功率監控在機床中的應用

　　在切削過程中，由于機械摩擦和熱效應等作用，刀具會產生磨損，這種磨損少則使刀具的幾何形狀受到改變，大則使刀具刃口燒壞，甚至崩落。當磨損到一定程度時必須重磨，否則將影響工件的尺寸精度和表面粗糙度，降低產品質量，甚至報廢。而對于尚能切削的刀具，若磨刀過于頻繁，又使機床生產率降低、刀具材料的消耗加劇、勞動生產率下降，生產成本增加。為此，機床操作工人必須在切削過程中，不斷地對刀具的磨損加以監視，及時換刀、磨刀，才能克服上述弊病。這對于一人看管多臺自動化機床操作的工人來說，要求是很苛刻的。
　　當前，靠人工監視刀具的磨損已遠遠不能適應自動化機床及自動化程度日益提高的要求，實現刀具磨損的自動監控是完善機床自動化、實現無人化必不可少的重要部分。國外對此已進行了大量的試驗研究，日本、德國、美國、英國、荷蘭等國已把刀具磨損的自動監控技術應用于實際生產中。
　　據國外資料介紹，在加工中直接和間接檢測刀具磨損的方法多達數十種。近年來，我們對刀具磨損自動監控的功率檢測法及主軸軸向力檢測法等進行了試驗研究，已研制出功率監控保護裝置——電腦功率監控器，現已廣泛地投入使用。
　　1 功率監控原理
　　本功率監控裝置是運用電動機的功率檢測法原理工作的。即當機床進行切削時，隨著刀具的磨損，機床主軸電動機的負荷及其電流，電壓與電流間的相位置角將發生變化，導致功率改變。利用這一變化規律可實現對刀具磨損折斷的微機動態在線自動監控。當功率改變到一定數值時(即刀具磨損到應重磨的程度)，自動檢測監控裝置發出報警信號，刀架自動退出，機床自動停止運轉，操作工人即可及時換刀、磨刀和排除故障。
　　本系統還可通過監控電動機功率來間接監控主軸扭矩的大小，達到定扭矩監控。圖1是本裝置的電氣原理方框圖。工作原理如下：
　　經過機床主驅動電動機的由電流傳感器、電壓傳感器檢出電流、電壓信號，經低通濾波器后分別進行波形變換、整形，獲得兩個可調節的方波脈沖和直流電平信號。兩個方波和直流信號送入到單片機的a/d轉換器變成數字量信號，經過單片機的cpu進行比較，得到電機的功率值，再與預定的功率閾值進行比較達到自動監控。功率的檢測是通過單片機進行動態采樣運算，用熒光數碼管顯示出所檢出的功率值。另一路輸出控制電路、延時器，報警器、停機控制電路發出刀具磨損報警信號并使機床自動停止運轉。對于不同的刀具、工件材料以及切削用量參數，可以靠預定值撥碼來加以設定。在自動化機床、自動線上加工一批工件時，往往使用確定的工件材料、刀具和切削用量，所以只要在試切削時調整好上述參數，就能在以后的加工中確保刀具磨損時自動報警和停機。
　　2 電機功率檢測的監控處理
　　電機功率是通過電流傳感器、電壓傳感器經過單片機檢測運算得出電機的輸入功率，是各種損耗功率與切削功率之和。
　　pl＝pf+pc
　　式中 pl——電機輸入功率
　　pf——各種損耗功率總和
　　pc——切削功率、包括切削狀態各種信息
　　pf＝pi+pa
　　pi——空載損耗功率
　　pa——與負載有關的附加損耗功率
　　pa＝a·pc
　　a——損耗功率系數
　　則
　　pl＝pi+(1+a)pc
　　通常在刀具鉆頭磨損中是基于(1+a)×pc進行處理的。大量試驗證明，pi在切削過程中是緩慢波動的，尤其是機床達到穩定切削狀態之前(開機空載預熱2h或加載切削40min，機床進入穩定狀態)，波幅可達±20%，這樣計算pc時pi必須實時檢測。研究表明依賴于動力傳遞路線和機床潤滑狀態，也在一定的范圍內變化，通常可以對其有限變化略去不計。對功率數據的檢測監控是基于凈切削功率值時進行的。
　　根據刀具常規磨損曲線可知。如果在刀具的有效壽命內保持恒定的切削參數，那么整個切削過程的凈功率值曲線(如圖2)與刀具磨損曲線是一致的，如果中途改變切削參數(如圖3)就會引起功率信號幅值變化，給磨損監控帶來干擾。
　　a點是切削起始點(以切削參數①開始切削)；b點切削參數從①變化到②；c點切削參數從②變化至③。
　　有：
　　dp21=p+b-p-b
　　dp32=p+c-p-c
　　式中 p+b——切削參數②下初始點功率值
　　p-b——切削參數①下終點功率值
　　p+c——切削參數③下初始點功率值
　　p-c——切削參數②下終點功率值
　　dp21、dp32——切削參數變化時的功率突變值
　　實際實現時，p+b、p-b、p+c、p-c均取為若干點平均值。
　　在切削參數不變的情況下，經過一定的時間，當刀具的磨損功率達到預定的功率值時，就可進行檢測來判斷刀具的是否磨損；如果切削參數改變，則預定的功率值就得在此種切削參數下進行試驗，得到所需的功率值。
　　3 實際應用
　　南京依威柯汽車有限公司的曲軸斜油孔加工機床上采用了電腦功率監控器保護鉆頭。該機床電控系統采用德國西門子公司生產的工業plc為主控制單元。將電腦功率監控器的輸出信號接入plc的輸入端，用軟件即可實現其控制功能。該機床采用監控器來實現刀具過扭矩保護，監控器檢測主軸電機功率值，主軸電機型號為y90l-6b5，功率為1.1kw，因此選用監控器控制容量為1.1kw。監控器的輸出信號常開點接plc(輸入點)，通過設計軟件梯形圖實現滑臺快退，監控器測量啟動開關接點接plc(輸出點)，用軟件實現監控器的延時功能，用于保護電機啟動時大電流對監控器的沖擊，以免產生誤動作。
　　在實際機床中，將主軸電機的任一相串接至監控器的電流端，任兩相并接至監控器的電壓端。監控器的繼電器輸出端接至plc基本單元的輸入端，監控器的測量開關接點接至plc單元的輸出端。
　　機床主軸啟動后，延時1秒，plc輸出接測量開關接點接通，監控器開始測量，投入監控保護狀態。當由于某種原因過扭矩時，監控器繼電器輸出端兩點接通，pcl發出指令，將滑臺快退。
　　監控器預定值的設置是通過反復試驗得到的，首先設置值比正常工作值稍大一些，經過試驗最終得到比刀具破損點的數值略小。若工作過程中出現異常超值現象，則機床滑臺快退。操作者可分析是工件過硬還是刀具變遲鈍，以便及時處理。該機床投入使用后，運行一直良好。
　　4 結論
　　通過功率監控器在曲軸斜油孔加工機床的使用可看到：槍鉆、槍鉸和其它鉆床刀具的折斷、機床刀具的磨損破損監控、扭矩控制等都可采用這種方式進行監控保護，在實際中也得以驗證。因此，在機床中可以使用功率監控，其監控器具有廣泛的應用價值。