机电一体化在数控坡口机技术升级中的应用

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现今应用广泛的各式各样数控机床，它是综合技术性很强的机电-体化设备，这些设备有-个共同特点，就是机和电共存，电为机服务 ，同时机也离不开电Il，设计合理的-台机电设备，它往往能非常好的做到机械和电气内容之间的相互融合。

中石油工程公司在生产海底作业管道时，需对壁厚 50mm的管道进行火焰切割，切割轨迹必须符合管道对焊时相贯线的要求，而且切割面的壁厚是随相贯线的变化而变化，由于目前国内外还没有这种技术成熟的通用型数控设备，所以，该工序采用了专门设计制作的数控切割坡口机。

2坡口机工作原理(枪嘴控制部分)切割需要的相贯线轨迹 ，其控制部分采用了成熟的三轴FANUC 0i Mate M数控系统目，分别控制钢管工件的轴向移动、钢管工件绕轴线的旋转运动以及枪嘴的旋转运动。工作时。先按图样要求编辑切割程序，输入运行程序后，CNC控制伺服直线轴进给，使得钢管工件沿轴向移动的同时，CNC控制伺服回转轴带动钢管工件进行旋转，从而实现钢管工件相贯线切割轨迹的控制要求，但由于钢管工件的壁厚为50ram，垂直轴线方向切割会使得后续的钢管之间沿相贯线焊接加工带来问题，所以，切割程序按照现池制要求，CNC还得控制另-伺服回转轴带动枪嘴进行来稿日期：2012-09-24基金项目：天津市自然科学基金项目(12JC2DJC27200)作者简介：何四平，(1969-)，男，湖南邵阳人，副教授，主要研究方向：机械制造 、数控机床安装调试与维修方面的工作160 何四平：机电-体化在数控坡口机技术升级中的应用 第7期旋转运动131。火焰切割是利用可燃性气体在枪嘴出口处燃烧产生的高温，来熔化接近高温区的金属工件材料，以达到火焰切割的目的。理想的切割状态应让火焰中心(温度最高区)部分处在切割材料表面，如果离得太近或太远，都会影响到熔化金属材料的效果，所以，该设备需要控制枪嘴离钢管工件的距离。这部分的工作原理，如图1所示。枪嘴和位移传感器通过连接件连接在-起，当FANUC 0i Mate M数控系统根据加工程序要求控制伺服电机带动枪嘴进行旋转时，它会导致枪嘴离钢管工件距离发生改变，另- 方面，位移传感器检测到，因钢管工件表面凹凸不平而导致的枪嘴离钢管工件表面的距离发生改变，这个模拟量输入信号由PLC处理后，控制直流电机带动丝杆螺母，从而达到实时调整枪嘴与钢管工件的距离稳定在正常需要的范围内。

连接件 伺服电机直流位移传感器图 1数控坡口机枪嘴控制部分结构Fig.1 Structure Diagram of Gun Nozzle Control Partfor CNC Beveling Machine3存在的问题该设备第-次出现故障时，因为切割面出现波纹现象严重，现场维修的技术人员判断位移传感器有问题，所以，采取了更换位移传感器的方法。安装调试好新的位移传感器，使用时间不长，又重复出现原来的故障。由于钢管工件的外圆面为轧制钢板卷曲而成的毛面，定位误差大，从而使得钢管工件旋转时，火焰枪嘴到钢管表面的距离出现没有规律的变化；另-方面，在枪嘴根据相贯线要求进行旋转，枪嘴离钢管工件表面距离也会发生改变。这些因枪嘴离钢管工件表面的距离发生改变的因素，会导致切割面形成波纹，而后面的自动焊接设备对切割面的要求较高，如果切割面的波纹现象严重，就会给后面的自动焊接工序带来不良影响。

4解决方案在实际应用中，位移传感器采用的是 zKL--A单电源电压高精度型[41，它是通过测量杆位移的改变转换成电压变化的信号，传送给PLC模拟量处理拈，PLC根据这个输入信号来进行处理。PLC处理开关量等逻辑信号具有先天性的优势，对模拟量信号的处理大大影响了PLC的扫描周期，而且使用的这款位移传感器，其灵敏度较高，这就使得PLC的输入信号和输出信号在节拍控制上容易出现偏差，这也是专用数控切割坡口机经常出现问题的主要原因。其次，这种类型的位移传感器在使用上，它要求采用纹波噪声小的电源，否则测值会出现不稳定的情况，而现场实际所采用的电源确有偏差；它还要求被测点的运动轨迹旧能与传感器测杆轴线平行 ，而实际在钢管工件的旋转过程中，由于钢管外圆为未经加工的毛面，定位误差大，使得外圆面的径向跳动大，被测点在沿传感器测杆轴线方向运动的同时，与传感器测杆轴线垂直方向也出现小幅的移动，这些都导致了切割面出现的波纹现象严重。

为了不影响生产，决定采用机械方式来实现对枪嘴与钢管工件的距离进行稳定控制，替代 PLC程序用位移传感器实现枪嘴与钢管工件距离进行控制的方式，基本思路是：(1)撤掉位移传感器，并对 PLC程序进行修改 ，在位移传感器输入信号的后面加上常零信号，这样就能使得位移传感器控制枪嘴进给电机的语句不再起作用，但还得保留手动按钮控制枪嘴电机输出的语句行。

(2)加工-根枪嘴同步杆，把它与枪嘴固定连接，它们是通过弹簧(压簧)与连接件进行位置调整，移动时，沿导轨方向进行[51，基本结构，如图 2所示。同步杆前端与工件接触，此时，变化的工件表面使得同步杆移到到哪里，枪嘴就跟着移动至哪里。

分析原来所用位移传感器，因其前端触头球面半径值较小(2.5mm)，在接触钢管工件凹凸不平的表面并进行移动的过程中，其误差使得PLC对这个输入信号产生影响，产生的这种波动让枪嘴距离钢管工件表面的距离发生改变，这也是导致切割面形成波纹的-个原因。基于现场的生产情况，所以，把枪嘴同步杆的前端做成半径为 lOmm的球面，如此，也可从-定程度上消除因钢管工件表面凹凸不平带来的误差。

操作时，按钮控制电机进给到弹簧压缩-定量的位置(该位置只要能保证坡口机切割工作过程中，让枪嘴同步杆始终与钢管工件接触即可)，然后就能运行加工程序，当数控系统控制钢管工件沿轴向进给和绕轴线旋转时，由于工件表面凹凸不平造成枪嘴离钢管工件距离的变化，就由枪嘴同步杆实时补偿调整t61。

直流连接件 导轨 弹簧同步杆图 2改造升级结构不意图Fig.2 Schematic Diagram of the Structure Transformation and Upgrading5关键技术故障诊断的思路是正确的，但由于惯性思维的作用，第-次解决时，脱离不了原来控制模式的影响，电气控制的问题还是用电气控制的方式解决，没有意识到枪嘴运动的不稳定是由于位移传感器的高精度造成的。设计初期，考虑到选用低精度位移传感器满足不了切割精度的要求，所以，才采用了高精度的位移传感器，可以说，这个问题是由于设计上的缺陷造成的。基于现池制要求，切割精度高，还要枪嘴运动稳定，所以，在解决这个问题时，打破原来机械和电气的明显界限，采用稳定的机械控制方式替代原来设计的不稳定的电气控制方式，把机械和电气内容融合在-起，从结构上进行改进升级，效果很好。 (下转第 163页)NO.7July.2013 机 械设 计 与 制造 163；(依次对其余各轴的定位精度及重复定位精度进行测量)AUSWERT：： 舢 轴 X-AXIS 扣 籼 乖宰IF ABS(R1 1)>R61MSG(”MEASURE X-AXIS IS NOT OK”、-ERRORIMOEIJSEMSG(”MEASURE X-AXIS IS OK”、M0ENDIFMSG(”、；(依次对其余轴的定位精度及重复定位精度进行判断)M175检测结果说明因此 ，当加工-件公差要求比较严格的工件时，使用雷尼绍球杆仪测量标准块，能够很高精度的获得机床的定位精度及重复定位精度，从而决定机床是否可以正常加工工件，此种方法只需操作者运行预定程序即可，操作简单，检测效率高，检测结果直接显示在屏幕上，直观易懂，能够有效的避免非常昂贵的加工件变为废品的风险，当检测结果显示为NOTOK”时，操作者只需通知工程技术人员解决相关问题即可。同时标准检测块制造费用低，安装方便，该方法可为同行业提供较好的参考。