基于FX3U-48MT对长圆柱内壁打磨机的设计

    许梦薇 葛鑫虎 任佳杰 郭松 李兵

    

    

    

    摘 要：基于FX3U-48MT三菱控制器为控制，研发一款能够精确打磨长圆柱管道内壁的打磨机。通过威纶通触摸屏MT8071iE款，将关键参数输入显示屏，通过高抗干扰能力的RS485/RS422等通信协议的工业控制网络，实现PLC通信，实现自动化。该设备与手工打磨相比，更加高效，快捷，簡便。

    关键词：PLC;长圆柱管道内壁;打磨机

    1 绪论

    在国家政策方针的实施下我国制造业中开始了新一轮深刻的工业科技革命与产业革新[1]。而在我国军工产业中固体火箭发动机需要表面没有毛刺的绝热层，但是市面上普通打磨机无法做到长圆柱管道内壁打磨，人工打磨效率也可以说是十分低。现内壁打磨一般采用内孔打磨机，在此基础上，我们设计一款具有方便设置整个打磨设备的作业过程工艺参数，对多型号发动机绝热层进行打磨处理，同时具备反馈功能，以对其进行实时调节保证能够进行准确的控制[2-3]的内壁打磨机，能够提高我国打磨长圆柱内壁管道的效率，在一定程度上提高我国的工业生产能力。

    2 结构设计与要求

    该机械式打磨机自动化控制系统采用“PLC+触摸屏全自动集中控制”的控制系统解决方案，符合当前工业设备自动化控制系统发展的趋势，能够实现打磨机工艺参数及设备参数集中监测和打磨过程的自动化控制。

    系统包括：满足要求的控制系统硬件设备、自机械式打磨机自动化控制系统，并能实现的以下基本功能：（1）全自动控制现场设备（如动力电机、大拖板、小拖板、打磨电机等）。（2）在触摸屏控制界面中可以实现对设备进行监测和控制。（3）触摸屏采用中文语言，能够使使用者快速上手，简单易懂。（4）本自动控制系统具有以下两种控制方式。

    3 控制系统

    3.1 控制系统结构

    控制系统结构如图1所示：

    3.2 大拖板控制

    大拖板采集步进电机进行行程控制。使用高精度、高性能的KND，BD3H-C型数控机床级步进电机驱动器，配合丝杆进行高精度的行程控制。大拖板系统既可以人工操作，也可以自动控制，能够进行手动调试，调试成功后，进行操作。大拖板如图2所示：

    3.3 小拖板控制

    小拖板采集步进电机进行行程控制。使用高精度、高性能的863HBM70H数控机床级步进电机驱动器，配合电动滑台进行高精度的打磨行程控制。小拖板控制分手动操作控制和自动操作控制两种方式，并且具有断点恢复功能。

    手动控制方式分：快进、工进、快退等控制方式。并且小拖板具有位置显示框，能够实时显示小拖板的当前位置。直径不同小托板如图3、图4所示：

    另外，小拖板行程控制具有手动/自动回原点功能，回原点流程如图5所示：

    3.4 打磨电机及抬刀气缸控制

    打磨电机采用MOTECa系列伺服电机驱动，能够完成精密的打磨速度控制调节，能够保证产品的打磨面光滑度，另外能够提供打磨电机的过载保护。

    当需要同一位置不同打磨高度时，打磨头由精密气缸进行抬刀控制，做到精准打磨，也可手动调节气压大小来控制打磨厚度。抬刀气缸如图6所示：

    3.5 卷线电机控制

    卷线电机采集步进电机进行卷线控制。使用高精度、高性能的数控机床级步进电机驱动器，采用高扭矩的86系列三相混合式步进电机，可以采用人工控制，人工控制方式有快进、慢进、快退、慢退等控制方式。也可以使其自动化。

    对于卷线速度控制，卷线电机能够随大拖板/小拖板的行进速度自动进行速度和距离的随动控制，可完成手动和自动情况下的卷线、放线控制。其中卷线随大拖板、小拖板快进、快退、慢进和慢退速度调整参考界面如图7所示：

    3.6 动力电机速度控制

    动力电机由变频器进行变频速度调节，完成打磨速度调节控制。PLC利用反馈信息计算得到动力桶的实时转速进而自动计算出与此相匹配的小拖板工进速度，完成小拖板工进速度与动力桶转速的相互配合，最终完成打磨工序。现场操作人员可在触摸屏界面中，可进行动力桶运行转速的设置。当发生故障后，如需要再次从打磨断点处恢复作业时，控制器能够自动计算出当前动力桶的转速，并计算出相匹配的小拖板工进速度，完成断点恢复打磨控制。

    对于动力电机测速功能，当在触摸屏设置相应的动力电机转速后，利用PLC实时采集动力电机实际正常运行的转速，再利用动力电机实际转速计算出相匹配地小拖板工进速度。动力电机测速参考控制界面如图8所示：

    4 结论

    根据大数据显示，劳动成本在工业制造业中变得越来越高[4]，全自动化越发重要，而本设备进过计算，数据确认与系统仿真后，确保设备使用安全性与功能完整性，能够完成大小拖板带动打磨设备进行长圆柱管道内壁高精度自动化打磨，能够高效，清洁地完成大量打磨任务，解决目前市面上对长圆柱管道内壁高精度、高稳定性打磨的问题，使生产与质量紧密结合;提高管道内壁打磨精度，解放人工劳动力;使用一体化可调节机械，使效率得到增高，节省生产成本;减少因质量而产生的企业纠纷和豆腐渣工程，使企业长远发展。

    参考文献：

    [1]张曙.工业4.0和智能制造[J].机械设计与制造工程，2014，43（08）：1-5.

    [2]严家琛.大口径金属螺旋管内壁焊缝自动跟踪打磨机器人的研制[D].东华大学，2017：8-10.

    [3]PETER I，ROMAN D，JUERGEN G.The Development of Intelligent Technical Systems by the Integration of Self-Optimization：2014 第三届国际新兴信息及通讯技术产业大会[C].中国辽宁大连，2014.

    [4]赵杰.我国工业机器人发展现状与面临的挑战[J].航空制造技术，2012，408（12）：26-29.

    *通讯作者：李兵（1979—），河南民权人，博士，副教授，主要从事机器人设计及运动控制，振动应用及减振。