小型摩擦襯片制樣機(jī)的數(shù)控化改造研究*

李增松 鄧景泉 王 波 鄭凱旋

(滁州學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院 安徽滁州 239000)

摩擦襯片制樣機(jī)是一種在生產(chǎn)或研制剎車片、閘瓦等摩擦襯片時(shí)經(jīng)常用到的設(shè)備，一般借助于制樣機(jī)對(duì)熱壓成型后的摩擦襯片進(jìn)行切割加工，從而獲得適用于摩擦試驗(yàn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)試樣塊。以XDZ-A型摩擦襯片制樣機(jī)為例，三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)金剛石刀片、精磨砂輪旋轉(zhuǎn)，借助于金剛石刀片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)摩擦襯片毛坯進(jìn)行初次切削，借助于精磨砂輪的側(cè)面完成對(duì)摩擦襯片的磨削。然而，此類試驗(yàn)機(jī)停機(jī)后，在三相異步電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下精磨砂輪仍有數(shù)圈的空轉(zhuǎn)，極易造成摩擦襯片的尺寸過小，不能滿足試驗(yàn)機(jī)的安裝要求。例如，胡東陽(yáng)[1]在制備磁性提升機(jī)閘瓦時(shí)曾指出，在對(duì)熱壓成型后的閘瓦毛坯進(jìn)行切割時(shí)，尤其要注意對(duì)磨削時(shí)間的控制，以防閘瓦樣片過??；張慶金等人[2]則指出生產(chǎn)制動(dòng)摩擦材料時(shí)，磨削速度對(duì)于制動(dòng)摩擦材料性能有著非常重要的影響；劉金革[3]也在研究汽車盤式制動(dòng)器用摩擦襯片時(shí)，指出了制樣機(jī)空轉(zhuǎn)對(duì)摩擦襯片尺寸大小具有一定程度的影響；等等。

為此，文章以PLC為控制單元，嘗試對(duì)小型摩擦襯片制樣機(jī)進(jìn)行數(shù)控化改造，以期實(shí)現(xiàn)摩擦襯片制樣機(jī)數(shù)控化的準(zhǔn)確停機(jī)，提高制樣機(jī)的控制及加工準(zhǔn)確度。

1切割工藝分析

摩擦襯片的切割多見于研制襯片時(shí)，需將熱壓成型的摩擦襯片切割成與摩擦試驗(yàn)機(jī)夾具相吻合的尺寸規(guī)格，以實(shí)現(xiàn)對(duì)試制出的摩擦襯片進(jìn)行性能檢測(cè)。例如，X-DM型摩擦試驗(yàn)機(jī)所配用正方形試樣，需借助于XDZ-A型摩擦襯片制樣機(jī)，將試樣邊長(zhǎng)l在24.8-25.0mm范圍內(nèi)、厚度d在5.8-6.2mm，如圖1所示[4]。

圖1 XDZ-A型摩擦襯片制樣機(jī)

試樣的切割加工過程主要包含刀片切割、砂輪磨削兩個(gè)工序過程。其中，金剛石刀片的切割為粗加工過程，旨在將摩擦襯片坯料初步切割為正方形；然后，借助于精磨砂輪的側(cè)面和右側(cè)磨削平臺(tái)上的夾具，將摩擦襯片磨削至規(guī)定尺寸。顯然，在精磨階段如若磨削圈數(shù)過多，將使得摩擦襯片過?。欢缛裟ハ魅?shù)不足，則使得摩擦襯片過大而無法在摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行安裝；故磨削圈數(shù)(磨削行程)對(duì)摩擦襯片試樣尺寸的影響至關(guān)重要。然而，由于此類摩擦襯片制樣機(jī)為普通三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)按下停按鈕切斷電源后，電動(dòng)機(jī)在慣性作用下仍然會(huì)有數(shù)圈空轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)精磨砂輪也會(huì)旋轉(zhuǎn)數(shù)圈，造成摩擦襯片過多磨削，尺寸小于規(guī)定值。

不同組分的摩擦襯片需要的磨削速度往往有所差別。摩擦襯片的磨削速度過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致襯片的磨削表面溫度過高，誘發(fā)某些組分發(fā)生物理化學(xué)變化，甚至造成襯片失效。因此，磨削速度的調(diào)節(jié)功能對(duì)于小型摩擦襯片制樣機(jī)也是必要的。

2 小型摩擦襯片制樣機(jī)的數(shù)控化改造研究

2.1 數(shù)控化改造設(shè)計(jì)

針對(duì)上文所述的精磨砂輪在斷電停機(jī)后仍有數(shù)圈空轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦襯片試樣被磨削得過小的現(xiàn)象，文章初步采用PLC控制、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)方案對(duì)其進(jìn)行數(shù)控化改造，以期實(shí)現(xiàn)精磨砂輪的及時(shí)準(zhǔn)確停止，其PLC主機(jī)的輸入/輸出端口分配如圖2所示。

圖2 PLC的輸入輸出端口配置電路圖

由文獻(xiàn)[5]可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與電脈沖數(shù)成正比，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，故對(duì)磨削轉(zhuǎn)速、磨削圈數(shù)的控制實(shí)際轉(zhuǎn)化為對(duì)脈沖頻率、脈沖數(shù)量的調(diào)節(jié)與控制。對(duì)無石棉類摩擦襯片而言，精磨的磨削速度一般為2400 r/min，磨削時(shí)間為60s，且考慮到所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為60°，對(duì)應(yīng)地，控制脈沖的頻率和脈沖數(shù)量分別為 240Hz、14400個(gè)。另外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作的工作過程一般包含“加速→恒速(高速)→減速”3個(gè)階段，其控制脈沖也應(yīng)以三段式定義脈沖包絡(luò)表。以轉(zhuǎn)速2400 r/min為例，其控制脈沖特征如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制脈沖特征示意圖

西門子PLC主要通過PLS函數(shù)盒生成控制脈沖，并借助于三段式包絡(luò)表設(shè)定脈沖數(shù)量及脈沖頻率，部分程序如圖4所示。

圖4 典型混料工藝中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序框圖

另一方面，當(dāng)因摩擦襯片的組分不同而需設(shè)定不同的磨削速度時(shí)，則可通過再次裝入其他速度對(duì)應(yīng)的包絡(luò)表參數(shù)，以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其他指定速度進(jìn)行磨削。對(duì)應(yīng)的PLC控制流程如圖5所示。

圖5 調(diào)速磨削過程的PLC控制流程圖

文章借助于TD200的過程參數(shù)顯示和修改、輸入輸出存儲(chǔ)器讀寫的功能，將原本需在程序中內(nèi)置的磨削參數(shù)轉(zhuǎn)為用TD200進(jìn)行預(yù)先輸入控制。即試驗(yàn)前，各磨削速度及磨削時(shí)間所對(duì)應(yīng)的三段式脈絡(luò)表通過TD200進(jìn)行設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下的襯片磨削過程。具體PLC程序在前述2400r/min、60s所對(duì)應(yīng)控制程序的基礎(chǔ)上，增加與TD200對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)存寄存器即可。

2.2設(shè)計(jì)檢驗(yàn)

借助于如圖6所示的THSMS-A型綜合試驗(yàn)系統(tǒng)，文章對(duì)上述小型摩擦襯片制樣機(jī)磨削的數(shù)控化程序進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明，文章所設(shè)計(jì)的磨削工序控制程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)磨削速度、磨削時(shí)間(磨削圈數(shù))的準(zhǔn)確控制，滿足摩擦襯片的制樣要求。

圖6 基于THSMS-A型綜合試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)示意圖

3小結(jié)

針對(duì)摩擦襯片的切割工藝過程，對(duì)切割工藝過程所包含的切割、磨削等兩個(gè)工序過程進(jìn)行了分析，并指出了磨削速度、磨削時(shí)間(磨削圈數(shù))對(duì)摩擦襯片尺寸規(guī)格的影響；以PLC為控制單元，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為磨削驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對(duì)摩擦襯片制樣機(jī)的磨削控制進(jìn)行了數(shù)控化改造，并借助于試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，文章所設(shè)計(jì)的磨削工序控制程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)磨削速度、磨削時(shí)間(磨削圈數(shù))的準(zhǔn)確控制，滿足摩擦襯片的制樣要求。