CN105458330A - 深孔镗床切削自适应控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种深孔镗床切削自适应控制系统，包括镗床，镗床上设有可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器上分别集成有模/数转换模块、数/模转换模块、CAN通讯模块；主轴电机依次通过电流互感器、电流变送器与模/数转换模块连接，液压压力传感器、冷却液压力传感器分别与模/数转换模块连接，可编程逻辑控制器通过数/模转换模块与伺服驱动器连接，还通过CAN通讯模块与控制台触摸屏连接。其控制方法包括刀具调节、冷却液调节、主轴电机调节、托板调节、授油器调节、液压装置调节、系统紧急停止调节、电流采集及变送、冷却压力采集、刀具速度切换、系统恒功率调节、过电流欠电流保护、冷却保护、系统故障报警、工件计数步骤。

Description

深孔镗床切削自适应控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及机械加工设备控制技术领域，尤其涉及一种用于深孔镗床切削加工的自适应控制系统及控制方法。

背景技术

深孔镗床是加工圆柱形深孔零件的专用机床，其床身刚性强，精度保持性好；主轴范围广，进给系统由交流伺服电机组成，能适应各种深孔加工工艺的需要；授油器紧固和工件顶紧采用液压装置，安全可靠。

深孔镗床在镗孔加工时，其切削效率经常是影响整个工艺过程生产率的关键。镗孔铣削过程是一个极其复杂、多因数相关的高度非线性、强耦合过程。影响镗孔加工质量和效率的主要因素有刀具磨损、振颤等，它们都会直接反映到切削力的大小变化。由于切削力能快速准确地反映加工过程的状态变化。因此在实际镗孔加工中对于铣削力的监控显得尤为重要。高速高精是镗孔加工永恒的目标，实现恒切削加工是保证高速高精镗孔加工的关键。在镗孔过程中，由于毛胚材质不同，使得切削过程中的切削力不是一恒定值。为了保证刀具不被损坏，镗孔过程中，进给速度总是按最恶劣的条件来确定。这样，机床的效能就不能充分发挥出来。

目前深孔镗床在使用过程中，存在以下问题：

1）被加工工件材料不同，如果切削速度快，会打刀；如果切削速度慢，则加工时间长，效率低；

2）冷却泵出现故障时，系统不能有效监测，此时加工仍在进行，刀具与工件损坏；

3）文本显示的界面，操作不方便。

实现模糊自适应预测控制铣削加工的难点之处也就在于如何监测切削力。传统的切削力测量方法是利用测力仪直接测量得出的，这种测量方法虽然简单，但是它却存在着很明显的缺点:(1)测力仪的大小限制了工件的大小；(2)安装和调试技术复杂、费时；(3)测力仪相当昂贵；(4)测力仪器有时并不能很好地反映出实际切削力的大小。加上机床本身的制造精度有限，使得直接测量技术在工程上几乎毫无价值。

在镗孔加工时，加工要求刀具输出功率恒定，以保证加工质量和延长刀具寿命。但是目前用人工监督电流互感器的输出到电流表的数值，然后手工调节伺服电机转速，主轴交流电机的输出功率处于开环状态，精度受到影响，并且伺服电机的控制模式是位移模式，电机速度受到可编程逻辑控制器所发脉冲的频率限制，镗孔速度受到限制，人员的生产率低。

我国在机床技术方面一直是相对比较落后的，自动化程度也较低。现在大部分工厂里的机床还是旧式传统的机床，接线相当复杂、故障率多，排除起来也比较困难，导致在设备的投资与维护上耗资过大。因此，企业需要先进的加工设备来提高效率，这就要求对现有的设备进行改造。

发明内容

为提高镗床加工灵活性，提高效率及质量，本发明提出一种用于深孔镗床切削加工的自适应控制系统及控制方法。

为此，本发明的技术方案为：

深孔镗床切削自适应控制系统，包括镗床，镗床上装有用于对工件进行旋转的主轴电机、用于对授油器液压装置压力进行测量的液压压力传感器、用于对授油器冷却泵压力进行测量的冷却液压力传感器、用于驱动刀具进给的伺服电机，伺服电机通过伺服驱动器驱动，其特征在于：在镗床上设有可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器上分别集成有模/数转换模块、数/模转换模块、CAN通讯模块；所述主轴电机依次通过电流互感器、电流变送器与模/数转换模块连接，所述液压压力传感器、冷却液压力传感器分别与模/数转换模块连接，可编程逻辑控制器通过数/模转换模块与伺服驱动器连接，可编程逻辑控制器还通过CAN通讯模块与控制台触摸屏连接；

主轴电机中电流经电流互感器、电流变送器送入可编程逻辑控制器，进行监测，形成主轴输出功率闭环控制，使主轴电机输出功率保持恒定；可编程逻辑控制器通过输出模拟量（+10～-10V）控制伺服电机转速和转向：当电流超过设定值时，减小伺服电机进给速度，当电流小于设定值时，增大伺服电机进给速度，当电流超过上限值时，则停止加工；同时，可编程逻辑控制器通过监测冷却泵压力，判断冷却液是否停止输出，当冷却泵出现问题，冷却液压力变小，则停止加工。

利用上述深孔镗床切削自适应控制系统对镗床切削加工进行控制的方法，其特征在于由以下步骤组成：

（1）刀具调节：通过刀具前进/后退/停止功能按纽，实现镗刀的前进、后退运行和停止运行功能；

（2）冷却液调节：通过设置冷却液启动/停止功能，实现加工时冷却泵的启动和停止；

（3）主轴电机调节：通过设置主轴电机启动/停止功能，实现加工时主轴电机的星三角启动和停止，带动工件旋转，传递加工功率；

（4）托板调节：通过托板块进/块退功能，实现快速电机的正转和反转，带动托板前进和后退；

（5）授油器调节：实现授油器在加工时对工件的夹紧和松开，这样刀具镗孔时工件不会偏心；

（6）液压装置调节：授油器的夹紧和松开是依靠液压系统完成的，通过设置液压液启动/停止功能，实现加工时液压泵的启动和停止；

（7）系统紧急停止调节：当出现紧急情况时，按下带自锁功能的红色蘑菇头“急停”按钮，就会切断所有电机的动力线，系统停止运行；通过设置紧急停止功能，实现在紧急情况下设备停止，提高设备的可靠性；

（8）主轴电机电流采集及变送：主轴电机电流经过电流互感器和电流变送器，输出4～20mA的电流信号，输入到可编程逻辑控制器的模/数转换模块；

（9）冷却压力采集：冷却液的压力经冷却液压力传感器，输出4～20mA的电流信号，输入到可编程逻辑控制器的模/数转换模块；

（10）刀具速度切换：伺服电机的控制采用速度控制，由可编程逻辑控制器输出模拟量（+10～-10V）控制伺服电机转速和转向；在触摸屏依据速度范围填写前进速度指令和后退速度指令，点击恒速按钮，则加工时按照恒定速度加工工件；如果不点恒速按钮，则加工时按照恒功率调节速度加工工件；

（11）系统恒功率调节：填写电流设定值，电流互感器的交流电流输出值经电流变送器送入可编程逻辑控制器，经计算，计算出电流测量值，可编程逻辑控制器通过监测主轴电机的电流，形成主轴输出功率的闭环控制，使主轴电机的输出功率就能保持恒定；当电流测量值超过电流设定值时，减小伺服电机的进给速度，当电流测量值小于电流设定值时，增大伺服电机的进给速度，并填写电流上限值和下限值，设定电流上限值，如果电流超过上限值或者小于下限值时，则停止加工；

（12）主轴电机过电流、欠电流保护：设定电流上限值，如果电流超过上限值，则停止加工，并设定电流下限值，如果电流小于下限值，则停止加工；

（13）冷却保护：可编程逻辑控制器通过监测冷却泵压力，在加工过程中判断冷却液是否停止输出，当冷却泵出现问题，冷却液压力变小，停止加工；

（14）系统故障报警：当出现故障时，显示屏把出现的故障显示为红色，正常的显示为绿色，同时面板的红色报警灯点亮，显示屏的报警灯闪烁；

（15）工件计数：完成一个工件后，则工件计数就会加一，便于镗床操作人员记录所加工工件的数量，若需要重新统计加工工件数，则点击重新计数，则工件计数清零。

有益效果：

本发明通过在原有的深孔镗床上增加可编程逻辑控制器，并增加电流互感器，通过监测主轴电机的电流，形成主轴输出功率的闭环控制，使主轴电机的输出功率能够保持恒定，通过检测的电流值对伺服电机进给速度进行控制，同时通过对冷却液压力进行监测，判断冷却液输出与否，提高了镗床加工灵活性；且系统能够实时显示报警信息、故障点信息、主轴电机电流、液压压力、冷却液压力等信息，提高了镗床生产效率、可靠性和产品精度；降低了生产成本，增加了企业收益。

附图说明

图1为本发明的工作原理框图；

图中标号为：1、主轴电机；2、液压压力传感器；3、冷却液压力传感器；4、伺服电机；5、伺服驱动器；6、可编程逻辑控制器；7、模/数转换模块；8、数/模转换模块；9、CAN通讯模块；10、电流互感器；11、电流变送器；12、触摸屏；13、工件；14、刀具。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种深孔镗床切削自适应控制系统，包括镗床，在镗床上装有用于对工件13进行旋转的主轴电机1、用于对授油器液压装置压力进行测量的液压压力传感器2、用于对授油器冷却泵压力进行测量的冷却液压力传感器3、用于驱动刀具14进给的伺服电机4，伺服电机4通过伺服驱动器5进行驱动；在镗床上设有可编程逻辑控制器6，在可编程逻辑控制器6上分别集成有模/数转换模块7、数/模转换模块8、CAN通讯模块9；将所述主轴电机1依次通过电流互感器10、电流变送器11与模/数转换模块7连接，将所述液压压力传感器2、冷却液压力传感器3分别与模/数转换模块7连接，将可编程逻辑控制器6通过数/模转换模块8与伺服驱动器5连接，将可编程逻辑控制器6还通过CAN通讯模块9与控制台的触摸屏12连接；系统工作时，主轴电机中电流经电流互感器、电流变送器送入可编程逻辑控制器，进行监测，形成主轴输出功率闭环控制，使主轴电机输出功率保持恒定；可编程逻辑控制器通过输出模拟量（+10V）控制伺服电机转速和转向：当电流超过设定值时，减小伺服电机进给速度，当电流小于设定值时，增大伺服电机进给速度，当电流超过上限值时，则停止加工；同时，可编程逻辑控制器通过监测冷却泵压力，判断冷却液是否停止输出，当冷却泵出现问题，冷却液压力变小，则停止加工。

一种利用上述深孔镗床切削自适应控制系统对镗床切削加工进行控制的方法，由以下步骤组成：

（1）刀具调节：通过刀具前进/后退/停止功能按纽，实现镗刀的前进、后退运行和停止运行功能；

（2）冷却液调节：通过设置冷却液启动/停止功能，实现加工时冷却泵的启动和停止；

（3）主轴电机调节：通过设置主轴电机启动/停止功能，实现加工时主轴电机的星三角启动和停止，带动工件旋转，传递加工功率；

（4）托板调节：通过托板块进/块退功能，实现快速电机的正转和反转，带动托板前进和后退；

（5）授油器调节：实现授油器在加工时对工件的夹紧和松开，这样刀具镗孔时工件不会偏心；

（6）液压装置调节：授油器的夹紧和松开是依靠液压系统完成的，通过设置液压液启动/停止功能，实现加工时液压泵的启动和停止；

（7）系统紧急停止调节：当出现紧急情况时，按下带自锁功能的红色蘑菇头“急停”按钮，就会切断所有电机的动力线，系统停止运行；通过设置紧急停止功能，实现在紧急情况下设备停止，提高设备的可靠性；

（8）主轴电机电流采集及变送：主轴电机电流经过电流互感器和电流变送器，输出4mA的电流信号，输入到可编程逻辑控制器的模/数转换模块；

（9）冷却压力采集：冷却液的压力经冷却液压力传感器，输出4mA的电流信号，输入到可编程逻辑控制器的模/数转换模块；

（10）刀具速度切换：伺服电机的控制采用速度控制，由可编程逻辑控制器输出模拟量（+10V）控制伺服电机转速和转向；在触摸屏依据速度范围填写前进速度指令和后退速度指令，点击恒速按钮，则加工时按照恒定速度加工工件；如果不点恒速按钮，则加工时按照恒功率调节速度加工工件；

（11）系统恒功率调节：填写电流设定值，电流互感器的交流电流输出值经电流变送器送入可编程逻辑控制器，经计算，计算出电流测量值，可编程逻辑控制器（PLC）通过监测主轴电机的电流，形成主轴输出功率的闭环控制，使主轴电机的输出功率就能保持恒定；当电流测量值超过电流设定值时，减小伺服电机的进给速度，当电流测量值小于电流设定值时，增大伺服电机的进给速度，并填写电流上限值和下限值，设定电流上限值，如果电流超过上限值或者小于下限值时，则停止加工；

（12）主轴电机过电流、欠电流保护：设定电流上限值，如果电流超过上限值，则停止加工，并设定电流下限值，如果电流小于下限值，则停止加工；

（13）冷却保护：可编程逻辑控制器通过监测冷却泵压力，在加工过程中判断冷却液是否停止输出，当冷却泵出现问题，冷却液压力变小，停止加工；

（14）系统故障报警：当出现故障时，显示屏把出现的故障显示为红色，正常的显示为绿色，同时面板的红色报警灯点亮，显示屏的报警灯闪烁；

（15）工件计数：完成一个工件后，则工件计数就会加一，便于镗床操作人员记录所加工工件的数量，若需要重新统计加工工件数，则点击重新计数，则工件计数清零。

本发明通过在原有的深孔镗床上增加可编程逻辑控制器，并增加电流互感器，通过监测主轴电机的电流，形成主轴输出功率的闭环控制，使主轴电机的输出功率能够保持恒定，通过检测的电流值对伺服电机进给速度进行控制，同时通过对冷却液压力进行监测，判断冷却液输出与否，提高了镗床加工灵活性；且系统能够实时显示报警信息、故障点信息、主轴电机电流、液压压力、冷却液压力等信息，提高了镗床生产效率、可靠性和产品精度；降低了生产成本，增加了企业收益。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非用以局限本发明的专利范围，故凡运用本发明说明书内容所作的等效变换，均同理包含在本发明的范围之内。

Claims (2)

1.深孔镗床切削自适应控制系统，包括镗床，镗床上装有用于对工件进行旋转的主轴电机、用于对授油器液压装置压力进行测量的液压压力传感器、用于对授油器冷却泵压力进行测量的冷却液压力传感器、用于驱动刀具进给的伺服电机，伺服电机通过伺服驱动器驱动，其特征在于：在镗床上设有可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器上分别集成有模/数转换模块、数/模转换模块、CAN通讯模块；所述主轴电机依次通过电流互感器、电流变送器与模/数转换模块连接，所述液压压力传感器、冷却液压力传感器分别与模/数转换模块连接，可编程逻辑控制器通过数/模转换模块与伺服驱动器连接，可编程逻辑控制器还通过CAN通讯模块与控制台触摸屏连接；

主轴电机中电流经电流互感器、电流变送器送入可编程逻辑控制器，进行监测，形成主轴输出功率闭环控制，使主轴电机输出功率保持恒定；可编程逻辑控制器通过输出模拟量（+10～-10V）控制伺服电机转速和转向：当电流超过设定值时，减小伺服电机进给速度，当电流小于设定值时，增大伺服电机进给速度，当电流超过上限值时，则停止加工；同时，可编程逻辑控制器通过监测冷却泵压力，判断冷却液是否停止输出，当冷却泵出现问题，冷却液压力变小，则停止加工。

2.利用权利要求1所述的深孔镗床切削自适应控制系统对镗床切削加工进行控制的方法，其特征在于由以下步骤组成：

（1）刀具调节：通过刀具前进/后退/停止功能按纽，实现镗刀的前进、后退运行和停止运行功能；

（2）冷却液调节：通过设置冷却液启动/停止功能，实现加工时冷却泵的启动和停止；

（3）主轴电机调节：通过设置主轴电机启动/停止功能，实现加工时主轴电机的星三角启动和停止，带动工件旋转，传递加工功率；

（4）托板调节：通过托板块进/块退功能，实现快速电机的正转和反转，带动托板前进和后退；

（5）授油器调节：实现授油器在加工时对工件的夹紧和松开，这样刀具镗孔时工件不会偏心；

（6）液压装置调节：授油器的夹紧和松开是依靠液压系统完成的，通过设置液压液启动/停止功能，实现加工时液压泵的启动和停止；

（7）系统紧急停止调节：当出现紧急情况时，按下带自锁功能的红色蘑菇头“急停”按钮，就会切断所有电机的动力线，系统停止运行；通过设置紧急停止功能，实现在紧急情况下设备停止，提高设备的可靠性；

（8）主轴电机电流采集及变送：主轴电机电流经过电流互感器和电流变送器，输出4～20mA的电流信号，输入到可编程逻辑控制器的模/数转换模块；

（9）冷却压力采集：冷却液的压力经冷却液压力传感器，输出4～20mA的电流信号，输入到可编程逻辑控制器的模/数转换模块；

（10）刀具速度切换：伺服电机的控制采用速度控制，由可编程逻辑控制器输出模拟量（+10～-10V）控制伺服电机转速和转向；在触摸屏依据速度范围填写前进速度指令和后退速度指令，点击恒速按钮，则加工时按照恒定速度加工工件；如果不点恒速按钮，则加工时按照恒功率调节速度加工工件；

（11）系统恒功率调节：填写电流设定值，电流互感器的交流电流输出值经电流变送器送入可编程逻辑控制器，经计算，计算出电流测量值，可编程逻辑控制器通过监测主轴电机的电流，形成主轴输出功率的闭环控制，使主轴电机的输出功率就能保持恒定；当电流测量值超过电流设定值时，减小伺服电机的进给速度，当电流测量值小于电流设定值时，增大伺服电机的进给速度，并填写电流上限值和下限值，设定电流上限值，如果电流超过上限值或者小于下限值时，则停止加工；

（12）主轴电机过电流、欠电流保护：设定电流上限值，如果电流超过上限值，则停止加工，并设定电流下限值，如果电流小于下限值，则停止加工；

（13）冷却保护：可编程逻辑控制器通过监测冷却泵压力，在加工过程中判断冷却液是否停止输出，当冷却泵出现问题，冷却液压力变小，停止加工；

（14）系统故障报警：当出现故障时，显示屏把出现的故障显示为红色，正常的显示为绿色，同时面板的红色报警灯点亮，显示屏的报警灯闪烁；

（15）工件计数：完成一个工件后，则工件计数就会加一，便于镗床操作人员记录所加工工件的数量，若需要重新统计加工工件数，则点击重新计数，则工件计数清零。