主軸箱按鈕站分別有急停（tíng）、主軸啟動、主（zhǔ）軸停止3 個按鈕，授油器按鈕（niǔ）站除（chú）急停（tíng）按鈕與（yǔ）壓力表外，所有操控均可由觸摸屏（píng）完成。為操作方便快捷，觸摸（mō）屏下方設置了常（cháng）用的按鈕（niǔ）。鑽杆箱上設置急停（tíng）、正向進給、反向進給、快速前進、快速後退及進給停止5 個按鈕。為節省PLC 的輸入輸（shū）出（chū）點，3 個急停按鈕采用（yòng）常閉串聯的方（fāng）式引入PLC 的X0 端子，其他功能相同（tóng）的按鈕采用常開並聯的方式引入PLC。

     3 、機床切削參數監控模塊設計

     3. 1 切削參數監控理論推導（dǎo）

     刀具磨損由各種機械物理因素造成，包括刀刃的塑性變形、黏著、摩擦（cā）、切屑和熱（rè）疲勞等。刀（dāo）具發生磨損時，後角變為0，後（hòu）刀（dāo）麵與工件接觸麵積（jī）增大。同時，刀尖圓弧半徑（jìng）加大，刀具與工件間摩擦加劇，從而使機床消耗功率加大。因此，通過監測主軸電機實時扭矩值，並依據相應的（de）公式，即可探測刀具的磨損（sǔn）。文（wén）中從機床電（diàn）機和機械傳動係統一體化的角度出發，在考慮（lǜ）各種能量損（sǔn）耗並存的前提下（xià），以傳動環（huán）節的能量流程為基礎建立了機床功率監控數（shù）學模型。

     
  
     式中: Me為電極電磁轉矩;ω 為電機軸的角速度;M0、B、J 分（fèn）別為機床主傳動係統等效到（dào）電機軸上非載荷庫侖摩（mó）擦（cā）力矩、黏性阻尼係數和轉動（dòng）慣量;Pc( t) 為切削功率;αt為係統載荷損耗係數。切削功率

     由式( 3) 可看出: 機床功率信（xìn）息完全由主軸電機實時扭矩值（zhí）決（jué）定。係統采用A/D 模塊采集主軸（zhóu）變頻（pín）器實時（shí）扭矩值，通過式( 3) 的計算得到主軸實時的鑽削功率。因此，鑽削加工時機床主軸功率的變化（huà）可以定量描（miáo）述為時間的函數，加工參數相同的同種工件其加工過（guò）程具有（yǒu）相似的主軸功率/時間曲線，經（jīng）A/D 轉換後的數字信號由485 接口輸入PLC，進行運算和（hé）判斷，監視切削過程中切削功率的變化情況。

      3. 2 主軸功率監測與控製

     在大量的加工測試及研究分析的（de）基（jī）礎上，發現刀具破（pò）損失效時，深孔鏜床主軸功（gōng）率變化主要包括以下幾種情況:

     ( 1) 圖6 ( a) 為正常加工時監測主（zhǔ）軸功率曲線（xiàn）。
     ( 2) 鑽頭持續鑽孔，由於刀具處於持（chí）續的磨損過程，因此監測到的主軸功（gōng）率（lǜ）大致呈現持續增（zēng）加的現象，如圖6 ( b) 所示。
     ( 3) 根據主軸功率離散模型得出加工過（guò）程功率變化曲（qǔ）線: 當刀具發（fā）生破損失效時，主軸功率曲線突然異常增大，如圖6 ( c) 所（suǒ）示。此時功率值超出預先設定的主軸鑽削功率的閾值Pmax，PLC 發出報（bào）警信號，控製麵板（bǎn）報警（jǐng）燈閃爍。

     圖6 不同刀具狀態下鑽（zuàn）削加工主軸功率變化曲線

     當功率超過設定的閾值，PLC 控製進給伺服係統反轉、退刀，主軸隻承（chéng）受裝夾工件（jiàn）下的空轉狀態，而不受切（qiē）削載（zǎi）荷，因此此時檢測到（dào）的軸功率維持在一個較低的狀態（tài）。

     4 、結束（shù）語

     根據深孔加工機床的（de）加工特點對機床原有電氣控製係統重新進（jìn）行研究，以PLC 作為控製係統的核心，取代傳統的繼電（diàn）器接觸器控製係統，從而實現控製可靠性與控製精度（dù）的大幅提（tí）高。綜合考慮機床各個（gè）工位的（de）控製（zhì）特點（diǎn）和操作人員的工（gōng）作特點，使用變頻器、伺（sì）服驅（qū）動器、觸摸屏等（děng）控製操作設備（bèi），從而達到對加工（gōng）過程（chéng）中的重要參數的（de）數字化控製（zhì）與檢測。