一種自動攻絲試驗機的設計研發(fā)

傅夢婷， 李湘生

（浙江理工大學 機械與自動控制學院，杭州310018）

0 引言

作為螺紋連接的重要組成部分，內螺紋加工仍是目前生產(chǎn)過程中最為復雜的任務[1]。絲錐是加工內螺紋的重要刀具，廣泛運用于機械制造領域中，其適用面廣，使用量大，結構簡單，形式固定。因此，絲錐的精度（即使用壽命）顯得格外重要，它會影響其加工的螺紋精度。

目前已經(jīng)有對擠壓絲錐壽命影響因素的研究[2]、高速鋼絲錐壽命預測研究等[3]。然而，對于切削攻絲的壽命影響因素的定量研究很少，存在著數(shù)據(jù)粗糙、對照不充分等問題。切削速度、工件材料、進給力大小[4]、攻絲的往復運動及其頻率，這四個方面均為切削攻絲的必要參數(shù)，也對攻絲的各個方面產(chǎn)生著各種影響。例如，攻絲轉速影響著攻絲效率，也影響著攻絲過程切削熱的產(chǎn)生，且對于不同材料影響的方式和程度也不盡相同。

為了研究攻絲效率和攻絲壽命的影響因素，本文從自動攻絲實際工藝需求出發(fā)，設計并組建了一臺可以控制其轉速、往復運動的頻率，并可以測定進給力與攻絲轉矩的自動攻絲試驗機。

1 攻絲試驗設備的設計研制

1.1 設計功能

為了深入地探究攻絲壽命的影響規(guī)律，該攻絲試驗設備必須具備以下功能：1）能夠調整攻絲速度；2）可以定量地改變攻絲進給力；3）能夠改變電動機的轉動方向和轉動圈數(shù)來適應試驗所要求的攻絲工藝；4）可以實時檢測攻絲過程中的絲錐轉矩。

1.2 設計參數(shù)的確定

電動機的計算與選擇

本試驗機主要探究在低速狀態(tài)下對攻絲過程影響因素的實驗，最大實驗攻絲孔徑為M14，切削絲錐攻絲所需切削轉矩計算公式為

式中：A為切屑截面積，A=0.25·P2mm2；d1為絲錐大徑mm；ks為材料比切力，N/mm2。

以標準粗牙絲錐M14×2、工件材料45鋼為參照，使用切削絲錐攻絲所需轉矩：

式中：T為電動機轉速轉矩，N·m；n為絲錐轉速，r/min。

按照計算要求，選擇功率為750 W的4極異步變頻電動機作為驅動電動機，最高轉速為1440 r/min，并加裝一個減速比為7：1的減速機。

1.3 主軸的計算與參數(shù)確定

主軸主要承受來自于加工工件時的扭轉應力，根據(jù)設計要求，所受最大轉矩為35 N·m，主軸的抗扭截面系數(shù)為

1.4 傳感器的選型

轉矩傳感器選用的是ZNNT轉矩傳感器。標準粗牙絲錐M14攻絲時的轉矩值為35 N·m，攻絲過程中會時常出現(xiàn)切屑積累導致轉矩飆升的狀況，故確定安全系數(shù)為2，選擇傳感器量程為0～100 N·m，綜合精度為0.1%。

位移傳感器選擇了拉桿式直線位移傳感器，其原理為將可變電阻滑軌定置在直線位移傳感器的固定部位，通過滑片在滑軌上的位移來測量不同的阻值[5]。

1.5 方案設定

方案簡圖如圖1所示。電動機與主軸在同側垂直連接，電動機直接固定在底板上，底板安裝有直線軸承?？梢匝刂鴮U垂直上下運動，通過在砝碼盤里增添砝碼，控制向下的進給力。主軸與底板之間加裝墊塊連接，電動機與主軸通過聯(lián)軸器傳遞轉矩。

圖1 方案簡圖

夾具設計結構如圖2所示。法蘭軸加工成階梯軸狀，分別與推力軸承和圓形軸承座過盈配合，軸承座固定于支架，當三爪卡盤承受轉矩旋轉時可以帶動法蘭軸一同旋轉，推力軸承間隔著法蘭軸和軸承座，因此卡盤傳遞轉矩時幾乎不會受到摩擦轉矩的影響。轉矩傳感器的測量端與法蘭軸軸底方孔配合，傳感器底部固定于底板。該夾具具有結構緊湊、轉矩傳遞精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，且方便加工裝配，非常符合試驗要求。

1.6 配合與連接設計

圖2 夾具設計簡圖

作為單個產(chǎn)品的制造，設計過程中盡可能多地采用了標準件，對于必要的需加工零件也采取結構簡化以方便制造，節(jié)約成本。由于試驗機整體結構緊湊，在連接方式上基本采用沉頭螺釘固定，其優(yōu)點在于螺釘頭可以沉入零件表面，在裝配設計中無需再為扳手留下過多的活動空間，也不用考慮螺釘與零部件間可能的干涉。立柱底板和夾具底板都開有U形槽，可以在平面臺上適當調整，和平面T形槽通過螺栓連接，如圖3所示。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 硬件系統(tǒng)組成

系統(tǒng)硬件部分包括PLC主控制器、測試臺機械構造、人機交互界面設備等部分。操作人員可通過人機交互界面進行測試模式和測試參數(shù)的選擇輸入與調整，并可通過現(xiàn)場硬件及軟件按鈕實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動與測試，當測試達到設定要求后系統(tǒng)自動停止。系統(tǒng)控制硬件結構框圖如圖4所示。

圖3 試驗機結構拆解

圖4 系統(tǒng)控制硬件結構框圖

2.2 硬件系統(tǒng)選型

2.2.1 PLC控制器

相比常見的繼電器控制、單片機控制等方式，PLC控制系統(tǒng)具有操作簡便、功能完善、可靠性高、抗干擾能力強、維修工作量小且方便等優(yōu)點[6]。

本系統(tǒng)針對制動測試流程進行設計，屬于小型系統(tǒng)。在PLC選型時，結合試驗臺的輸入/輸出點的數(shù)量、通信模式等多方面進行考量。因此選用三菱FX-3uPLC可編程序控制器作為系統(tǒng)主控制器。

2.2.2 人機交互界面

介于測試臺實驗工作過程長、數(shù)據(jù)量多，一般的觸摸控制屏難以保存處理及直觀展示實驗成果，選取主機電腦作為人機交互界面設備，搭配專門編寫的設計軟件進行控制，并通過以太網(wǎng)口與PLC進行通信，實現(xiàn)電腦與PLC的雙向通信。本系統(tǒng)的人機交互界面主要完成測試模式即制動力測試或壽命測試的選擇、壽命測試中最小測試力的設置及測試結果的查看。

2.3 控制電路設計

為了實現(xiàn)轉矩信號和位移信號的實時采集處理和對電動機的控制，本系統(tǒng)以三菱FX-3uPLC可編程控制器為處理和控制核心。FX3u系列PLC作為三菱新一代工控產(chǎn)品，其功能高于前代產(chǎn)品[7]；轉矩傳感器傳輸信號由數(shù)模信號轉換器接收并轉化為數(shù)字信號，經(jīng)PLC處理后傳輸?shù)接嬎銠C顯示并儲存；位置信號傳感器主要檢測攻絲絲錐在工件中的實時工作位置。將絲錐在工件的工作深度與工作轉矩一一匹配作圖，即能夠清楚地顯示絲錐在工作時整個過程的受力狀況。

三菱FX3uPLC與模擬量輸入模塊FX3u-4AD，以及位移傳感器、轉矩傳感器和變頻器共同組成了自動攻絲的測控系統(tǒng)。接線關系如圖5所示。

圖5 測控系統(tǒng)接線關系圖

PLC輸入端口x0、x1、x2分別外接正轉、反轉和停止按鈕，無需連接電腦操作軟件也可控制電動機運轉，可供操作人員平常攻絲使用。PLC輸出端口y0、y1、y2分別與變頻器s1、s2、s3連接，通過輸出y0、y1、y2電信號控制電動機的轉向和停止，但不能控制電動機轉速，電動機轉速由變頻器手動調速確定。

模擬量輸入模塊FX3u-4AD負責A/D轉換。即將模擬信號轉化為PLC可以識別的數(shù)字信號。擴展模塊的DC24 V電源由PLC主機提供，也可使用外接電源[8]，模塊ID號為0，為避免干擾信號竄入，需要將FX3u-4AD的空閑輸入端口用導線短接。

3 控制軟件設計

3.1 控制軟件功能設計

該軟件的主要功能是試驗數(shù)據(jù)的輸入確認和根據(jù)參數(shù)和接受的數(shù)據(jù)進行反饋，輸出指令控制PLC和電動機的運轉狀況。例如針對輸入的轉速和工藝參數(shù)，控制電動機的轉動時間和回轉頻率；對反饋的轉矩、位移數(shù)據(jù)進行判定，當轉矩值超過保護轉矩或絲錐位移到達設定點時，需要控制電動機停止或回轉?？刂葡到y(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)流程圖

3.2 PLC與上位機通信的實現(xiàn)

將三菱FX-3uPLC的編程口通過SC-09編程電纜與PC的串口連接，組成轉矩-位移檢測系統(tǒng)。由于轉矩傳感器和位移傳感器的傳輸信號均為模擬信號，三菱FX-3uPLC不能直接接收處理，需要加裝數(shù)字信號和模擬信號轉換模塊，本設計中選擇FX3u-4AD型號擴展模塊，傳感器模擬量輸出端口與該模塊連接。在信號采集過程中，為了提高信號采集的抗干擾能力，對控制信號采用光電隔離[9]。信號采集后保存于寄存器，PC端程序讀取后再進行處理。

控制程序以VB語言編寫。程序運行后要實現(xiàn)PC與PLC串口通信，首先要進行串口初始化[10]。PC與三菱PLC的通信參數(shù)必須一致，即波特率9600，偶校驗，數(shù)據(jù)位7，停止位1。

PC每隔200 ms向PLC發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令串，讀取寄存器里面的位移值和轉矩值。以上功能可用VB中MsCo mm和Timer控件設置實現(xiàn)。PLC返回數(shù)據(jù)為ASCII碼形式，需要轉化為十六進制形式，再轉化為十進制形式。

3.3 電動機的控制

電動機的控制主要在兩個方面，一個是控制電動機的轉速，通過變頻器調節(jié)頻率實現(xiàn)。本試驗臺所選用電動機為750 W四極異步變頻電動機，當變頻器輸入頻率為50 Hz時達到最高轉速（1440 r/min），異步電動機轉速頻率公式為

式中：n為轉子轉速；n0為同步轉速；s為轉差率；f為通入電流頻率；p為極對數(shù)。

將電動機參數(shù)帶代入可得n=28.8f。

在內螺紋攻絲過程中，絲錐不能一直正轉攻絲，必須對電動機的正反轉及其時間間隔進行控制。通過計算推導，電動機從啟動轉R圈所需時間T為

式中：R為電動機轉動圈數(shù)；v為電動機速度，rad/min；T1為電動機從啟動到最高速度加速時間, 可以由變頻器設定。

變頻器設置電動機加速到最高速度所需時間為1 s，電動機從正轉結束后，設置停頓間隔時間T2，以保障電動機完全停止再進行反轉。通過不斷測試，該計算方法可以精確地對電動機圈數(shù)進行調整。

4 工作過程

4.1 操作過程

試驗時，先選擇實驗匹配的絲錐，裝夾于主軸絲錐夾頭，必須將絲錐四棱面卡在夾頭內，擰緊螺紋，否則實驗過程中絲錐會發(fā)生打滑。然后裝夾工件，可以略微打開液壓缸閥門，使主軸緩緩下降，觀察絲錐和底孔對心有無偏差，進行調整。根據(jù)實驗需要添加砝碼，插電源，按下紅色啟動停止按鈕啟動電路，打開控制軟件，輸入實驗需要的參數(shù)，點擊確定，測試開始，電動機按照設置方式運行。當絲錐攻絲至一定深度后，軟件自行停止，電動機停止運動，測試過程完畢，測試數(shù)據(jù)已經(jīng)自動保存。增加配重至略重于攻絲機頭部分（約37 kg），按下電動機反轉按鈕，電動機反轉退刀。關閉液壓缸閥門，控制液壓桿上升至初始位置。取下試件，清理夾具表面和絲錐。實物圖如圖7所示。

4.2 設備的工藝性試驗

4.2.1 試驗所用材料

準備的試件為直徑60 mm、高35 mm的實心圓柱塊，材料分別為 鋁 合 金、45 鋼和不銹鋼，對工件中心鉆6.8 mm通孔，并倒角，處理后工件如圖8所示。

4.2.2 試驗過程及效果

圖7 自動攻絲轉矩試驗機實物圖

圖8 工件準備圖

如圖9所示，主要進行了不同速度下的轉矩變化試驗，攻絲速度分別為100 r/min、140 r/min、160 r/min、200 r/min，工件材質為鋁合金，軸向壓力為350 N。

圖9 不同速度條件下轉矩關系圖

根據(jù)有限元仿真分析結果得知，低速狀態(tài)隨著速度增加轉矩減小；在中速時轉矩保持一定范圍波動且起伏很小；達到一定速度后轉矩值會有所增大。

與仿真結果相比，由于真實的攻絲實驗過程伴隨著振動，且切削過程更加復雜，控制程序選擇接收檢測數(shù)據(jù)頻率太低等問題，其實際結果數(shù)值的波動性更大。但從整體上可以看出，在低速條件下絲錐的攻絲速度對切削力影響不明顯，但當速度達到200 r/min時，切削轉矩會有一定程度的下降，盡管在具體數(shù)值上有些差異，但和低速狀態(tài)下的仿真規(guī)律相符合。

4.2.3 試驗結果分析

分析試驗結果得出，攻絲速度對攻絲轉矩有一定的影響，但影響的變化幅度較小，這是因為絲錐直徑較小，大幅度的轉速提升對線速度的變化影響不明顯，因此在實際生產(chǎn)中，在刀具和加工條件允許的情況下可以采用較高的轉速攻絲。由此可知，該攻絲試驗機可以有效地探究攻絲壽命的影響規(guī)律，但仍需對不同的參數(shù)進行試驗研究，力求探究設備的最佳參數(shù)。

5 結語

本文從實際生產(chǎn)工藝需求出發(fā)，設計制造了一臺可以用于定量改變轉速、軸向力、反轉頻率等參數(shù)，并實時采集儲存攻絲轉矩和切削行程的試驗機，以探究攻絲壽命的影響因素，提高攻絲效率。該試驗機結構緊湊穩(wěn)定，可靠性高，所用零件結構簡單，通用性好，便于維護修理。試驗機基于PLC進行數(shù)據(jù)處理和電動機控制，可以準確地讀取攻絲實驗轉矩-位移數(shù)據(jù)并控制電動機，數(shù)據(jù)傳輸入上位機分析保存。根據(jù)所設計的試驗機，可以分別試驗切削速度、工件材料、進給力大小、攻絲的往復運動及其頻率四個方面的因素對攻絲壽命的影響規(guī)律，對實際生產(chǎn)需要起到指導作用。