鋼球加工設(shè)備智能控制系統(tǒng)

吳鐵成，宋成豐，孔艷

（1.新鄉(xiāng)日升數(shù)控軸承裝備股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700；2.新鄉(xiāng)市新機(jī)創(chuàng)新機(jī)械有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700）

鋼球加工設(shè)備（尤其是精研機(jī)）的加工工藝參數(shù)對鋼球質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)有鋼球加工設(shè)備的重要工藝參數(shù)，如主軸轉(zhuǎn)速、料盤轉(zhuǎn)速由電位器旋轉(zhuǎn)調(diào)定，壓力由溢流閥手輪調(diào)節(jié)，無法防止部分操作工為追求效率而隨意提速、加壓，造成鋼球內(nèi)在質(zhì)量受損，也會(huì)對機(jī)床造成損壞；機(jī)床在加工中無數(shù)據(jù)記錄，也無法對成品球質(zhì)量進(jìn)行跟蹤分析；另外加工鋼球時(shí)，磨削噪聲大，尤其是光球機(jī)，加工時(shí)超過93 dB。因此，開發(fā)了一種由觸摸屏控制、參數(shù)調(diào)整需權(quán)限的自動(dòng)鋼球加工設(shè)備。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)由可編程控制器（以下簡稱PLC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊D/A、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊A/D、具備遠(yuǎn)程通信控制的觸摸屏、變頻器、壓力傳感器或位移傳感器、流量監(jiān)測、磨液溫度監(jiān)測、防兩研磨板相碰監(jiān)測、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)測、料盤運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)測、球直徑檢測等組成（圖1）。用戶可以在電腦或觸摸屏上設(shè)定多套重要加工工藝參數(shù)，包括主軸轉(zhuǎn)速、料盤轉(zhuǎn)速、壓力、轉(zhuǎn)換時(shí)間等，并用密碼鎖定，操作工只能根據(jù)需求選擇相應(yīng)參數(shù)組進(jìn)行操作，保證了加工參數(shù)的一致性和穩(wěn)定性，有利于大批量生產(chǎn)加工。

圖1 控制系統(tǒng)主要構(gòu)成圖Fig.1 Diagram of main components of control system

電腦通過網(wǎng)絡(luò)與觸摸屏相連，設(shè)定IP即可對觸摸屏進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；觸摸屏通過RS232串行口與PLC連接，對PLC進(jìn)行參數(shù)設(shè)定修改、運(yùn)行監(jiān)控等；PLC通過內(nèi)置RS485接口與變頻器直接進(jìn)行通信，控制變頻器的運(yùn)行、頻率設(shè)定和狀態(tài)數(shù)據(jù)的讀??；A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對讀取的壓力值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在觸摸屏上顯示；D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將觸摸屏預(yù)設(shè)的壓力值轉(zhuǎn)換成模擬量對比例閥控制的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。機(jī)床調(diào)整完畢后，將工藝參數(shù)通過觸摸屏輸入，選擇所需的工藝參數(shù)組合，一鍵啟動(dòng)，即可在遠(yuǎn)離噪聲的辦公區(qū)監(jiān)控機(jī)床，自動(dòng)完成整個(gè)控制循環(huán)。

1.2 聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控

基于臺達(dá)HMI實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集的eServer，eRemote軟件，可以依靠自身強(qiáng)大的報(bào)表生成與鏈接數(shù)據(jù)庫功能，使客戶搭建簡易的制造執(zhí)行系統(tǒng)。eRemote軟件監(jiān)控界面如圖2所示，設(shè)定與觸摸屏相應(yīng)的IP，即可自動(dòng)診斷連接，在監(jiān)控電腦上進(jìn)行操作，如同直接在觸摸屏上操作一樣。eServer軟件支持Microsoft Excel及其各項(xiàng)內(nèi)建公式及圖表，客戶可通過eServer軟件將收集到的數(shù)據(jù)，針對不同的需求快速制作所需要的報(bào)表。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面Fig.2 Screen of remote monitoring

2 主要控制參數(shù)說明

2.1 工藝參數(shù)設(shè)定

在觸摸屏上預(yù)設(shè)多個(gè)工藝參數(shù)配方供加工選擇使用，某配方群的3組數(shù)據(jù)如圖3所示，輸入配方及組數(shù)數(shù)據(jù)即可顯示所選用的配方群。當(dāng)前組顯示的參數(shù)是此時(shí)與PLC進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)，表示當(dāng)前組數(shù)據(jù)在運(yùn)行。當(dāng)按下一鍵啟動(dòng)后，機(jī)床自動(dòng)按所選配方參數(shù)依設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)調(diào)用3組配方，自動(dòng)轉(zhuǎn)換參數(shù)。圖3顯示數(shù)據(jù)只能按密碼鍵，正確輸入密碼后，才會(huì)閃爍顯示，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，修改完成后再次按鍵，數(shù)據(jù)被鎖定。防止隨意更改參數(shù)對鋼球加工質(zhì)量帶來影響。

圖3 鋼球加工工藝參數(shù)配方Fig.3 Formulation for process parameter of steel ball

2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)整

在觸摸屏上將轉(zhuǎn)速寫入PLC，PLC通過計(jì)算轉(zhuǎn)化為頻率，按一定的通信格式將精確數(shù)據(jù)寫入變頻器，使變頻器按設(shè)定的頻率控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。在運(yùn)行過程中，再把變頻器的內(nèi)部數(shù)據(jù)及狀態(tài)讀取到PLC的內(nèi)部寄存器中，在觸摸屏上顯示相應(yīng)寄存器地址的數(shù)值。

2.3 壓力控制

對伺服電動(dòng)機(jī)控制進(jìn)給時(shí)，采用半閉環(huán)控制，將伺服進(jìn)給量轉(zhuǎn)化為數(shù)字位移量對應(yīng)進(jìn)行控制。

對變量比例泵閥或伺服閥控制壓力時(shí)，加裝壓力傳感器，壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力值，通過比例閥的信號放大器放大，再通過A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量在觸摸屏上顯示，PLC根據(jù)設(shè)定的壓力與壓力傳感器的實(shí)測值比較，再通過D/A模塊輸出信號給比例閥控制器，閉環(huán)控制壓力，使壓力精確調(diào)整滿足需求。配方參數(shù)組中預(yù)設(shè)分階段各數(shù)據(jù)，在PLC中進(jìn)行調(diào)用。

2.4 尺寸控制

對于工藝穩(wěn)定、球板質(zhì)量穩(wěn)定，且加工尺寸要求精度較高的生產(chǎn)廠家，加工尺寸可以依靠時(shí)間來保證。如圖3所示設(shè)定所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間，在不同的時(shí)間段內(nèi)對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速、壓力，加工時(shí)間達(dá)到后，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為下一階段所需的轉(zhuǎn)速和壓力。對于無法依靠時(shí)間來保證尺寸的生產(chǎn)廠家，精度要求不高時(shí)，可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)采用取球裝置取球，在機(jī)外專用檢測設(shè)備上進(jìn)行檢測，并將結(jié)果反饋到本機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，在尺寸達(dá)到要求后自動(dòng)停機(jī)、卸球。

2.5 數(shù)據(jù)記錄

機(jī)床運(yùn)行中對加工電流、速度、壓力的波動(dòng)做記錄（圖4），與正常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)突變超過設(shè)定的限位時(shí)，停機(jī)或報(bào)警，可回看記錄，追溯問題源，并加以修正，避免同類問題反復(fù)出現(xiàn)。

主軸、料盤電流和轉(zhuǎn)速監(jiān)控記錄如圖4所示，用曲線和數(shù)據(jù)表2種形式進(jìn)行顯示?？梢圆榭慈我晃恢脭?shù)據(jù)，時(shí)間軸方便查看突變時(shí)間，幫助分析機(jī)床狀況；“輸出報(bào)表”可以進(jìn)行數(shù)據(jù)保存、查看和分析。

圖4 數(shù)據(jù)采集畫面Fig.4 Screen of data acquisition

3 報(bào)警及狀態(tài)提示

為了機(jī)床安全、操作和維護(hù)方便，機(jī)床設(shè)置了較全的保護(hù)和檢測功能。如堆球檢測提醒用戶解決因轉(zhuǎn)速不匹配或無磨液造成球堆積運(yùn)轉(zhuǎn)不暢的狀態(tài)；主軸、料盤運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)測實(shí)時(shí)反饋主傳動(dòng)和料盤傳動(dòng)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)；防兩研磨板相碰裝置避免因進(jìn)出球出現(xiàn)問題時(shí)兩研磨盤相撞造成損壞的可能；磨液流量監(jiān)測避免了因管路問題缺少磨液造成干研燒傷的可能；磨液溫度監(jiān)測設(shè)定上下限，提示將磨液溫度維持在保證加工效率的合適溫度內(nèi)。以上運(yùn)行中的各種保護(hù)，將視危害的程度選擇是立即停車報(bào)警，還是繼續(xù)運(yùn)行僅提醒操作人員在一定的時(shí)間范圍內(nèi)對輕故障進(jìn)行排除。

報(bào)警及狀態(tài)提示設(shè)有歷史報(bào)警表、報(bào)警頻次表、報(bào)警走馬燈3種方式，并加有圖片提示故障部位，圖5為料盤運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)控報(bào)警畫面。

圖5 報(bào)警畫面Fig.5 Screen of alarm

4 結(jié)束語

鋼球加工設(shè)備智能控制系統(tǒng)，可以對機(jī)床加工重要工藝參數(shù)如轉(zhuǎn)速、壓力進(jìn)行精確控制，為加工高精度鋼球提供了保證；流量、磨液溫度的顯示，運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)測報(bào)警，尺寸控制使用戶遠(yuǎn)程操作、監(jiān)控機(jī)床成為可能；數(shù)據(jù)收集為客戶對加工過程中的異常追溯提供了依據(jù)；變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器的使用使機(jī)床節(jié)能環(huán)保；自動(dòng)卸料及智能物流運(yùn)轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)各工序間物料的自動(dòng)裝卸，為車間實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理提供了可能，該控制系統(tǒng)對提高生產(chǎn)管理具有現(xiàn)實(shí)意義。