基于FX3U-48MT對長圓柱內壁打磨機的設計

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，研發一款能夠精確打磨長圓柱管道內壁的打磨機。通過威綸通觸摸屏MT8071iE款，將關鍵參數輸入顯示屏，通過高抗干擾能力的RS485/RS422等通信協議的工業控制網絡，實現PLC通信，實現自動化。該設備與手工打磨相比，更加高效，快捷，簡便。

關鍵詞：PLC;長圓柱管道內壁;打磨機

1 緒論

在國家政策方針的實施下我國制造業中開始了新一輪深刻的工業科技革命與產業革新[1]。而在我國軍工產業中固體火箭發動機需要表面沒有毛刺的絕熱層，但是市面上普通打磨機無法做到長圓柱管道內壁打磨，人工打磨效率也可以說是十分低。現內壁打磨一般采用內孔打磨機，在此基礎上，我們設計一款具有方便設置整個打磨設備的作業過程工藝參數，對多型號發動機絕熱層進行打磨處理，同時具備反饋功能，以對其進行實時調節保證能夠進行準確的控制[2-3]的內壁打磨機，能夠提高我國打磨長圓柱內壁管道的效率，在一定程度上提高我國的工業生產能力。

2 結構設計與要求

該機械式打磨機自動化控制系統采用“PLC+觸摸屏全自動集中控制”的控制系統解決方案，符合當前工業設備自動化控制系統發展的趨勢，能夠實現打磨機工藝參數及設備參數集中監測和打磨過程的自動化控制。

系統包括：滿足要求的控制系統硬件設備、自機械式打磨機自動化控制系統，并能實現的以下基本功能：（1）全自動控制現場設備（如動力電機、大拖板、小拖板、打磨電機等）。（2）在觸摸屏控制界面中可以實現對設備進行監測和控制。（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）本自動控制系統具有以下兩種控制方式。

3 控制系統

3.1 控制系統結構

控制系統結構如圖1所示：

3.2 大拖板控制

大拖板采集步進電機進行行程控制。使用高精度、高性能的KND，BD3H-C型數控機床級步進電機驅動器，配合絲桿進行高精度的行程控制。大拖板系統既可以人工操作，也可以自動控制，能夠進行手動調試，調試成功后，進行操作。大拖板如圖2所示：

3.3 小拖板控制

小拖板采集步進電機進行行程控制。使用高精度、高性能的863HBM70H數控機床級步進電機驅動器，配合電動滑臺進行高精度的打磨行程控制。小拖板控制分手動操作控制和自動操作控制兩種方式，并且具有斷點恢復功能。

手動控制方式分：快進、工進、快退等控制方式。并且小拖板具有位置顯示框，能夠實時顯示小拖板的當前位置。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/自動回原點功能，回原點流程如圖5所示：

3.4 打磨電機及抬刀氣缸控制

打磨電機采用MOTECa系列伺服電機驅動，能夠完成精密的打磨速度控制調節，能夠保證產品的打磨面光滑度，另外能夠提供打磨電機的過載保護。

當需要同一位置不同打磨高度時，打磨頭由精密氣缸進行抬刀控制，做到精準打磨，也可手動調節氣壓大小來控制打磨厚度。抬刀氣缸如圖6所示：

3.5 卷線電機控制

卷線電機采集步進電機進行卷線控制。使用高精度、高性能的數控機床級步進電機驅動器，采用高扭矩的86系列三相混合式步進電機，可以采用人工控制，人工控制方式有快進、慢進、快退、慢退等控制方式。也可以使其自動化。

對于卷線速度控制，卷線電機能夠隨大拖板/小拖板的行進速度自動進行速度和距離的隨動控制，可完成手動和自動情況下的卷線、放線控制。其中卷線隨大拖板、小拖板快進、快退、慢進和慢退速度調整參考界面如圖7所示：

3.6 動力電機速度控制

動力電機由變頻器進行變頻速度調節，完成打磨速度調節控制。PLC利用反饋信息計算得到動力桶的實時轉速進而自動計算出與此相匹配的小拖板工進速度，完成小拖板工進速度與動力桶轉速的相互配合，最終完成打磨工序。現場操作人員可在觸摸屏界面中，可進行動力桶運行轉速的設置。當發生故障后，如需要再次從打磨斷點處恢復作業時，控制器能夠自動計算出當前動力桶的轉速，并計算出相匹配的小拖板工進速度，完成斷點恢復打磨控制。

對于動力電機測速功能，當在觸摸屏設置相應的動力電機轉速后，利用PLC實時采集動力電機實際正常運行的轉速，再利用動力電機實際轉速計算出相匹配地小拖板工進速度。動力電機測速參考控制界面如圖8所示：

4 結論

根據大數據顯示，勞動成本在工業制造業中變得越來越高[4]，全自動化越發重要，而本設備進過計算，數據確認與系統仿真后，確保設備使用安全性與功能完整性，能夠完成大小拖板帶動打磨設備進行長圓柱管道內壁高精度自動化打磨，能夠高效，清潔地完成大量打磨任務，解決目前市面上對長圓柱管道內壁高精度、高穩定性打磨的問題，使生產與質量緊密結合;提高管道內壁打磨精度，解放人工勞動力;使用一體化可調節機械，使效率得到增高，節省生產成本;減少因質量而產生的企業糾紛和豆腐渣工程，使企業長遠發展。

參考文獻：

[1]張曙.工業4.0和智能制造[J].機械設計與制造工程，2014，43（08）：1-5.

[2]嚴家琛.大口徑金屬螺旋管內壁焊縫自動跟蹤打磨機器人的研制[D].東華大學，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產業大會[C].中國遼寧大連，2014.

[4]趙杰.我國工業機器人發展現狀與面臨的挑戰[J].航空制造技術，2012，408（12）：26-29.

*通訊作者：李兵（1979—），河南民權人，博士，副教授，主要從事機器人設計及運動控制，振動應用及減振。