深孔鉆床主軸刀具溫度自動識別與保護系統的研究

黃 健 陳忠仁 林少茵

（中山職業技術學院，廣東中山 528404）

深孔鉆削加工（孔深和孔徑的比值＞10）在機械加工領域中占有非常重要的地位，約占孔加工量的40%以上。新型高強度、高硬度和高價值難加工深孔零件的不斷出現，加工工件在加工深度、加工精度以及加工效率上要求的不斷提高，使得深孔加工成為機械加工的關鍵工序和加工難點。

對于小型加工企業，在沒有專用的深孔加工設備下，深孔加工尤其是細長孔的加工是機械加工中的一道難題，經常會產生直徑變大，出現錐形等現象，從而達不到加工質量的要求。因此，在沒有專用深孔加工設備下，普通的深孔加工設備對于小型加工企業和個體加工戶就顯得尤為重要，如何利用現有老式普通設備解決深孔加工難題，就成為研究的課題。

1 原因分析

深孔加工為什么經常會產生直徑變大、出現錐形等現象呢?

深孔加工是處于封閉或半封閉的狀態下進行的，故不能直接觀察到刀具的切削情況。目前只能憑經驗，通過聽聲音、看切削、觀察機床負荷及壓力表、觸摸振動等外觀現象來判斷切削過程是否正常。

經過試驗和分析總結得到，深孔鉆床的加工精度與主軸刀具或工件變形量關系密切，而熱變形是其中最主要成分［1－2］。

實際上深孔鉆床加工時刀具的切削熱是不易傳散的。一般的機械切削加工過程中有80%的切削熱被切屑帶走，而深孔鉆削只有40%，刀具占切削熱的比例較大，擴散遲、易過熱，刀口溫度可達600℃。所以，如果不采取強制有效的冷卻方式來冷卻刀具，深孔加工就會產生直徑變大、出現錐形等現象，達不到所要求的加工精度［3］。

2 改善主軸刀具熱變形的措施

因此，改善主軸刀具或工件的熱變形就顯得尤為突出。過去采取的降溫思路主要是改善冷卻和散熱條件、均衡結構、均化溫度分布，以實現刀具的降溫。例如，改善冷卻和散熱條件，用循環冷空氣、循環水或油等方法冷卻主要發熱體主軸刀具或工件，以此方法強制帶走主軸刀具上的熱量，進而減小熱變形量。但是，由于這些措施費時費力，不經濟，效果不理想。

深孔鉆主軸刀具高速旋轉時容易過熱，且熱量擴散慢，刀口溫度可達600℃。對于此種情況，采取一種新的思路，即現場采集主軸刀具溫度，比較后，當采集溫度高于600℃的5%以上時則降低主軸刀具轉速，5 s時如果被檢測體的溫度有上升趨勢，則再次降低主軸刀具轉速，5 s后如果被檢測體的溫度恒定或下降到600℃及以下時，則提高主軸刀具轉速到正常轉速。在降低轉速的同時，不減弱原有的冷卻和潤滑強度。

其實，上述方法就是工業控制中的溫度控制。在自動控制系統中，溫度控制既可以使用單片機控制［4］，也可以采用 PLC 控制［5］，在此采用 PLC 控制。

3 PLC控制

3.1 PLC控制的優點

工控現場離不開溫度控制，溫度數據的采集通常由溫度傳感器熱電偶、熱電阻來完成，而溫度數據的變換與處理方法很多［6］，可用溫度儀、工控機、PLC等。其中PLC對溫度的處理，其硬件構成可通過模塊化來實現，編程也很簡練，是理想的選擇。PLC還可對溫度進行模數和數模轉換，輸出對應的模擬量進而實現對溫度及其他設備的在線控制。PLC對溫度傳感器的數據進行采集與處理時，溫度變量經溫度傳感器送入PLC的溫度模塊，轉換后的數字量可被PLC以字的形式直接讀出。根據所需，在PLC存儲器內編制相應的梯形圖程序，對溫度進行單位轉換和數模轉換，進而實現對溫度的開環或閉環控制及溫度對其他設備的跟隨控制［7］。

3.2 PLC 的選型

本文選擇三菱FX2n系列PLC，FX2n系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。FX2n系列具備如下特點:最大范圍地包容了標準特點、程式執行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，可以為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。

三菱FX2n系列PLC為PT傳感器開發了溫度模塊。內置式24 V直流電源可用于外圍設備，如傳感器或其他元件。

3.3 熱電偶PT100

PT100是鉑熱電阻，它的阻值隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100 Ω，在100℃時它的阻值約為138.5 Ω。當PT100在0℃時，它的阻值為100 Ω，并會隨著溫度上升而成近似勻速地增長。鉑電阻的阻值隨溫度的變化而變化的計算公式為

式中:Rt為t℃時的電阻值，R0為0℃時的阻值，A、B、C為系數，實驗測定。

3.4 FX2n－4AD －PT 模塊

FX2n－4AD－PT模擬量特殊模塊將來自4個鉑溫度傳感器的輸入信號放大，并將數據轉換成12位的可讀數據，存儲在主處理單元。攝氏度和華氏度數據都可讀取，讀數分辨率是0.2～0.3℃。所有的數據輸入和參數設置都可以通過軟件控制來調整，使用PLC的TO、FROM應用指令來完成，在程序中占用8個輸入輸出點，一臺PLC最多可連接8個模塊［8］。

3.5 深孔鉆床的PLC控制系統

3.5.1 主軸刀具溫度的間接采集

主軸刀口溫度可達600℃，這是可以忍受的極限溫度，冷卻液給刀具冷卻時帶走刀具旋轉產生的高溫。由于冷卻液的高速流動性，冷卻液在刀具出口的溫度不是很高，實驗測得（室溫20℃時）刀具溫度與冷卻液在刀具出口處溫度的對應關系:630℃∶38℃;620℃∶36℃;610℃∶34℃;600℃∶33℃。

系統的控制方案采用溫度比較法，使用2個溫度傳感器PT100，一個溫度傳感器感知一個恒溫發熱裝置（恒溫在33℃，功率25 W，對應于主軸刀具溫度600℃），另一個溫度傳感器感知冷卻液在刀具出口處的溫度。PLC通過溫度傳感器及溫度模塊將上述2個溫度參數讀入內存，與恒溫33℃值比較，根據兩者的差值來控制變頻器，使變頻器改變主軸電動機的轉速，以減緩刀具熱量的產生，此時冷卻液的流量保持不變，以控制熱交換的速度。因此，對冷卻液來說，以出液口的溫度和恒定溫度的比較值作為控制依據，實現出液口溫度和恒溫差控制是比較合理的。溫差大，說明主軸刀具產生的熱量大，應降低主軸的轉速;溫差小，說明主軸刀具產生的熱量小，應提高主軸的轉速，達到高精度控制的目的。

深孔鉆床的PLC控制系統功能結構如圖1所示。

3.5.2 模擬量特殊模塊與PLC控制

FX2n－4AD－PT模擬量特殊模塊與PLC接線如圖2所示。CH1通道接收冷卻液傳感器的數據，CH2通道接收恒溫傳感器的數據。此處給CH2通道的PT100傳感器制作一個恒熱裝置，25 W低功耗，置于PT100傳感器的感知桿上。CH1通道的PT100溫度傳感器置于刀具的冷卻液出口處。

PLC控制程序比較FX2n－4AD－PT的CH1、CH2通道所采集的溫度信息，當CH1通道所采集的溫度低于CH2通道所采集的溫度時，PLC輸出一個Y1觸點;當CH1通道所采集的溫度高于CH2通道所采集的溫度時，PLC需輸出一個Y2觸點;系統程序根據Y1、Y2觸點的閉合情況可以分別控制變頻器輸出不同的轉速（3.5.3所述）。溫差比較PLC控制程序如圖3所示。

3.5.3 主軸電動機的變頻控制

主軸電動機的變頻控制如圖4所示，變頻器采用三菱E700系列變頻器。

變頻器的PLC控制程序如圖5所示。按下主軸電動機啟動按鈕SB1（X14），S20狀態工作，主軸常速旋轉。當主軸刀具溫度過高，CH1通道值高于CH2通道值，Y2接通，關閉S20狀態，打開S30狀態，主軸中速旋轉。5 s時檢測到CH1通道值低于CH2通道值，則Y2關閉，Y1處于接通狀態，程序返回S20狀態，主軸常速旋轉;若5 s時檢測到CH1通道值繼續高于CH2通道值，此時Y2還處于接通狀態，則程序狀態S30關閉，S40狀態被打開，主軸低速旋轉。再5 s時檢測到CH1通道值低于CH2通道值，則Y2關閉，Y1處于接通狀態，程序返回S20狀態，主軸常速旋轉。

4 結語

通過實際工程驗證，實現了深孔鉆床主軸刀具的自動控制，系統工作穩定可靠，具有控制精度高、進入穩定狀態所需時間短、性能比高、硬件連接方便、軟件易實現等特點，解決了深孔加工尤其是在細長孔的加工中產生的直徑變大、出現錐形等問題。此設計方法對其他類型的溫差設備的設計也有借鑒作用，具有較好的推廣應用價值。

［1］Lin Z，Chang J.The building of spindle thermal displacement model of high speed machine center［J］.International Journal of Advanced Manu—faetufing Technology，2007，34:556 －566.

［2］仇健，劉啟偉，李曉飛，等.臥式數控機床主軸溫度場分布及對機床熱變形的影響［J］.制造技術與機床，2011（8）:114－119.

［3］張寶紅，張治民，張星，等.杯形件溫引伸數值模擬［J］.塑性工程學報，2004，11（3）:86 －88.

［4］石雄.恒溫槽高精度恒溫自動控制系統的設計與實現［J］.工業儀表與自動化裝，2005（1）:32－34.

［5］徐濾非.PLC在溫度控制系統中的應用［J］.現代電子技術，2004，27（13）:62－63.

［6］王魁漢.溫度測量實用技術［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［7］殷華文，朱清慧.可編程序控制器及工業控制網絡［M］.西安:西安地圖出版社，2001.

［8］三菱.FX系列特殊功能模塊用戶手冊［Z］.