基于FX3U-48MT對長圓柱內(nèi)壁打磨機(jī)的設(shè)計(jì)

許夢薇 葛鑫虎 任佳杰 郭松 李兵

摘 要：基于FX3U-48MT三菱控制器為控制，研發(fā)一款能夠精確打磨長圓柱管道內(nèi)壁的打磨機(jī)。通過威綸通觸摸屏MT8071iE款，將關(guān)鍵參數(shù)輸入顯示屏，通過高抗干擾能力的RS485/RS422等通信協(xié)議的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)PLC通信，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。該設(shè)備與手工打磨相比，更加高效，快捷，簡便。

關(guān)鍵詞：PLC;長圓柱管道內(nèi)壁;打磨機(jī)

1 緒論

在國家政策方針的實(shí)施下我國制造業(yè)中開始了新一輪深刻的工業(yè)科技革命與產(chǎn)業(yè)革新[1]。而在我國軍工產(chǎn)業(yè)中固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)需要表面沒有毛刺的絕熱層，但是市面上普通打磨機(jī)無法做到長圓柱管道內(nèi)壁打磨，人工打磨效率也可以說是十分低?，F(xiàn)內(nèi)壁打磨一般采用內(nèi)孔打磨機(jī)，在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)計(jì)一款具有方便設(shè)置整個(gè)打磨設(shè)備的作業(yè)過程工藝參數(shù)，對多型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層進(jìn)行打磨處理，同時(shí)具備反饋功能，以對其進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)保證能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的控制[2-3]的內(nèi)壁打磨機(jī)，能夠提高我國打磨長圓柱內(nèi)壁管道的效率，在一定程度上提高我國的工業(yè)生產(chǎn)能力。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與要求

該機(jī)械式打磨機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用“PLC+觸摸屏全自動(dòng)集中控制”的控制系統(tǒng)解決方案，符合當(dāng)前工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，能夠?qū)崿F(xiàn)打磨機(jī)工藝參數(shù)及設(shè)備參數(shù)集中監(jiān)測和打磨過程的自動(dòng)化控制。

系統(tǒng)包括：滿足要求的控制系統(tǒng)硬件設(shè)備、自機(jī)械式打磨機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并能實(shí)現(xiàn)的以下基本功能：（1）全自動(dòng)控制現(xiàn)場設(shè)備（如動(dòng)力電機(jī)、大拖板、小拖板、打磨電機(jī)等）。（2）在觸摸屏控制界面中可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。（3）觸摸屏采用中文語言，能夠使使用者快速上手，簡單易懂。（4）本自動(dòng)控制系統(tǒng)具有以下兩種控制方式。

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

3.2 大拖板控制

大拖板采集步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行行程控制。使用高精度、高性能的KND，BD3H-C型數(shù)控機(jī)床級(jí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，配合絲桿進(jìn)行高精度的行程控制。大拖板系統(tǒng)既可以人工操作，也可以自動(dòng)控制，能夠進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試，調(diào)試成功后，進(jìn)行操作。大拖板如圖2所示：

3.3 小拖板控制

小拖板采集步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行行程控制。使用高精度、高性能的863HBM70H數(shù)控機(jī)床級(jí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，配合電動(dòng)滑臺(tái)進(jìn)行高精度的打磨行程控制。小拖板控制分手動(dòng)操作控制和自動(dòng)操作控制兩種方式，并且具有斷點(diǎn)恢復(fù)功能。

手動(dòng)控制方式分：快進(jìn)、工進(jìn)、快退等控制方式。并且小拖板具有位置顯示框，能夠?qū)崟r(shí)顯示小拖板的當(dāng)前位置。直徑不同小托板如圖3、圖4所示：

另外，小拖板行程控制具有手動(dòng)/自動(dòng)回原點(diǎn)功能，回原點(diǎn)流程如圖5所示：

3.4 打磨電機(jī)及抬刀氣缸控制

打磨電機(jī)采用MOTECa系列伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠完成精密的打磨速度控制調(diào)節(jié)，能夠保證產(chǎn)品的打磨面光滑度，另外能夠提供打磨電機(jī)的過載保護(hù)。

當(dāng)需要同一位置不同打磨高度時(shí)，打磨頭由精密氣缸進(jìn)行抬刀控制，做到精準(zhǔn)打磨，也可手動(dòng)調(diào)節(jié)氣壓大小來控制打磨厚度。抬刀氣缸如圖6所示：

3.5 卷線電機(jī)控制

卷線電機(jī)采集步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行卷線控制。使用高精度、高性能的數(shù)控機(jī)床級(jí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，采用高扭矩的86系列三相混合式步進(jìn)電機(jī)，可以采用人工控制，人工控制方式有快進(jìn)、慢進(jìn)、快退、慢退等控制方式。也可以使其自動(dòng)化。

對于卷線速度控制，卷線電機(jī)能夠隨大拖板/小拖板的行進(jìn)速度自動(dòng)進(jìn)行速度和距離的隨動(dòng)控制，可完成手動(dòng)和自動(dòng)情況下的卷線、放線控制。其中卷線隨大拖板、小拖板快進(jìn)、快退、慢進(jìn)和慢退速度調(diào)整參考界面如圖7所示：

3.6 動(dòng)力電機(jī)速度控制

動(dòng)力電機(jī)由變頻器進(jìn)行變頻速度調(diào)節(jié)，完成打磨速度調(diào)節(jié)控制。PLC利用反饋信息計(jì)算得到動(dòng)力桶的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)而自動(dòng)計(jì)算出與此相匹配的小拖板工進(jìn)速度，完成小拖板工進(jìn)速度與動(dòng)力桶轉(zhuǎn)速的相互配合，最終完成打磨工序?，F(xiàn)場操作人員可在觸摸屏界面中，可進(jìn)行動(dòng)力桶運(yùn)行轉(zhuǎn)速的設(shè)置。當(dāng)發(fā)生故障后，如需要再次從打磨斷點(diǎn)處恢復(fù)作業(yè)時(shí)，控制器能夠自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)前動(dòng)力桶的轉(zhuǎn)速，并計(jì)算出相匹配的小拖板工進(jìn)速度，完成斷點(diǎn)恢復(fù)打磨控制。

對于動(dòng)力電機(jī)測速功能，當(dāng)在觸摸屏設(shè)置相應(yīng)的動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)速后，利用PLC實(shí)時(shí)采集動(dòng)力電機(jī)實(shí)際正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，再利用動(dòng)力電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算出相匹配地小拖板工進(jìn)速度。動(dòng)力電機(jī)測速參考控制界面如圖8所示：

4 結(jié)論

根據(jù)大數(shù)據(jù)顯示，勞動(dòng)成本在工業(yè)制造業(yè)中變得越來越高[4]，全自動(dòng)化越發(fā)重要，而本設(shè)備進(jìn)過計(jì)算，數(shù)據(jù)確認(rèn)與系統(tǒng)仿真后，確保設(shè)備使用安全性與功能完整性，能夠完成大小拖板帶動(dòng)打磨設(shè)備進(jìn)行長圓柱管道內(nèi)壁高精度自動(dòng)化打磨，能夠高效，清潔地完成大量打磨任務(wù)，解決目前市面上對長圓柱管道內(nèi)壁高精度、高穩(wěn)定性打磨的問題，使生產(chǎn)與質(zhì)量緊密結(jié)合;提高管道內(nèi)壁打磨精度，解放人工勞動(dòng)力;使用一體化可調(diào)節(jié)機(jī)械，使效率得到增高，節(jié)省生產(chǎn)成本;減少因質(zhì)量而產(chǎn)生的企業(yè)糾紛和豆腐渣工程，使企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曙.工業(yè)4.0和智能制造[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014，43（08）：1-5.

[2]嚴(yán)家琛.大口徑金屬螺旋管內(nèi)壁焊縫自動(dòng)跟蹤打磨機(jī)器人的研制[D].東華大學(xué)，2017：8-10.

[3]PETER I，ROMAN D，JUERGEN G.The Development of Intelligent Technical Systems by the Integration of Self-Optimization：2014 第三屆國際新興信息及通訊技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)[C].中國遼寧大連，2014.

[4]趙杰.我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)[J].航空制造技術(shù)，2012，408（12）：26-29.

*通訊作者：李兵（1979—），河南民權(quán)人，博士，副教授，主要從事機(jī)器人設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制，振動(dòng)應(yīng)用及減振。