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高速深孔加工頂緊係統設計

2018-4-24 來源：中北大學山（shān）西省深孔加工工程技術研究中心作者：張繼明，沈興全（quán），李忠秋，倪雪婷，曹衛衛

摘要: 高速深孔加工過程中（zhōng），加工（gōng）速度快，切削液的流量和壓（yā）力較大，工件和授油器能否（fǒu）穩定連接（jiē）是影（yǐng）響加工過程可（kě）靠性的關鍵因素之（zhī）一。高速深孔加工在不同（tóng）工況下連（lián）接工（gōng）件和授油器的頂緊力大小要求不同（tóng），並且對工件夾緊時（shí）頂（dǐng）緊力精度的要求較高（gāo），文章采用 PLC 控（kòng）製自動調節頂緊力的大小，有效的提高了高（gāo）速深孔加工效率與穩定性。

關鍵詞（cí）: 高速深孔加工; 精度; PLC; 自動調節

0 、引言

深孔加工中（zhōng），工件的夾緊是利用三爪卡盤、中心架、授油器三部分（fèn）共同完成（chéng），三爪（zhǎo）卡盤夾緊工件一端後，采用液壓推動授油器頂緊工件另一端，中心架支撐工件中部，從而達（dá）到夾緊工（gōng）件的目的傳統的深孔鑽鏜床（chuáng）授油器頂緊工（gōng）件的頂緊力依靠工人經驗確定，而（ér）如果頂（dǐng）緊力（lì）過大會造成加工工件變形，影響加工精（jīng）度，頂緊力過小則會造（zào）成切削液溢出，切削過程中油液飛濺（jiàn），影響加工環境，因（yīn）此，依靠工人經驗進行頂緊操作可靠性較差。隨著深孔加工在民用領域應用的（de）逐（zhú）步加快，對深孔加工精度（dù）、效率的要求越來越高，高速深孔加工逐漸受到重視。同時，在（zài）高（gāo）速深孔加工（gōng）中，切削速度快（kuài），鑽頭會（huì）產生大量切削熱，需要更多的切削液將熱量帶走，切削液的流量和壓（yā）力更大，對頂緊力的要求也（yě）更高。文獻對高速（sù） BTA 鑽削（xuē）進行流體（tǐ）的壓力分析，討論了高速深孔加工過程中切削熱、切削速度和切削液流量之間的（de）關係。現有高速深孔加工對工件夾緊係統研究較少。因此，為提高頂緊（jǐn）力精度，以及（jí）實（shí）現針對不（bú）同工件頂緊力大小可（kě）調，本文以 PLC 為基礎設計自動頂緊係統，采用比例溢流閥調節係統壓力，搭配壓（yā）力傳感器實現係統的閉環控製。

1 、自動頂緊係統總體設計

自動頂緊係統主要包含三部分: 頂緊結構、液壓係統和控製係統（tǒng）。其中頂緊結構采用傳統（tǒng）深孔加工頂緊結構，利用液壓力推動授油器內部結構頂緊工件; 液壓係統由液壓泵、帶限壓閥的先導式比例溢流（liú）閥、電磁換（huàn）向閥等組成; 控（kòng）製係統的核心是（shì）西門子 S7-200 係列PLC，型號為 CPU 224XPCN，壓（yā）力（lì）傳感器（qì）采集液壓缸內部油（yóu）壓信號並傳遞給 PLC，並采用西門子 MP 177 多功能觸摸屏作為該係統的人（rén）機交互工具（jù）。

自（zì）動頂緊係統的工作流程圖（tú）如圖1所示（shì）。工件定位完成後，控製係統初始化，確定預設頂緊力大小，係統開始頂緊。壓力傳感器自動獲取液壓缸壓（yā）力信號，並將壓（yā）力信號傳送給 PLC，經過 PLC的信號處理模塊對（duì）信號進行分（fèn）析處理，然後將信號發（fā）送到觸摸屏實時顯示壓力（lì）值，同時根據預設壓力值通過 PLC 的 PID 算法（fǎ）對壓（yā）力（lì）信號進行運算，輸出模擬量電壓信（xìn）號並（bìng）傳入放大器，放（fàng）大器輸出脈衝信號給比（bǐ）例溢流閥調（diào）整液壓（yā）缸內部壓力，從而實現頂緊力調整的閉環控製。

圖（tú）1 自動頂緊係（xì）統工作流程（chéng）圖

2 、液壓係統設計

2.1 液壓係統原理

深孔加工的工（gōng）件頂緊結構示意（yì）圖如圖 2 所示，采用錐形（xíng）結構進行頂緊密封。錐形密封是否（fǒu）可靠的一個重要因素是軸向力 F 的大小。深孔加工頂緊軸向力大小（xiǎo）為:

圖2 頂緊結構示意圖

其中，F1為密封腔內液壓油對（duì）導向套（tào）端麵的作用力，F2為工件與導向套相互（hù）作（zuò）用力在軸向的分力。因此，

其中，ps為密封腔內冷卻液壓強，pl為沿軸（zhóu）線的線壓力，μ 為工件與導向套的摩擦係數。錐形密封的設計要點（diǎn）是（shì）保證工件和（hé）導向（xiàng）套都在彈性（xìng）變形範圍內。深孔加工中工件材料未定，本研究以45 鋼進行設計（jì）計算。對於導向套，根據第三強度（dù）理論可（kě）得:

錐形密封最適宜的錐麵角度為 60°，即 α = 30°。將式(5) 、(6) 帶（dài）入式(1) 、(2) 、(3) 中，得理論（lùn）上最大軸向力:

F= F1+ F2= 3002.2+2276．5=5278.7N (7)

高速深孔（kǒng）加工機床是由授油器內部液壓活塞推動（dòng）導向（xiàng）套頂緊，已（yǐ）知（zhī）活塞（sāi）受力截麵積S= 801mm2。則頂緊係統（tǒng）最大工作壓力為:

由於（yú）實際深孔加工（gōng）中工件材料多樣，因此設定（dìng）頂緊係統（tǒng）工（gōng）作壓力（lì）為 6MPa.

液壓係統的工作原理如圖 3 所示，共兩個動作: 頂緊和回收。

圖3 液（yè）壓（yā）原（yuán）理圖

頂緊: 啟動液壓（yā）泵，同時（shí）完全接通（tōng）比例溢流（liú）閥,4係統卸載啟動。三位四通電磁換向閥5左位接通，液（yè）壓油推動液壓缸開始頂（dǐng）緊，根據壓力傳（chuán）感器獲取壓力調節比例溢流閥（fá），實現係統調壓。係統壓（yā）力（lì）達到預設壓力後，三位四通（tōng）電磁換向閥5中位接通，同時比例溢流閥（fá）4完全接通（tōng），係（xì）統卸載運行。回收（shōu）: 三位四通電磁換向（xiàng）閥5右位接通，關閉比例溢流閥4，液壓（yā）缸（gāng）回到指定位置後，換（huàn）向閥5 回中位,同時比例溢流閥4完（wán）全接通，係統卸載運（yùn）行。

2．2 選（xuǎn）取電液比例溢流（liú）閥

根據液壓係統對油壓和流量的要求，本係統采用意大利 ATOS 的先導式比例溢流閥，型號為 RZMO-AE-030 /210，它帶有模擬式集成放大器，並且出廠（chǎng）時經過工廠預調，保證了閥的良好工作性能，也使安裝使用（yòng）更為簡便。如圖4所示，該閥接收標準的0 ～ 10V 輸入信號（hào），並（bìng）轉化為占（zhàn）空比的 PWM 信號。該閥的（de）最高工作壓（yā）力為 31． 5MPa，最大流量 40L/min，壓力（lì）調整範圍是0．6 ～ 10MPa。

圖4 壓力P與控製信號U的特征曲線（xiàn）

3 、控製係統設計

3．1 控製係統原理

自動頂緊係（xì）統原理圖如圖 5 所示，由液壓缸，壓力傳感器，PLC，比例溢流閥組成閉環控製係統。首先，由 PLC 得到指令，獲取壓力值。然後（hòu），根據壓力傳感器測得當（dāng）前壓力運用 PID 算法對比例溢流閥進行調節，從而對液壓缸壓力進行控製。最終實現頂緊力的（de）自動調控。

圖5 自動頂緊係統原理圖

3．2 傳感（gǎn）器

本係統采用的傳感器是（shì）美國 MEAS 生（shēng）產的（de） U5700係列傳感器，它（tā）的量程為0～7MPa，內置放大器，輸（shū）出信號是（shì）0～10V 模擬（nǐ）信號，可（kě）以（yǐ）直（zhí）接與 PLC 進行信號傳輸。西門子 PLC S7-224XPCN 的 EM231-2HAI 模擬量（liàng）輸入模塊能夠有效的接收該（gāi）傳感器采集的信號。

3．3 觸摸屏

西門子 MP 177 多功能觸摸屏使用（yòng） Win CC flexi-ble 標準組態軟件。設計（jì）控製界麵如圖 6 所示，通過該觸摸屏可以設置需要達到的工（gōng）作壓力，顯示實時工作壓力，並且能夠查看（kàn）實時壓力曲線。

圖6 觸摸屏控製界麵（miàn）

3．4 PLC 編程

西門子PLC S7-224XPCN 具有14 個（gè）數字量輸入點和 10 個數字量輸出點，並集成了 2 個模（mó）擬量輸入點和 1 個模擬量輸出點，可實現簡單的模擬量控製。表1 為 PLC 的 I / O 分配（pèi）表。

表1 PLC I/O 分配表

本（běn）係統梯形圖主要（yào）分為自動、手動、模擬（nǐ）量采集和PID運算四部分。在自動和手動控製部分，定義自動、手動等控製變量與觸摸（mō）屏相關控件（jiàn）對應，並編寫梯形圖實現自動頂緊、手動頂緊。在模擬量采集子程序中，將采集（jí）到的壓力信號放大與預設壓力對比（bǐ），當實時壓力與預設壓力相等時停止（zhǐ）頂緊。在PID 運算子（zǐ）程序中，根據（jù）傳感器和比例溢流閥的模擬量輸入（rù） /輸出參數，使用 PLC 編程軟件（jiàn）向導設置 PID 控製的（de）回路給定值範圍、比例增益、采樣時（shí）間、積分時（shí）間（jiān）、微分（fèn）時間等（děng）參數。完（wán）成（chéng）向導後，自動生成初始化（huà）子程序 PIDx _INIT和中斷程序 PID_EXE 等。使用 PID 調節控製麵板對PID 參數進（jìn）行自動調節。

4 、實驗

為驗證自動頂緊係（xì）統的工作（zuò）效率與精度，本研究對係統進行了實驗測試。實（shí）驗機床使用 BTA 高速深孔鑽鏜床，工件與刀具相對轉速為 680r /min，工件（jiàn）材料采用 45 鋼（gāng），導向套頂緊部分錐麵角度（dù）為60°。密封腔（qiāng）內液壓油壓力為 3MPa，設置頂（dǐng）緊壓力為 5MPa。

工件與導向套結合部（bù）位無冷卻液泄露（lù）現象。係統從頂緊起始位置到頂緊完成的壓力曲線如圖 7 所示，由圖可得: 該頂緊係統從開始頂緊（jǐn）到完成（chéng）耗時（shí）約為 15s，前 4s 時間內壓（yā）力迅速達到 5MPa，之後 11s 頂緊壓力（lì）在 5MPa 上下浮動，並逐步穩定到 5MPa。

由實驗結果可知，本文設計的頂緊係統能夠有效（xiào）避免高速深孔加工過程中工件與導向（xiàng）套結合部位冷卻液泄露現象，加工環境得到改善。使用 PLC 和觸摸屏作為頂緊係（xì）統的控（kòng）製部（bù）分，能夠按照預設壓力快速、穩定的實現工件頂緊，並且操作簡便、安全。

圖7 壓力曲線（xiàn）圖

5 、結論

高速深孔（kǒng）加工自動頂緊係統采用液壓作為係統動力源、PLC 為控製核心、電液（yè）比（bǐ）例（lì）溢流閥（fá）作為調節壓力元件，設計了高（gāo）速深孔加工頂緊力可調（diào）的（de）伺服比例控製（zhì）係統。該係統結構簡單、實現方便、工作穩定可靠、容易操作（zuò），能夠滿足高（gāo）速深孔加工對頂緊力可調和效（xiào）率高的要求。

高速深孔加工（gōng）不（bú）僅對（duì）頂緊力要求較高，而且對切削液溫度和壓力的要求也比較（jiào）嚴格，因此下一步（bù）工作是在本係統中添加切削液溫度和壓力的檢測與反饋（kuì）。

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