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特大型（xíng）轉盤軸承徑向油孔數控鑽床電控係統設計

2021-3-25 來源：- 作者（zhě）：秦永（yǒng）晉付力（lì）揚郭亮陳誌勇（yǒng）

摘要：為進（jìn）一步提高風力發電機（jī）核心部件偏航軸承和變槳軸承的生產效率，針對使用的特大型轉盤軸承徑向油孔加工工藝特殊的特點，研（yán）製了特大型轉盤（pán）軸承（chéng）徑向油孔數控鑽床。基於台達PLC和人機界麵作為控製係統，使用位置控製完成鑽孔（kǒng）、分度、攻絲的（de）工作循環，提高（gāo）了加工精度和（hé）生產效（xiào）率，降低了工（gōng）人的勞動強度。該設備每日可（kě）加工軸承40餘套，年產值超過1千（qiān）萬元。

關鍵詞：徑向油孔；數控鑽床；可編程控製器；人機界麵

0 引言

特大型轉盤軸承，是一種能夠同時承（chéng）受較大傾覆力矩和軸（zhóu）向、徑向負荷等綜合載荷的大型軸承，它的這種特性使其集傳動、旋轉、固（gù）定、支撐等多種功能於（yú）一身，多應用於風力發（fā）電、港口機械等大型回轉裝置上。特（tè）大型轉盤軸承一（yī）般帶有安裝孔、潤滑油（yóu）孔、內（nèi）齒圈或外齒圈（quān）以及密封（fēng）裝置。它（tā）的潤滑油孔分布在軸承的外圈徑向上，油孔一般是階梯孔，有的孔還需要攻絲。

以（yǐ）圖 1 所示的某（mǒu）型號風電特大型轉盤軸承加工（gōng）為例，采用的工藝為鑽螺紋（wén）底孔，鑽沉孔，鑽注油底孔，攻絲。

圖1 轉盤軸承套圈油孔

在國內，特大型轉盤軸承套圈（quān）的安裝（zhuāng）孔、齒麵以及溝道的加工都已經有了專用加工設備，但對（duì）於轉（zhuǎn）盤軸承徑向油孔的加工則依然使用鑽床或搖臂鑽，先人工分度劃（huá）線，再進行裝夾，固定（dìng）在工作台（tái）座上，最後孔加工（gōng），這樣加工不（bú）僅分（fèn）度和（hé）定位精（jīng）度得不到保（bǎo）障（zhàng），工件裝夾困難費時費力，同時自動化程度低、加工效率低下。為了解決上述（shù）問題，特設計特大型轉盤軸（zhóu）承徑向油孔專用數控鑽床來進行徑向油孔的加工。

1 、設備結構

機床結構簡圖如圖（tú） 2 所示。設備加工工序有鑽孔和攻絲，可以進行回轉運動和水平直線運動，主（zhǔ）要由（yóu）床身部件、回轉工作台（tái）、電氣控製係統、液壓係統、冷卻係統和拖板（bǎn）部件等（děng）8部分組成（chéng）采用臥（wò）式結構（gòu），床身（shēn）固定在地基上並支承工作台，由可編程控製器和人機界麵控製拖板的進給運動、主軸的切（qiē）削運動、工作台（tái）的分度動作。

圖2 機床（chuáng）結構簡圖

設備加工流程為（wéi）：（1）工件吊裝到台麵；（2）手動更換刀具；（3）定位、夾緊一次完成；（4）回轉工作台自動分（fèn）度；（5）依次鑽底孔、沉孔，再（zài）攻絲。該（gāi）設備具有自動找正、自（zì）動夾緊功能，采用可編程控製器和人機界麵控製，相比（bǐ）普通鑽床或搖臂鑽床自動化（huà）程度高、定（dìng）位準確、數控進刀、高速切削，大大提高了加工（gōng）精度和（hé）生（shēng）產效率，降低了工人的勞動強度[1-2]。

2 、電氣係統組成

該設備的動力係統由 6 大部分（fèn）組（zǔ）成。主軸伺服電機負責完成刀具的旋轉，進給伺（sì）服電機完成刀具的（de）進給，旋轉伺服電機（jī）完成轉台（tái）分度，液（yè）壓電機負責軸承夾緊固定，冷卻冷（lěng）卻電機負責切削時冷卻（què）、排屑器電機完成排屑工作。機床（chuáng）電機及伺服（fú）驅動器接線如圖3所示（shì）[3]。

圖3 機床電機及伺服驅動器接線圖

2.1 PLC 控製係統

為保證（zhèng）攻絲的精度，主軸電機采用了位置控製；拖（tuō）板的進給和（hé）轉台的（de）分度（dù）都要求位置精確，進給（gěi）伺服電機（jī）、旋轉伺服電機也采用位置控製模式，所以選用的PLC至少要具有3組高速脈衝輸出的功能。經過比較，最後采用中達電通股份有（yǒu）限公司的 EH2 係列的 PLC 作（zuò）為（wéi）主要控製係統。EH2 係列主機是有 2 組（zǔ） AB 相200 k Hz 脈衝輸出、2 點 200 k Hz 脈衝輸（shū）出的可編程序控製器，PLC的（de）具體型號為DVP40EH00T2 ，輸入輸出點數為40點。由於（yú）無法滿足鑽床的輸入輸出點（diǎn）數，所以增加了1 個 DVP16HP11T 輸入輸出各（gè） 8 個點的模塊。圖 4 所示（shì）為（wéi） PLC 的接線圖[4-5]，PLC的輸出點Y0-Y7是高速脈衝和方向輸（shū）出端，把輸出點Y0和Y1用來接主軸伺服驅動器（qì）的脈（mò）衝輸入；輸出點Y2和Y3接進給軸伺服驅動器的脈（mò）衝輸入，輸出點Y4和Y5接旋轉軸（zhóu）伺（sì）服（fú）驅（qū）動器脈衝輸入。

圖4 PLC接線圖

PLC擴展模塊接線圖如圖5所示[4-5]。

圖5 PLC擴展（zhǎn）模塊接線圖[4-5]

程序設計流程圖如圖（tú） 6 所（suǒ）示。圖（tú） 7 所（suǒ）示為 PLC 回原（yuán）點程（chéng）程是進給軸和旋轉軸的回原點指令。台達PLC可編程邏輯控（kòng）製器（qì）在使（shǐ）用原點回（huí）歸指令有特殊要（yào）求，原（yuán）點回歸開始（shǐ）時（shí）的速（sù）度，EH/EH2/SV 主機 16 位指（zhǐ）令可（kě）指定範圍 10～32 767 Hz，32 位指令可指定範圍 10～200 000 Hz。原點開關的輸入點隻能使（shǐ）用X10～X17中的一個，EH/EH2/SV 主機若是指（zhǐ）定外部輸入X10～X17以外的裝（zhuāng）置

X、Y、M、S ，因其會受掃描（miáo）周期影響，故會造成原點（diǎn）位置偏離，且不可與 DCNT、PWD 指令指定相（xiàng）同的X10～X17 輸入（rù）點[6]。

圖6 程序設計流程圖

圖（tú）7 PLC回（huí）原點程序[7]

2.2 人機界麵控製係統

選用中達電通股份有限公司的DOP-B係列人機界麵（miàn）作為主要控（kòng）製係（xì）統。控製器型號為 DOP-B10S115，屏幕尺寸為10.1 寸，65 536 色液晶顯示麵板（bǎn）。直流 24 V 供（gòng）電。具有精細高畫質的顯示，它還有（yǒu）強大的控製器支持性（xìng），除（chú）了支持（chí）台達全係列自動（dòng）化產品外，還可與歐姆龍、西門子、圖6程序設計流程圖（tú）三菱等30多家廠商的（de）PLC或設備進行（háng）通訊。另外，它還有豐富多樣的（de）外圍，除標準的串行通訊接口 RS232/RS485/RS422 外， DOP-B 人機還支持 USB、以太網、音效、SD 卡接口，它便利的宏指令和配方功能使編程更便（biàn）捷[7]。

啟動鑽床後，調整界（jiè）麵如圖8所示，在此界（jiè）麵完成鑽床的相關調整動作，並通過各開關顯示（shì）鑽床（chuáng）是否（fǒu）調整到位。圖9所示為刀具選擇界麵，界（jiè）麵采用了觸摸屏的配方（fāng）功能，把各刀具相對應的參（cān）數保存在（zài）斷電保護單元裏，方便操作工調取各參數。

圖10所示為鑽床的主界麵，鑽床調整完成後（hòu），開始自（zì）動加工時一般停留在主畫麵（miàn），首（shǒu）先進行孔數設定，加工時畫麵可（kě）以顯示圖上信息。圖11所示為（wéi）觸（chù）摸屏角度設置界麵，圖12所示為觸摸屏折鑽參數界麵，都是為了方便操作工現場靈活（huó）調整在雜加工情況下的各種要求（qiú），並且最多可以一次加工 6 個（gè）油孔。圖13所示為觸摸屏報警界麵，共有7種報警項目（mù），可以保存100條曆史報（bào）警信（xìn）息，方便操作工迅速（sù）發現問題並解決問題[8]。

圖8 觸摸（mō）屏調整界（jiè）麵

圖9 觸摸屏刀具選擇界（jiè）麵

圖10 觸摸屏主畫麵界麵

圖11 觸摸屏角度設置（zhì）界麵

圖（tú）12 觸摸屏折鑽參數界麵

圖13 觸摸屏報（bào）警界麵

2.3 位置控製及電子齒輪

該設備使用的 3 台伺服電機都采用了位置控製模式，可（kě）以對速度和進行位置嚴格控製。現階段位置控（kòng）製普遍應用在各種定位場（chǎng）合，可以直接或間接替換各種步進傳動係統。伺服控（kòng）製（zhì）器通過接受程（chéng）序（xù）脈衝信（xìn）號來進行位置控製，脈衝數量決定了位置（zhì），脈衝頻率（lǜ）控製了電機的運行速（sù）度。一個脈（mò）衝對應的位置參數量，取決於電子齒輪本身參數（shù）以（yǐ）及設備機械結構的設計。位置控製中可能用到的參數[9]如表1所示。

表（biǎo）1 位置控製中可能用到的參數

機床使（shǐ）用了位置控製模式，於是電子（zǐ）齒輪比（bǐ）的設置就至關（guān）重要，它決定了（le）機（jī）床的定位精度和加（jiā）工精度。使用電子齒輪設定將一個（gè）脈衝對應到一個位置當（dāng）量上。可以根據（jù）機械減（jiǎn）速比等設置好電子齒輪，如指令單位與機械需要移動的位移匹配（pèi）。設（shè）定電子齒輪本質（zhì）上隻要知道（dào）電（diàn）機軸旋轉一圈，控製器發的脈衝數（齒輪分母 Pn202）、編碼（mǎ）器（qì）分辨（biàn）率（齒（chǐ）輪分子 Pn201）。

PRONET編碼器為17位串型編碼（mǎ）器，即（jí）分（fèn）辨率131 072 P/R。如（rú）：PLC要求1000脈衝一圈，電子齒輪比為Pn201/ Pn202=131 072/1 000。以進給軸為例，進給軸的減（jiǎn）速比為5，滾珠絲杠的節距為10 mm， 1 指令單位（wèi）為 0.001 mm，編碼器脈衝為 2 500 P/R，根據（jù）圖（tú）14所示電子齒輪（lún）比的計算（suàn）原理：

0.01×51=255所以，Pn202為5，Pn201為25。對於旋轉軸（zhóu）而言，旋轉軸的減速（sù）比為（wéi）360，1指令單位為（wéi）0.005°，編碼器脈衝為 32 768 P/R，根據（jù）圖（tú） 14 所示電（diàn）子齒輪比的計算原理。

所以，Pn202為50， Pn201 為32 768。

設置好各參（cān）數後（hòu），要進行斷電確認。鑽床內（nèi）部圖如圖15所示。

圖14 電子齒輪比計算

圖15 鑽床內部圖

3 、結束語

該油孔鑽床采用達（dá）電通股份（fèn）有限公司（sī）的 EH2 係列的 PLC和DOP-B係列人機界麵作為控製係統，采用交流伺服係（xì）統的位置控製模式保證機（jī）床的加工精度。機床的研（yán）製成功（gōng）實現了特大型（xíng）轉盤軸承徑向（xiàng）油孔的自動加工，提高了加工精度和效（xiào）率讓企（qǐ）業對相關市場占有率大大提高。設備每（měi）日可（kě）加工軸承40 餘套，年產（chǎn）值超過 1 千萬元。

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