傅夢婷, 李湘生
(浙江理工大學 機械與自動控制學院,杭州310018)
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。
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。
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。
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
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]。
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。
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。
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
2.2.1 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。
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。
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
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。
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。
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。
4.2.1 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)。
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。