特大型轉(zhuǎn)盤軸承徑向油孔數(shù)控鉆床電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦永晉，付力揚(yáng)，郭 亮，陳志勇

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南洛陽 471039； 2.航空精密軸承國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽 471039）

0 引言

特大型轉(zhuǎn)盤軸承，是一種能夠同時承受較大傾覆力矩和軸向、徑向負(fù)荷等綜合載荷的大型軸承，它的這種特性使其集傳動、旋轉(zhuǎn)、固定、支撐等多種功能于一身，多應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、港口機(jī)械等大型回轉(zhuǎn)裝置上。特大型轉(zhuǎn)盤軸承一般帶有安裝孔、潤滑油孔、內(nèi)齒圈或外齒圈以及密封裝置。它的潤滑油孔分布在軸承的外圈徑向上，油孔一般是階梯孔，有的孔還需要攻絲。以圖1 所示的某型號風(fēng)電特大型轉(zhuǎn)盤軸承加工為例，采用的工藝為鉆螺紋底孔，鉆沉孔，鉆注油底孔，攻絲。

圖1 轉(zhuǎn)盤軸承套圈油孔

在國內(nèi)，特大型轉(zhuǎn)盤軸承套圈的安裝孔、齒面以及溝道的加工都已經(jīng)有了專用加工設(shè)備，但對于轉(zhuǎn)盤軸承徑向油孔的加工則依然使用鉆床或搖臂鉆，先人工分度劃線，再進(jìn)行裝夾，固定在工作臺座上，最后孔加工，這樣加工不僅分度和定位精度得不到保障，工件裝夾困難費(fèi)時費(fèi)力，同時自動化程度低、加工效率低下。為了解決上述問題，特設(shè)計(jì)特大型轉(zhuǎn)盤軸承徑向油孔專用數(shù)控鉆床來進(jìn)行徑向油孔的加工。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

機(jī)床結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示。設(shè)備加工工序有鉆孔和攻絲，可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動和水平直線運(yùn)動，主要由床身部件、回轉(zhuǎn)工作臺、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和拖板部件等8部分組成。采用臥式結(jié)構(gòu)，床身固定在地基上并支承工作臺，由可編程控制器和人機(jī)界面控制拖板的進(jìn)給運(yùn)動、主軸的切削運(yùn)動、工作臺的分度動作。

圖2 機(jī)床結(jié)構(gòu)簡圖

設(shè)備加工流程為：（1）工件吊裝到臺面；（2）手動更換刀具；（3）定位、夾緊一次完成；（4）回轉(zhuǎn)工作臺自動分度；（5）依次鉆底孔、沉孔，再攻絲。該設(shè)備具有自動找正、自動夾緊功能，采用可編程控制器和人機(jī)界面控制，相比普通鉆床或搖臂鉆床自動化程度高、定位準(zhǔn)確、數(shù)控進(jìn)刀、高速切削，大大提高了加工精度和生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動強(qiáng)度[1-2]。

圖3 機(jī)床電機(jī)及伺服驅(qū)動器接線圖

圖4 PLC接線圖

2 電氣系統(tǒng)組成

該設(shè)備的動力系統(tǒng)由6 大部分組成。主軸伺服電機(jī)負(fù)責(zé)完成刀具的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給伺服電機(jī)完成刀具的進(jìn)給，旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)完成轉(zhuǎn)臺分度，液壓電機(jī)負(fù)責(zé)軸承夾緊固定，冷卻冷卻電機(jī)負(fù)責(zé)切削時冷卻、排屑器電機(jī)完成排屑工作。機(jī)床電機(jī)及伺服驅(qū)動器接線如圖3所示[3]。

2.1 PLC控制系統(tǒng)

為保證攻絲的精度，主軸電機(jī)采用了位置控制；拖板的進(jìn)給和轉(zhuǎn)臺的分度都要求位置精確，進(jìn)給伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)也采用位置控制模式，所以選用的PLC至少要具有3組高速脈沖輸出的功能。經(jīng)過比較，最后采用中達(dá)電通股份有限公司的EH2 系列的PLC 作為主要控制系統(tǒng)。EH2 系列主機(jī)是有2 組AB 相200 kHz 脈沖輸出、2 點(diǎn)200 kHz 脈沖輸出的可編程序控制器，PLC的具體型號為DVP40EH00T2，輸入輸出點(diǎn)數(shù)為40點(diǎn)。由于無法滿足鉆床的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，所以增加了1個DVP16HP11T輸入輸出各8個點(diǎn)的模塊。圖4所示為PLC的接線圖[4-5]，PLC的輸出點(diǎn)Y0-Y7是高速脈沖和方向輸出端，把輸出點(diǎn)Y0和Y1用來接主軸伺服驅(qū)動器的脈沖輸入；輸出點(diǎn)Y2和Y3接進(jìn)給軸伺服驅(qū)動器的脈沖輸入，輸出點(diǎn)Y4和Y5接旋轉(zhuǎn)軸伺服驅(qū)動器脈沖輸入。PLC擴(kuò)展模塊接線圖如圖5所示[4-5]。

圖5 PLC擴(kuò)展模塊接線圖[4-5]

程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6 所示。圖7 所示為PLC 回原點(diǎn)程序，是進(jìn)給軸和旋轉(zhuǎn)軸的回原點(diǎn)指令。臺達(dá)PLC可編程邏輯控制器在使用原點(diǎn)回歸指令有特殊要求，原點(diǎn)回歸開始時的速度，EH/EH2/SV 主機(jī)16 位指令可指定范圍10～32 767 Hz，32 位指令可指定范圍10～200 000 Hz。原點(diǎn)開關(guān)的輸入點(diǎn)只能使用X10～X17中的一個，EH/EH2/SV 主機(jī)若是指定外部輸入X10～X17以外的裝置X、Y、M、S，因其會受掃描周期影響，故會造成原點(diǎn)位置偏離，且不可與DCNT、PWD 指令指定相同的X10～X17 輸入點(diǎn)[6]。

圖6 程序設(shè)計(jì)流程圖

圖7 PLC回原點(diǎn)程序[7]

2.2 人機(jī)界面控制系統(tǒng)

選用中達(dá)電通股份有限公司的DOP-B系列人機(jī)界面作為主要控制系統(tǒng)。控制器型號為DOP-B10S115，屏幕尺寸為10.1 寸，65 536 色液晶顯示面板。直流24 V 供電。具有精細(xì)高畫質(zhì)的顯示，它還有強(qiáng)大的控制器支持性，除了支持臺達(dá)全系列自動化產(chǎn)品外，還可與歐姆龍、西門子、圖6程序設(shè)計(jì)流程圖三菱等30多家廠商的PLC或設(shè)備進(jìn)行通訊。另外，它還有豐富多樣的外圍，除了標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口RS232/RS485/RS422 外，DOP-B 人機(jī)還支持USB、以太網(wǎng)、音效、SD卡接口，它便利的宏指令和配方功能使編程更便捷[7]。

圖8 觸摸屏調(diào)整界面

圖9 觸摸屏刀具選擇界面

圖10 觸摸屏主畫面界面

圖11 觸摸屏角度設(shè)置界面

圖12 觸摸屏折鉆參數(shù)界面

啟動鉆床后，調(diào)整界面如圖8所示，在此界面完成鉆床的相關(guān)調(diào)整動作，并通過各開關(guān)顯示鉆床是否調(diào)整到位。圖9所示為刀具選擇界面，界面采用了觸摸屏的配方功能，把各刀具相對應(yīng)的參數(shù)保存在斷電保護(hù)單元里，方便操作工調(diào)取各參數(shù)。圖10所示為鉆床的主界面，鉆床調(diào)整完成后，開始自動加工時一般停留在主畫面，首先進(jìn)行孔數(shù)設(shè)定，加工時畫面可以顯示圖上信息。圖11所示為觸摸屏角度設(shè)置界面，圖12所示為觸摸屏折鉆參數(shù)界面，都是為了方便操作工現(xiàn)場靈活調(diào)整在復(fù)雜加工情況下的各種要求，并且最多可以一次加工6 個油孔。圖13所示為觸摸屏報警界面，共有7種報警項(xiàng)目，可以保存100條歷史報警信息，方便操作工迅速發(fā)現(xiàn)問題并解決問題[8]。

圖13 觸摸屏報警界面

2.3 位置控制及電子齒輪

該設(shè)備使用的3 臺伺服電機(jī)都采用了位置控制模式，可以對速度和進(jìn)行位置嚴(yán)格控制?，F(xiàn)階段位置控制普遍應(yīng)用在各種定位場合，可以直接或間接替換各種步進(jìn)傳動系統(tǒng)。伺服控制器通過接受程序脈沖信號來進(jìn)行位置控制，脈沖數(shù)量決定了位置，脈沖頻率控制了電機(jī)的運(yùn)行速度。一個脈沖對應(yīng)的位置參數(shù)量，取決于電子齒輪本身參數(shù)以及設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。位置控制中可能用到的參數(shù)[9]如表1所示。

表1 位置控制中可能用到的參數(shù)[9]

機(jī)床使用了位置控制模式，于是電子齒輪比的設(shè)置就至關(guān)重要，它決定了機(jī)床的定位精度和加工精度。使用電子齒輪設(shè)定將一個脈沖對應(yīng)到一個位置當(dāng)量上?？梢愿鶕?jù)機(jī)械減速比等設(shè)置好電子齒輪，如指令單位與機(jī)械需要移動的位移匹配。設(shè)定電子齒輪本質(zhì)上只要知道電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)一圈，控制器發(fā)的脈沖數(shù)（齒輪分母Pn202）、編碼器分辨率（齒輪分子Pn201）。PRONET編碼器為17位串型編碼器，即分辨率131 072 P/R。如：PLC要求1 000脈沖一圈，電子齒輪比為Pn201/Pn202＝131 072/1 000。

以進(jìn)給軸為例，進(jìn)給軸的減速比為5，滾珠絲杠的節(jié)距為10 mm， 1 指令單位為0.001 mm，編碼器脈沖為2 500 P/R，根據(jù)圖14所示電子齒輪比的計(jì)算原理：

所以，Pn202為5，Pn201為25。

對于旋轉(zhuǎn)軸而言，旋轉(zhuǎn)軸的減速比為360，1指令單位為0.005°，編碼器脈沖為32 768 P/R，根據(jù)圖14所示電子齒輪比的計(jì)算原理：

所以，Pn202為50，Pn201 為32 768。

設(shè)置好各參數(shù)后，要進(jìn)行斷電確認(rèn)。

鉆床內(nèi)部圖如圖15所示。

圖14 電子齒輪比計(jì)算[9]

圖15 鉆床內(nèi)部圖

3 結(jié)束語

該油孔鉆床采用達(dá)電通股份有限公司的EH2 系列的PLC和DOP-B系列人機(jī)界面作為控制系統(tǒng)，采用交流伺服系統(tǒng)的位置控制模式保證機(jī)床的加工精度。機(jī)床的研制成功實(shí)現(xiàn)了特大型轉(zhuǎn)盤軸承徑向油孔的自動加工，提高了加工精度和效率讓企業(yè)對相關(guān)市場占有率大大提高。設(shè)備每日可加工軸承40余套，年產(chǎn)值超過1千萬元。