高速深孔加工頂緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2018-4-24 來源：中北大學(xué) 山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心 作者： 張繼明，沈興全，李忠秋，倪雪婷，曹衛(wèi)衛(wèi)
摘要: 高速深孔加工過程中，加工速度快，切削液的流量和壓力較大，工件和授油器能否穩(wěn)定連接是影響加工過程可靠性的關(guān)鍵因素之一。高速深孔加工在不同工況下連接工件和授油器的頂緊力大小要求不同，并且對工件夾緊時(shí)頂緊力精度的要求較高，文章采用 PLC 控制自動(dòng)調(diào)節(jié)頂緊力的大小，有效的提高了高速深孔加工效率與穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞: 高速深孔加工; 精度; PLC; 自動(dòng)調(diào)節(jié)
0 、引言
深孔加工中，工件的夾緊是利用三爪卡盤、中心架、授油器三部分共同完成，三爪卡盤夾緊工件一端后，采用液壓推動(dòng)授油器頂緊工件另一端，中心架支撐工件中部，從而達(dá)到夾緊工件的目的傳統(tǒng)的深孔鉆鏜床授油器頂緊工件的頂緊力依靠工人經(jīng)驗(yàn)確定，而如果頂緊力過大會造成加工工件變形，影響加工精度，頂緊力過小則會造成切削液溢出，切削過程中油液飛濺，影響加工環(huán)境，因此，依靠工人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行頂緊操作可靠性較差。隨著深孔加工在民用領(lǐng)域應(yīng)用的逐步加快，對深孔加工精度、效率的要求越來越高，高速深孔加工逐漸受到重視。同時(shí)，在高速深孔加工中，切削速度快，鉆頭會產(chǎn)生大量切削熱，需要更多的切削液將熱量帶走，切削液的流量和壓力更大，對頂緊力的要求也更高。文獻(xiàn)對高速 BTA 鉆削進(jìn)行流體的壓力分析，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關(guān)系。現(xiàn)有高速深孔加工對工件夾緊系統(tǒng)研究較少。因此，為提高頂緊力精度，以及實(shí)現(xiàn)針對不同工件頂緊力大小可調(diào)，本文以 PLC 為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)自動(dòng)頂緊系統(tǒng)，采用比例溢流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，搭配壓力傳感器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
1 、自動(dòng)頂緊系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
自動(dòng)頂緊系統(tǒng)主要包含三部分: 頂緊結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中頂緊結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)深孔加工頂緊結(jié)構(gòu)，利用液壓力推動(dòng)授油器內(nèi)部結(jié)構(gòu)頂緊工件; 液壓系統(tǒng)由液壓泵、帶限壓閥的先導(dǎo)式比例溢流閥、電磁換向閥等組成; 控制系統(tǒng)的核心是西門子 S7-200 系列PLC，型號為 CPU 224XPCN，壓力傳感器采集液壓缸內(nèi)部油壓信號并傳遞給 PLC，并采用西門子 MP 177 多功能觸摸屏作為該系統(tǒng)的人機(jī)交互工具。
自動(dòng)頂緊系統(tǒng)的工作流程圖如圖1所示。工件定位完成后，控制系統(tǒng)初始化，確定預(yù)設(shè)頂緊力大小，系統(tǒng)開始頂緊。壓力傳感器自動(dòng)獲取液壓缸壓力信號，并將壓力信號傳送給 PLC，經(jīng)過 PLC的信號處理模塊對信號進(jìn)行分析處理，然后將信號發(fā)送到觸摸屏實(shí)時(shí)顯示壓力值，同時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)壓力值通過 PLC 的 PID 算法對壓力信號進(jìn)行運(yùn)算，輸出模擬量電壓信號并傳入放大器，放大器輸出脈沖信號給比例溢流閥調(diào)整液壓缸內(nèi)部壓力，從而實(shí)現(xiàn)頂緊力調(diào)整的閉環(huán)控制。
圖1 自動(dòng)頂緊系統(tǒng)工作流程圖
2 、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 液壓系統(tǒng)原理
深孔加工的工件頂緊結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示，采用錐形結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂緊密封。錐形密封是否可靠的一個(gè)重要因素是軸向力 F 的大小。深孔加工頂緊軸向力大小為:
圖2 頂緊結(jié)構(gòu)示意圖
其中，F(xiàn)1為密封腔內(nèi)液壓油對導(dǎo)向套端面的作用力，F(xiàn)2為工件與導(dǎo)向套相互作用力在軸向的分力。因此，
其中，ps為密封腔內(nèi)冷卻液壓強(qiáng)，pl為沿軸線的線壓力，μ 為工件與導(dǎo)向套的摩擦系數(shù)。錐形密封的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是保證工件和導(dǎo)向套都在彈性變形范圍內(nèi)。深孔加工中工件材料未定，本研究以45 鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。對于導(dǎo)向套，根據(jù)第三強(qiáng)度理論可得:
錐形密封最適宜的錐面角度為 60°，即 α = 30°。將式(5) 、(6) 帶入式(1) 、(2) 、(3) 中，得理論上最大軸向力:
F= F1+ F2= 3002.2+2276．5=5278.7N (7)
高速深孔加工機(jī)床是由授油器內(nèi)部液壓活塞推動(dòng)導(dǎo)向套頂緊，已知活塞受力截面積S= 801mm2。則頂緊系統(tǒng)最大工作壓力為:
由于實(shí)際深孔加工中工件材料多樣，因此設(shè)定頂緊系統(tǒng)工作壓力為 6MPa.
液壓系統(tǒng)的工作原理如圖 3 所示，共兩個(gè)動(dòng)作: 頂緊和回收。
圖3 液壓原理圖
頂緊: 啟動(dòng)液壓泵，同時(shí)完全接通比例溢流閥,4系統(tǒng)卸載啟動(dòng)。三位四通電磁換向閥5左位接通，液壓油推動(dòng)液壓缸開始頂緊，根據(jù)壓力傳感器獲取壓力調(diào)節(jié)比例溢流閥，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)壓。系統(tǒng)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)壓力后，三位四通電磁換向閥5中位接通，同時(shí)比例溢流閥4完全接通，系統(tǒng)卸載運(yùn)行。回收: 三位四通電磁換向閥5右位接通，關(guān)閉比例溢流閥4，液壓缸回到指定位置后，換向閥5 回中位,同時(shí)比例溢流閥4完全接通，系統(tǒng)卸載運(yùn)行。
2．2 選取電液比例溢流閥
根據(jù)液壓系統(tǒng)對油壓和流量的要求，本系統(tǒng)采用意大利 ATOS 的先導(dǎo)式比例溢流閥，型號為 RZMO-AE-030 /210，它帶有模擬式集成放大器，并且出廠時(shí)經(jīng)過工廠預(yù)調(diào)，保證了閥的良好工作性能，也使安裝使用更為簡便。 如圖4所示，該閥接收標(biāo)準(zhǔn)的0 ～ 10V 輸入信號，并轉(zhuǎn)化為占空比的 PWM 信號。該閥的最高工作壓力為 31． 5MPa，最大流量 40L/min，壓力調(diào)整范圍是0．6 ～ 10MPa。
圖4 壓力P與控制信號U的特征曲線
3 、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 控制系統(tǒng)原理
自動(dòng)頂緊系統(tǒng)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(huán)控制系統(tǒng)。首先，由 PLC 得到指令，獲取壓力值。然后，根據(jù)壓力傳感器測得當(dāng)前壓力運(yùn)用 PID 算法對比例溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而對液壓缸壓力進(jìn)行控制。最終實(shí)現(xiàn)頂緊力的自動(dòng)調(diào)控。
圖5 自動(dòng)頂緊系統(tǒng)原理圖
3．2 傳感器
本系統(tǒng)采用的傳感器是美國 MEAS 生產(chǎn)的 U5700系列傳感器，它的量程為0～7MPa，內(nèi)置放大器，輸出信號是0～10V 模擬信號，可以直接與 PLC 進(jìn)行信號傳輸。西門子 PLC S7-224XPCN 的 EM231-2HAI 模擬量輸入模塊能夠有效的接收該傳感器采集的信號。
3．3 觸摸屏
西門子 MP 177 多功能觸摸屏使用 Win CC flexi-ble 標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)軟件。 設(shè)計(jì)控制界面如圖 6 所示，通過該觸摸屏可以設(shè)置需要達(dá)到的工作壓力，顯示實(shí)時(shí)工作壓力，并且能夠查看實(shí)時(shí)壓力曲線。
圖6 觸摸屏控制界面
3．4 PLC 編程
西門子PLC S7-224XPCN 具有14 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和 10 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，并集成了 2 個(gè)模擬量輸入點(diǎn)和 1 個(gè)模擬量輸出點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)簡單的模擬量控制。表1 為 PLC 的 I / O 分配表。
表1 PLC I/O 分配表
本系統(tǒng)梯形圖主要分為自動(dòng)、手動(dòng)、模擬量采集和PID運(yùn)算四部分。在自動(dòng)和手動(dòng)控制部分，定義自動(dòng)、手動(dòng)等控制變量與觸摸屏相關(guān)控件對應(yīng)，并編寫梯形圖實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頂緊、手動(dòng)頂緊。在模擬量采集子程序中，將采集到的壓力信號放大與預(yù)設(shè)壓力對比，當(dāng)實(shí)時(shí)壓力與預(yù)設(shè)壓力相等時(shí)停止頂緊。在PID 運(yùn)算子程序中，根據(jù)傳感器和比例溢流閥的模擬量輸入 /輸出參數(shù)，使用 PLC 編程軟件向?qū)гO(shè)置 PID 控制的回路給定值范圍、比例增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間、微分時(shí)間等參數(shù)。完成向?qū)Ш螅詣?dòng)生成初始化子程序 PIDx _INIT和中斷程序 PID_EXE 等。使用 PID 調(diào)節(jié)控制面板對PID 參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。
4 、實(shí)驗(yàn)
為驗(yàn)證自動(dòng)頂緊系統(tǒng)的工作效率與精度，本研究對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)機(jī)床使用 BTA 高速深孔鉆鏜床，工件與刀具相對轉(zhuǎn)速為 680r /min，工件材料采用 45 鋼，導(dǎo)向套頂緊部分錐面角度為60°。密封腔內(nèi)液壓油壓力為 3MPa，設(shè)置頂緊壓力為 5MPa。
工件與導(dǎo)向套結(jié)合部位無冷卻液泄露現(xiàn)象。系統(tǒng)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: 該頂緊系統(tǒng)從開始頂緊到完成耗時(shí)約為 15s，前 4s 時(shí)間內(nèi)壓力迅速達(dá)到 5MPa，之后 11s 頂緊壓力在 5MPa 上下浮動(dòng)，并逐步穩(wěn)定到 5MPa。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的頂緊系統(tǒng)能夠有效避免高速深孔加工過程中工件與導(dǎo)向套結(jié)合部位冷卻液泄露現(xiàn)象，加工環(huán)境得到改善。使用 PLC 和觸摸屏作為頂緊系統(tǒng)的控制部分，能夠按照預(yù)設(shè)壓力快速、穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)工件頂緊，并且操作簡便、安全。
圖7 壓力曲線圖
5 、結(jié)論
高速深孔加工自動(dòng)頂緊系統(tǒng)采用液壓作為系統(tǒng)動(dòng)力源、PLC 為控制核心、電液比例溢流閥作為調(diào)節(jié)壓力元件，設(shè)計(jì)了高速深孔加工頂緊力可調(diào)的伺服比例控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)方便、工作穩(wěn)定可靠、容易操作，能夠滿足高速深孔加工對頂緊力可調(diào)和效率高的要求。
高速深孔加工不僅對頂緊力要求較高，而且對切削液溫度和壓力的要求也比較嚴(yán)格，因此下一步工作是在本系統(tǒng)中添加切削液溫度和壓力的檢測與反饋。
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