CN102248446A - 坡口机智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坡口机智能控制系统，其特征是由检测单元和控制单元组成，其中的检测单元是由检测刀具是否到位的到位传感器，以及两端的两个极限位置传感器所组成；控制单元是由PLC、触摸屏、执行机构，以及包括有伺服驱动器和伺服电机的伺服系统所构成；通过触摸屏选定或设置产品的参数，由PLC和伺服系统控制执行机构运动，通过安装于伺服电机的转轴上的编码器实现对运动位置的定位，进而实现恒功率切削控制。本发明可以保证管道坡口的快速性与质量的稳定性，实现了低成本和高效率的目标。

Description

坡口机智能控制系统

技术领域

本发明属于金属切削技术领域，特别涉及一种应用于端面坡口的坡口机控制系统。

背景技术

坡口加工是金属构件焊接成形的前序，坡口机是坡口加工的专用设备，它是一种对金属管道管口进行加工的机械，是管道换接修复过程中不可缺少的专业设备，它广泛应用于石油管道、城市地下铺设管道等。

目前普遍使用的坡口机包括便携式坡口机、简易坡口设备和普通破口机，但这些简易设备柔性差、加工效率低；目前采用的传统液压调速进给，是以行程调速阀和液压装置来控制进给速度，这种形式虽然可实现大范围无级调速、无间隙传动以及运动平稳等优点，但由于切削刃与工件接触面积的不断变化，切削力也会相应变化，对机械部分的冲击力度大；不仅如此，采用调速阀的液压驱动平台的低速稳定性差，容易出现爬行现象，而采用比例伺服阀控制的液压系统又价格昂贵。

传统的电控调速切削进给是采用变频电机或伺服电机，根据P＝F_z×v₁，通过切削速度v₁和切削力F_z的同时改变来满足恒功率切削的目的。但这种形式设备的输出扭矩会受到影响，并且，配置成本高、还需要增加其他附属装置。

随着电气化、智能化要求的提高，上述传统的设备越来越难以满足要求。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在不足之处是，提供一种低成本、高效率的坡口机智能控制系统。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明坡口机智能控制系统的特点是由检测单元和控制单元组成；

所述检测单元是由检测刀具是否到位的到位传感器，以及两端的两个极限位置传感器所组成；

所述控制单元是由PLC、触摸屏、执行机构，以及包括有伺服驱动器和伺服电机的伺服系统所构成；通过触摸屏选定或设置产品的参数，由PLC和伺服系统控制执行机构运动，通过安装于伺服电机的转轴上的编码器实现对运动位置的定位，进而实现智能进给切削；

所述智能进给切削过程是按如下方式进行恒功率切削控制：

依据：P＝F_z×v₁，式中P为切削功率；F_z为主切削力；v₁为切削速度；

设置切削速度v₁为恒定值，按式(1)调节进给量f，以保证主切削力F_z为恒定值，从而实现切削功率P的恒定；

F_z＝K_c×α_p×f＝K_c×(y-y₀)×tanα×f    (1)

式中K_c为单位切削力；α_p为背吃刀量；f为进给量；y为通过检测获得的当前位置；y₀为初始位置；α为坡口角度。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明实现了智能切削进给

在切削速度恒定的情况下，本发明因采用PLC加伺服驱动控制的模式，当切削刃与工件接触面增大时，自动的调节进给速度，来保证切削力的恒定，实现恒功率切削的智能进给。这样保证了切削的质量、避免了切削过程中对刀具及设备的冲击。同时完成低成本，高效率的目标；

2、本发明实现了参数的可调性

由于本发明采用触摸屏、PLC和伺服系统的组合作为控制单元，可以很好地实现对产品参数的可调性，包括快速移动、退回速度，初始工进速度。同时可以保证低速进给的稳定性，避免了液压滑台低速爬行的缺点。

3、对毛坯尺寸误差大的自适应性

本发明中由于检测系统的引入，可自动探测到工件的实际尺寸，由控制系统自动确定最佳工进起点，既可以避免打刀现象的发生，又可以提高生产效率。

附图说明

图1为本发明坡口机示意图；

图2为被加工工件示意图；

图3为本发明伺服控制系统图；

图4为本发明PLC实现智能进给功能图；

图5为本实例切削进给原理示意图；

图6为本实例智能三通坡口机工作流程图；

图中标号：1伺服电机；2滚珠丝杠；3皮带轮；4三相异步电机；5刀架及刀具；6到位检测传感器；7被加工工件；9正极限位置传感器；10滑台；11动力箱；12原点位置传感器；13负极限位置传感器；14刀具切削刃；

具体实施方式

参见图1、图2，在工作台8上，当被加工工件7装夹固定后，刀架及刀具5固定在滑台10上，由设置在动力箱11中的三相异步电机4通过皮带轮3带动进行旋转切削，切削速度为不可调节的固定值；相应设置的进给运动是由PLC控制伺服电机1，通过滚珠丝杠2驱动滑台10实现加工过程中的往复运动。

图1所示，检测单元中两端的两个极限位置传感器分别是正极限位置传感器9和负极限位置传感器13，并有原点位置传感器12和到位检测传感器6。以正极限位置传感器9和负极限位置传感器13作为保护用传感器，用于避免滑台10的过冲；原点位置传感器12用于为坡口机设定原点位置；到位检测传感器6用来检测刀具是否到位，当检测到信号之后，进给速度就可以由快进速度开始减速，当减速到一段距离后就可到达工进速度。

控制系统如图3，包括PLC、触摸屏、伺服驱动器、伺服电机、滚珠丝杠。通过触摸屏选定或设置产品的参数，由PLC和伺服系统控制伺服电机，通过滚珠丝杠带动滑台进给或后退，当到位传感器检测到工件后，信号返回到PLC，即可开始进给运动。通过安装于伺服电机轴上的编码器来实现对运动位置的准确定位。

此工作过程如图6，先将不同型号的待加工工件的产品参数存储在PLC内部，通过触摸屏选择当前待加工产品型号，就可以启动整个自动过程，此时三相异步电机旋转，做主切削运动；伺服驱动器驱动电机使滑台移动做进给运动。当到位传感器感应到工件后，伺服电机就开始减速运行一段距离，由快速移动的速度转为工进的速度，从而开始进入智能工进，在工进的过程中，通过变速进给的方法，通过保证切削面积的恒定，来实现切削力和恒定功率的恒定。当工进到所要求的距离后，工进完成，刀具头自动快速返回到原点。

本实施例智能进给切削是按如下方式进行恒功率切削控制：

依据：P＝F_z×v₁，式中P为切削功率；F_z为主切削力；v₁为切削速度；

设置切削速度v₁为恒定值，按式(1)调节进给量f，以保证主切削力F_z为恒定值，从而实现切削功率P的恒定；

F_z＝K_c×α_p×f＝K_c×(y-y₀)×tanα×f    (1)

式(1)中K_c为单位切削力；α_p为背吃刀量；f为进给量；y为通过检测获得的当前位置；y₀为初始位置；α为坡口角度。

切削进给原理示意图如图5，到位检测传感器6检测到刀具到位信号后，伺服电机就开始减速运行一段距离y₀，并到达工进速度。刀具切削刃14也由此开始进入智能工进阶段。

F_z＝K_c×α_p×f＝K_c×S  式中的单位切削力K_c由手册查得，加工工件的材料决定不同的单位切削力；α_p为背吃刀量；f为进给量；S为切削面积。

α_p＝(y-y₀)×tanα式中y为当前位置；y₀为已知位置；α为坡口角度；

本实施例已知切削速度v₁恒定，由上述公式知，只要保证切削面积S恒定，即可保证F_z的恒定，也就是切削功率P的恒定。

此时切削面积S_i≈f_i×α_pi，f_i为进给量，α_pi背吃刀量

在切削过程中，切削面积S₂、S₃、S₄…S_i…保持不变，为一个常数C。当α_pi变大的时候，进给量f_i变小，进给速度变慢，如下式所示：

$f_i=\frac{C}{(y_i-y_0)\tan \mathrm{\α}}$

其中：C为S_i的常数值，多次试验所得；

y₀为到位传感器感应到工件时的位置；

y_i为当前位置；

α为刀具切削刃与进给方向的夹角，也就是坡口角度。

f_i为第i次进给量。

如图4，利用上述已知参数条件，通过PLC编写程序，把单位进给量f_i转化为脉冲数通过伺服驱动器，来控制伺服电机转速，达到控制进给速度的目的。

由上述可知，本发明控制方法可以很好的避免了切削过程中，在进给速度恒定的情况下，所带来的对刀具及设备的冲击。同时也可以实现恒功率的切削。与采用变频电机或伺服电机来实现恒功率切削的方法相比，在需要高输出扭矩的情况下它不需要额外附加装置，同时本身在成本上，它有较大的优势。

Claims (1)

1.一种坡口机智能控制系统，其特征是由检测单元和控制单元组成；

所述检测单元是由检测刀具是否到位的到位传感器，以及两端的两个极限位置传感器所组成；

所述控制单元是由PLC、触摸屏、执行机构，以及包括有伺服驱动器和伺服电机的伺服系统所构成；通过触摸屏选定或设置产品的参数，由PLC和伺服系统控制执行机构运动，通过安装于伺服电机的转轴上的编码器实现对运动位置的定位，进而实现智能进给切削；

所述智能进给切削的过程是按如下方式进行恒功率切削控制：

依据：P＝F_z×v₁，式中P为切削功率；F_z为主切削力；v₁为切削速度；

设置切削速度v₁为恒定值，按式(1)调节进给量f，以保证主切削力F_z为恒定值，从而实现切削功率P的恒定；

F_z＝K_c×α_p×f＝K_c×(y-y₀)×tanα×f    (1)

式中K_c为单位切削力；α_p为背吃刀量；f为进给量；y为通过检测获得的当前位置；y₀为初始位置；α为坡口角度。

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