鋼球加工設備智能控制系統

吳鐵成，宋成豐，孔艷

（1.新鄉日升數控軸承裝備股份有限公司，河南 新鄉 453700；2.新鄉市新機創新機械有限公司，河南 新鄉 453700）

鋼球加工設備（尤其是精研機）的加工工藝參數對鋼球質量起著至關重要的作用。現有鋼球加工設備的重要工藝參數，如主軸轉速、料盤轉速由電位器旋轉調定，壓力由溢流閥手輪調節，無法防止部分操作工為追求效率而隨意提速、加壓，造成鋼球內在質量受損，也會對機床造成損壞；機床在加工中無數據記錄，也無法對成品球質量進行跟蹤分析；另外加工鋼球時，磨削噪聲大，尤其是光球機，加工時超過93 dB。因此，開發了一種由觸摸屏控制、參數調整需權限的自動鋼球加工設備。

1 系統概述

1.1 系統構成

控制系統由可編程控制器（以下簡稱PLC）、數模轉換模塊D/A、模數轉換模塊A/D、具備遠程通信控制的觸摸屏、變頻器、壓力傳感器或位移傳感器、流量監測、磨液溫度監測、防兩研磨板相碰監測、主軸運轉監測、料盤運轉監測、球直徑檢測等組成（圖1）。用戶可以在電腦或觸摸屏上設定多套重要加工工藝參數，包括主軸轉速、料盤轉速、壓力、轉換時間等，并用密碼鎖定，操作工只能根據需求選擇相應參數組進行操作，保證了加工參數的一致性和穩定性，有利于大批量生產加工。

圖1 控制系統主要構成圖Fig.1 Diagram of main components of control system

電腦通過網絡與觸摸屏相連，設定IP即可對觸摸屏進行遠程監控；觸摸屏通過RS232串行口與PLC連接，對PLC進行參數設定修改、運行監控等；PLC通過內置RS485接口與變頻器直接進行通信，控制變頻器的運行、頻率設定和狀態數據的讀取；A/D模數轉換模塊對讀取的壓力值進行轉換，在觸摸屏上顯示；D/A數模轉換模塊將觸摸屏預設的壓力值轉換成模擬量對比例閥控制的壓力進行調節。機床調整完畢后，將工藝參數通過觸摸屏輸入，選擇所需的工藝參數組合，一鍵啟動，即可在遠離噪聲的辦公區監控機床，自動完成整個控制循環。

1.2 聯網監控

基于臺達HMI實現遠程監控與數據采集的eServer，eRemote軟件，可以依靠自身強大的報表生成與鏈接數據庫功能，使客戶搭建簡易的制造執行系統。eRemote軟件監控界面如圖2所示，設定與觸摸屏相應的IP，即可自動診斷連接，在監控電腦上進行操作，如同直接在觸摸屏上操作一樣。eServer軟件支持Microsoft Excel及其各項內建公式及圖表，客戶可通過eServer軟件將收集到的數據，針對不同的需求快速制作所需要的報表。

圖2 遠程監控畫面Fig.2 Screen of remote monitoring

2 主要控制參數說明

2.1 工藝參數設定

在觸摸屏上預設多個工藝參數配方供加工選擇使用，某配方群的3組數據如圖3所示，輸入配方及組數數據即可顯示所選用的配方群。當前組顯示的參數是此時與PLC進行交換的數據，表示當前組數據在運行。當按下一鍵啟動后，機床自動按所選配方參數依設定的時間自動調用3組配方，自動轉換參數。圖3顯示數據只能按密碼鍵，正確輸入密碼后，才會閃爍顯示，從而對數據進行修改，修改完成后再次按鍵，數據被鎖定。防止隨意更改參數對鋼球加工質量帶來影響。

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

2.2 轉速調整

在觸摸屏上將轉速寫入PLC，PLC通過計算轉化為頻率，按一定的通信格式將精確數據寫入變頻器，使變頻器按設定的頻率控制電動機轉動。在運行過程中，再把變頻器的內部數據及狀態讀取到PLC的內部寄存器中，在觸摸屏上顯示相應寄存器地址的數值。

2.3 壓力控制

對伺服電動機控制進給時，采用半閉環控制，將伺服進給量轉化為數字位移量對應進行控制。

對變量比例泵閥或伺服閥控制壓力時，加裝壓力傳感器，壓力傳感器實時監測壓力值，通過比例閥的信號放大器放大，再通過A/D模塊轉換成數字量在觸摸屏上顯示，PLC根據設定的壓力與壓力傳感器的實測值比較，再通過D/A模塊輸出信號給比例閥控制器，閉環控制壓力，使壓力精確調整滿足需求。配方參數組中預設分階段各數據，在PLC中進行調用。

2.4 尺寸控制

對于工藝穩定、球板質量穩定，且加工尺寸要求精度較高的生產廠家，加工尺寸可以依靠時間來保證。如圖3所示設定所需的轉換時間，在不同的時間段內對應不同的轉速、壓力，加工時間達到后，自動轉換為下一階段所需的轉速和壓力。對于無法依靠時間來保證尺寸的生產廠家，精度要求不高時，可以在規定的時間內采用取球裝置取球，在機外專用檢測設備上進行檢測，并將結果反饋到本機控制系統進行控制，在尺寸達到要求后自動停機、卸球。

2.5 數據記錄

機床運行中對加工電流、速度、壓力的波動做記錄（圖4），與正常運行數據進行比較，當突變超過設定的限位時，停機或報警，可回看記錄，追溯問題源，并加以修正，避免同類問題反復出現。

主軸、料盤電流和轉速監控記錄如圖4所示，用曲線和數據表2種形式進行顯示。可以查看任一位置數據，時間軸方便查看突變時間，幫助分析機床狀況；“輸出報表”可以進行數據保存、查看和分析。

圖4 數據采集畫面Fig.4 Screen of data acquisition

3 報警及狀態提示

為了機床安全、操作和維護方便，機床設置了較全的保護和檢測功能。如堆球檢測提醒用戶解決因轉速不匹配或無磨液造成球堆積運轉不暢的狀態；主軸、料盤運轉監測實時反饋主傳動和料盤傳動是否正常運轉；防兩研磨板相碰裝置避免因進出球出現問題時兩研磨盤相撞造成損壞的可能；磨液流量監測避免了因管路問題缺少磨液造成干研燒傷的可能；磨液溫度監測設定上下限，提示將磨液溫度維持在保證加工效率的合適溫度內。以上運行中的各種保護，將視危害的程度選擇是立即停車報警，還是繼續運行僅提醒操作人員在一定的時間范圍內對輕故障進行排除。

報警及狀態提示設有歷史報警表、報警頻次表、報警走馬燈3種方式，并加有圖片提示故障部位，圖5為料盤運轉監控報警畫面。

圖5 報警畫面Fig.5 Screen of alarm

4 結束語

鋼球加工設備智能控制系統，可以對機床加工重要工藝參數如轉速、壓力進行精確控制，為加工高精度鋼球提供了保證；流量、磨液溫度的顯示，運轉監測報警，尺寸控制使用戶遠程操作、監控機床成為可能；數據收集為客戶對加工過程中的異常追溯提供了依據；變頻器、伺服驅動器的使用使機床節能環保；自動卸料及智能物流運轉可以實現各工序間物料的自動裝卸，為車間實現數字化管理提供了可能，該控制系統對提高生產管理具有現實意義。