智能控制系统在大管径管接头坡口加工中的应用

吴焱明，胡鑫，王磊，董相文

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009)

坡口机是一种对金属管道管口进行加工的机械，是管道换接修复过程中不可缺少的专业设备，它广泛应用于石油管道加工、城市地下管道铺设［1］等。针对大管径(大直径、大壁厚)工件坡口加工，高档设备多为进口，主轴采用变频调速系统或伺服系统，进给采用电液或液压伺服进给系统，价格昂贵［2－3］。而国内中低端坡口设备普遍存在柔性差、加工效率低、精度不高等问题，主轴一般采用三相异步电机、进给采用液压系统，以恒定工进速度进给，则随着切削刃与工件接触面积的不断增加，切削力也会相应增大，对刀具磨损、设备寿命和加工质量带来严重影响。因此，以较低的成本开发自动变速进给的坡口机具有现实意义和市场价值。

1 工作原理

为实现对常用的直管、直角弯头和T 型管接头工件进行坡口加工，设计了由左工作台、中工作台、右工作台和夹紧定位装置等组成的坡口机，其中左、中、右工作台呈T 型分布，每个工作台由伺服单元与主轴单元两大部分组成。伺服单元包括伺服电机、滚珠丝杠副、滑台以及3 个接近开关，主轴单元由三相异步电机、动力箱、刀架等组成。以单个工作台为例，如图1所示。工件由夹具装夹单元定位完成后，三相异步电动机通过皮带轮、动力箱带动主轴和刀架部分旋转运动;伺服电机通过滚珠丝杠带动滑台在导轨上运动，构成进给运动。检测到位传感器、正极限位置、负极限位置和原点位置如图1所示。滑台的进给速度和位移量由PLC 程序中的相关指令来控制。

图1 倒角机示意图

2 控制系统硬件设计

控制系统的硬件主要由PLC、触摸屏和伺服电机、三相异步电机等组成。采用伺服电机进给系统具有一定的优势，它具有进给精度高、低速性好、方便维护等特点，而且相比于一般的液压系统，其动态特性也比后者高一些［2－3］。系统采用伺服电机带动滑台移动，不仅能实现精确定位，还能随时调节滑台移动速度和方向。

根据系统需求，综合考虑PLC 的高速脉冲输出端口、I/O 点数、存储器容量等因素，采用台达［4－5］DVP-PLC 40 EH00T2(I/O 的点数40 个，输入24 个，输出16 个)及其输入输出模块DVP16HP。

系统的控制原理如图2所示。控制系统以PLC为中心，接收外界开关量信号，以触摸屏作为人机界面实现和PLC 双向通信，控制着夹具装夹单元、左中右3 个方向的主轴单元和伺服单元的动作。同时电机实际工作速度、工作位置等参数信息可以在触摸屏上显示出来。通过在PLC 内建立工件产品参数库，在触摸屏上进行相关的操作，很方便地实现对不同工件的选择加工。

图2 系统控制原理图

3 控制系统软件设计

通过对整个工作流程以及PLC 指令系统的分析，采用模块化结构思想［6］，将控制系统分为几个模块:手动模块、自动模块、参数设置、参数选择和报警模块。不同模块间的切换可由触摸屏上主界面的窗口来实现。功能模块如图3所示。

图3 倒角机系统功能模块图

各模块之间相对独立，综合考虑各模块间的逻辑互锁，保证加工过程中无论模块间如何切换，操作是否失误，也不会导致工件及设备的损坏［7］。比如在当前模块使用到的寄存器，如M、T、D 等，在该模块退出后，恢复到初始状态，特殊寄存器除外。

(1)手动模块。该模块为提供用户手动调试用，包括对左、中、右3 个方向伺服电机的前进后退及微调，左、中、右3 个方向的主轴启停，装夹定位单元的气缸夹紧及松开，回原点以及对3 个方向电机的位置显示和速度显示等。

(2)自动模块。该模块是在正常工作的模式下，为用户提供操作，包括自动的启动、停止和后退，对坡口方式的选择即单方向、两个方向还是三方向坡口，回原点以及对3 个方向电机的位置显示和速度显示。

如图4所示，在工件夹紧之后，按下该模式的“启动”按钮，滑台首先快速移动，当到位传感器检测到工件后，滑台开始减速前进，并在切削过程中进入智能工进阶段。在加工完毕后，经过短暂停留对工件表面进行抛光，然后系统自动退回到初始位置。

图4 坡口机工作流程图

到位检测传感器可以检测加工的起始位置，实现对任意长度工件的加工，又可以避免打刀现象的发生［6］。

操作者在发现故障或不想继续加工坡口的时候，可以按“后退”按钮，滑台自动返回;或者按“停止”按钮，使滑台停在当前位置。

在加工过程中出现故障时，系统会切断动力电源，保证设备的安全，同时在触摸屏上弹出一个窗口，实时显示故障原因;当设备在运行中遇到紧急情况需要停止时，也可用外部的急停按钮来切断动力电源。

(3)参数设置。该模块建立不同工件的参数库，方便对工件的加工。通过PLC 内的变址寄存器和触摸屏，存储多组产品型号的工作参数，每组参数包括:产品型号、左中滑台快进速度、左中右滑台快进距离、初始工进速度、工进距离、快退速度等。在实际的操作中，可以直接根据待加工工件的型号，通过触摸屏选取相对应的该组工件参数。

每种型号的产品对应着序号1、2、3、4、…，在文本框中输入该序号和前述的工作参数，利用PLC的变址寄存器把该组数据存储在PLC 内D 区某段区间里。在按下“确定”后才可以写入到PLC 的地址内。

(4)参数选择。在参数设置完毕后，根据产品型号，在文本框中输入它所对应的序号，在按下“确定”后，即把该组工作参数:快进速度、快进距离、工进速度、工进距离、快退速度、支管工进速度、支管工进距离，从参数库中调用出来，传到PLC内程序的存储器内，以供使用。

(5)报警模块。提供报警信息，包括报警原因和报警时间。当滑台在移动的过程中到达极限位置后，伺服电源会自动断电，同时触摸屏窗口会弹出报警信息窗口。

4 智能进给的实现

在对大壁厚、大直径的工件进行加工时，针对当切削刃与工件接触面增大时，电机负载也将随之增大的问题，采用在工作过程中，通过变速进给保证切削面积恒定的方法来控制切削过程中的负载。

图5 智能变速进给原理示意图

切削进给原理示意图如图5，到位检测传感器检测到刀具到位信号后，伺服电机就开始减速运行一段距离，并在工作过程中进入智能工进阶段。在切削过程中，背吃刀量api随着进给的进行逐渐增大的。通过下面的公式计算:

式中:Si为切削面积;fi为第i 次进给量;api为背吃刀量;yi为当前位置;y0为到位传感器感应到工件时的位置;α 为刀具切削刃与进给方向的夹角，也就是坡口角度。

在实际工作中，切削面积S2，S3，S4，…，Si，…保持不变，为一个常数C，那么当api变大的时候，进给量fi变小，进给速度变慢。由式(1)和(2)得:

其中:C 为Si的常数值，通过多次试验确定。

利用上述已知参数条件，通过编写PLC 程序，把单位进给量fi转化为脉冲数通过伺服驱动器来控制伺服电机转速，即可达到控制进给速度的目的。

5 结束语

采用PLC 程序模块化的设计思路，通过PLC 与触摸屏的结合建立各种工件的参数库，用户可以对参数库进行操作，在实际加工中，针对不同的工件直接调用，提高了设备的智能性。采用到位检测传感器自动探测到工件的实际尺寸，实现对任意长度工件的加工。在加工大管径工件时，采用自动变速进给的方式，避免了工作过程中负载对设备的影响，以较低的成本提高了加工质量。

【1】弓海霞，房晓明，孟庆鑫，等.管道坡口机技术现状及其发展趋势［J］.机床与液压，2004(12):1－3，49.

【2】苏红霞.数控无缝钢管倒棱机的研究与开发［D］.杭州:浙江大学，2007.

【3】房文伟.钢管自动倒棱系统的研究与开发［D］.杭州:浙江大学，2008.

【4】中达电通股份有限公司.DVP-PLC 应用技术手册［M］，2010.

【5】中达电通股份有限公司.DVP-PLC 编程技巧大全［M］，2010.

【6】吴焱明，伍斌，臧福海，等.基于PLC 的倒角机自动控制系统设计与研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2011(12):65－67.

【7】胡捷，邹优强.PLC 在钢管倒角机的应用［J］.机床与液压，2000(5):99－102.