第12卷第2期 2009年6月上海电机学院学报JO U RN A L O F SH A NG H AI DI AN JI U N IV ERSIT YVol.12No.2 Jun.2009收稿日期:2009-04-17作者简介:陆永耕(1963-),男,教授,博士,专业方向为工业自动化、超声电机控制及数字图象处理,E -mail:luyg @文章编号 1671-2730(2009)02-0095-04高精度珩磨机控制系统设计陆永耕(上海电机学院电气学院,上海200240)摘 要:根据珩磨车床加工工艺原理和控制要求,利用可编程控制PLC 技术,设计了珩磨车床控制系统。
阐述了系统PLC 主控制器系统硬件组成和I/O 端口设计、控制参数设置及运行控制方式。
关键词:珩磨;控制系统;PLC中图分类号:T G 589.023.5 文献标识码:ADesign of the Control System for High Precision Honing MachinesL U Yong geng(Scho ol of Electric,Shanghai Dianji University,Shanghai 200240,China)Abstract:The control system o f a ho ning machine based on the PLC techno logy is desig ned in this paper,accor ding to the pro cessing principle and the control requirements of the ho ning m achine.T he system hardw are construction o f PLC main contr oller,the I/O po rts and control param eter setting and m ode o f operation co ntro l are presented. Key words:honing;contr ol system;PLC早期的珩磨实际上是一种摩擦工艺,最初生产的珩磨头装于钻床上珩磨,切削量非常小(最大为0.15mm )。
现代珩磨可定义为一种切削金属的方法,实现对工件尺寸、圆度、直线度、位置度和表面粗糙度的要求。
珩磨作为一种万能的孔加工方法,在粗珩工序上采用大切削的工艺,最大切削量可达0.70~1.00mm;并取消了传统的精镗、精磨工序,广泛地应用于油缸、气缸套和泵体缸孔等的加工作业[1]。
现代珩磨机大量采用高新控制、振动珩磨头制造、多种材质珩磨条制造和现代测量等技术,特别是随着珩磨工件要求的不断提高,对与之配套的刀具材料也提出了越来越高的要求,由单一的油石向金刚石、刚玉、氮化硼、碳化硅发展,从而实现大加工余量的切削。
同时,控制系统也由传统的机-电-液压控制系统,向数字控制、数字控制工艺参数的数控(CNC)车床方向发展[2-4]。
作为油缸加工的核心设备之一,珩磨机的研制开发成为许多精密加工厂家急需解决的问题。
通过对国内外重点生产厂家同类产品的比较,在总结德国格林、美国德隆、美国善能产品的基础上,结合油缸、喷嘴、异形工件等深孔产品的精加工特点和实际工作经验,制订了适合冷拔、镗孔等管坯加工使用的强力珩磨机设计方案,在满足加工工艺指标的前提下,取得了价格低、性能好的效果[5,6]。
本文设计的珩磨机以替代进口为宗旨,用于油缸、汽缸、发动机缸筒等圆柱形深孔的内表面光整加工,以获得较高的尺寸精度,很低的表面粗糙度,较好的圆度、圆柱度与直线度,及一般珩磨等径管件或无特殊要求的阶梯孔管件;可显著提高结构刚性方面的要求,进行较大余量的高效切削,可直接对冷拔管、粗镗管等进行内孔的精密加工,也可对浮镗滚压后的缸筒进行抛光整形,完成深孔的精密加工。
本设计完成以下任务:¹以西门子S -300和2块A/D,D/A 接口板,构成控制系统,完成珩磨工艺对车床的控制要求,通过编码器和压力传感器采集速度与压力信号,同时检测磨杆电机变频器的负载率,进而控制加工过程[7]。
º通过变频器控制2台电机珩磨过程的转速。
»通过手动旋钮或触摸屏数字输入方式,控制砂条比压、磨杆转速、拖板速度,且控制柜上设有组合开关以选择工作方式。
1 机械系统组成与加工过程1.1 机械机构组成珩磨机车床的机械结构如图1所示。
1为主轴架;2为移动导向架;3为主车床架;4为珩磨杆;5为导向架;6为前夹板;7为工件托架;8为副床身辅件;9为后夹板;10为拖板图1 珩磨机机床机械结构图Fig.1 Mechanical structure of the horning machine1.2 珩磨加工过程1.2.1 工件夹装 将工件装夹于副床身上,通过摇动前夹板和后夹板的螺杆,由夹板自定心定位,其周向的夹紧由前、后夹板上的棘轮棘爪机构配合夹紧用钢丝绳实现;其轴向的定位由前、后夹板上的挡板来实现工件的定位。
同时,为了弥补工件自重产生的变形,在副床身的中部安装一个工件托架,根据不同形状的工件调整托架的高度。
1.2.2 珩磨行程 磨杆的一个往返称为一个珩磨行程,珩磨行程由手动确定。
工件装夹完成后,通过操作面板或触摸屏的操作按钮,使链条张紧。
通过拖板前行和拖板后退2个按钮的操作,使珩磨头运动到工件两端,按行程确定按钮,使PLC 自动保存珩磨行程的起点与终点位置,作为全行程珩磨的控制数据。
变频器驱动控制磨杆电机无级调速转动,实现珩磨动作。
主轴架、磨杆电机等均固定在拖板上。
在拖板电机的带动下,拖板通过链传动,实现往复移动。
拖板电机亦由变频器驱动实现无级调速。
珩磨头装在磨杆端部,与磨杆间通过十字滑块连接。
珩磨头内装有张紧油缸,当电磁阀控制油缸动作时,通过顶出油缸顶部的圆锥将珩磨头上的6条油石均匀顶开,使其与工作的孔表面以一定压力接触,油缸的顶出压力由比例减压阀控制,可实现珩磨油石比压的连续控制,进而达到工艺要求的砂条比压。
1.2.3 信号检测 珩磨工艺是一种以被加工面为导向定位面的加工方式,磨杆与珩磨头通过十字滑块浮动连接,故传统的珩磨过程是以工件的原形位精度为基础,只能提高工件内孔的表面粗糙度,而不能提高工件的形位公差。
当对冷拔管和粗镗管等粗加工的工件进行精加工时,可先由车床的检测功能对工件的形位公差进行大致估计,并通过短行程预磨动作,提高工件的形位公差。
检测过程中控制张紧油缸的电磁阀左位,砂条张紧后压在工件上,对工件进行2个行程的预磨;电磁阀中位,油缸两腔封闭,液控阀保压,珩磨油石保持不动。
拖板正转,PLC 从起点开始到终点每隔5%的行程长度记录一次磨杆电机的负载率。
通过检测磨杆电机负载率,检测工件内孔的形位公差。
依此确定短行程预磨的起点、终点位置及预磨的次数。
1.2.4 短行程预磨 设定好短行程参数后,可启动短行程操作。
磨头上油石在收回的状态下,移动到短行程的起点,磨头张紧,从已确定的短行程起点到96上 海 电 机 学 院 学 报2009年第2期终点位置,按设定的次数完成预磨动作。
1.2.5 珩磨加工 完成检测和短行程预磨后,即可对工件按照设定的起点与终点位置、工艺参数和珩磨次数进行珩磨加工。
1.3 液压系统深孔加工专用车床的液压系统原理如图2所示。
1为珩磨头张紧油缸;2为叠加式液控单向阀;3为三位四通电磁换向阀;4为压力传感器;5为压力表1;6为比例阀;7为压力表2;8为蓄能器;9为液压动力;10为电磁换向阀;11为磨头振动电机;12为链条张紧油缸;13为三位四通电磁换向阀图2 珩磨机液压系统原理图Fig.2 Principle diagram of the fluid system ofthe honing m achine液压系统工作过程如下:¹液压系统的动力部分采用标准化的液压装置,外加蓄能器。
液压装置电机的启停由电接点压力表控制。
º珩磨头珩磨油石的张紧机构采用油缸张紧的方法,油缸活塞杆顶端为顶出圆锥,与珩磨油石座之间锥度配合,达到珩磨油石与工件内表面之间的预定压力值。
通过压力传感器将检测到的数值转换后传送给PLC,由PLC 来实现比例减压阀的出口压力控制,控制珩磨油石的压力。
»珩磨加工时,拖板链条处于张紧状态,以保证拖板往复运动时准确地控制拖板位置。
¼珩磨头设计成可以做小振幅振动的结构,以改善珩磨头的工作环境和冷却效果。
珩磨头的振动由液压电机提供动力,通过凸轮实现振幅为8mm 、频率为20H z 的机械输出。
2 控制系统珩磨机控制系统结构如图3所示。
珩磨机控制系统有触摸屏控制和手动操作控制2种工作方式。
手动操作台为按钮操作,按钮信号图3 控制系统结构图Fig.3 C ontrol system structure of the honing machine由PLC 的输入接点输入。
PLC 的输入信号还包括旋转编码器的脉冲信号、中点校正、最大行程处行程开关的触发信号和液压站电机的状态信号等。
对电机启停、链条张紧、磨头张紧、磨杆振动、拖板正反转等控制信号的输出,由PLC 输出接点控制。
变频器采用无位置/变频控制,变频器的外部接线模拟/数字输出端子,可用于变频电机负载率的检测;磨杆电机变频器的模拟/数字输出端与PLC 的扩展单元的输入端相连,用于检测电机的负载率[8,9]。
2.1 控制参数设置图4为设定参数流程图。
实现珩磨运行相关的主轴转速、拖板速度、砂条比压、珩磨次数、工件孔径等参数的设定。
图4 设定参数流程图Fig.4 Flow chart for setting Parameters设定参数时,进入设定选择功能,光标在上述5972009年第2期陆永耕:高精度珩磨机控制系统设计个参数项之间循环移动;移动到需要设定的参数项后,按位选择按钮,光标在该参数项不同位之间循环移动;移动到相应的位置后,按值选择按钮,该数值在0~9之间循环,这样,就完成了对上述参数的设定。
为了调试方便,PLC内存储有常用标准轴径的菜单参数,当完成对工件孔径的设定后,按下/确定0按钮,PLC通过对比计算,与该轴径最相近的标准轴径的参数在相应的显示框中显示。
对这些参数,可反复修改,而不会影响原储存的菜单参数。
PLC的I/O接点地址分配如表1所示。
表1PLC I/O接点地址(继电器)分配表Tab.1PLC I/O port address assignement输入继电器端口编号功能输出继电器端口编号功能P000张紧链条P040张紧链条P001放松链条P041放松链条P002张紧磨头P042张紧磨头P003放松磨头P043放松磨头P004启动磨杆P044启动磨杆P005停止磨杆P045磨头振动电机开P006振动器开P046油泵开P007振动器关P047拖板正转P008拖板前进P048拖板反转P009拖板后退P00A拖板停止P00B拖板往复2.2运行控制方式珩磨机运行时,操作台按钮只能手动控制,通过各个按钮使车床完成相应动作,即车床的每个动作都需要操作人员通过PLC直接操作。