远程智能型充退磁控制器的研发与应用

熊晓光   471039  洛阳LYC轴承有限公司生产安全部

摘 要  远程智能型充退磁控制器，是在日益突出的高精度机械加工业对生产设备品质的渴求中应运而生的。全数字化的设计，迎合了追求精品加工、制造的精准性需求；智能化的设计，将原来需要专业掌握的技能变得大众化；独有的远程控制盒、友好的人机界面、一键式的操作、所见即所得等产品品质要素，都充分体现了以人为本的设计理念。

关键词  远程智能型  充退磁控制器  研发  应用   

1 概述

在机械加工特别是轴承制造业生产中，大量使用了(矩台、圆台)平面磨床，轴承内园、内滚（沟）道、外滚（沟）道磨床，它们在工况下装夹工件的装置分别是电磁吸盘和电磁无心夹具。这类磨床在工作中，电磁吸盘（或者电磁无心夹具，以下同）在通电情况下产生磁力，工件在磁力的作用下，被吸附在电磁吸盘上进行磨削加工。加工完毕，断电去除磁力，工件被取下或者通过机械手使其脱落。

2 电磁夹具的优点

使用电磁夹具对工件没有损伤、工件装夹方便、加工效率高、在相同的设备技术状况下，可提高产品的加工几何精度。

3 电磁夹具系统构成

基本系统构成是：电磁吸盘或电磁无心夹具＋电磁控制电路。根据生产实践，影响这类电磁夹具优点发挥的核心问题是电磁控制电路设计所建立的数学模型及控制精度。

4 电磁吸盘磁力控制装置必须满足的要求

 （1）为了适应不同的加工工艺的要求，要求磁力稳定且大小连续精准可调，可重复性好。对于精度要求比较高的加工工艺，尤其重要。

    （2）工件加工完毕，工件与电磁吸盘的残磁量应该尽可能的小（残磁量≤1MT），使得工件与电磁吸盘上对磨削末的吸附力降到最低，有利于磁盘和工件上磨削末的清理，减少残存磨削末对后续加工的精度影响。同时，较小的残磁量，也使得工件易于和磁盘分离，减少磁盘拉伤，延长磁盘的使用寿命。

（3）磨加工时的特点是环境比较恶劣，机床电器易被磨削液、雾气腐蚀，磁盘容易发生引出线短路、对地漏电以及磁盘绕组绝缘性能下降的现象。这些故障，极易导致电磁吸盘控制装置的损坏。所以，电磁吸盘控制装置应该具备防短路、防漏电能力。

（4）使用方便以及友好的人机界面，最大程度降低人为因素的影响，实现智能控制。

5 电磁控制电路现状

    目前，电磁吸盘和电磁无心夹具主要有两大类型控制电路：调压器电路与充退磁控制器。

5.1 调压器电路

    调压器电路通常由调压器、整流二极管、接触器等组成。工件加工时，交流电压通过调压器、整流电路等为电磁吸盘提供大小可连续调整的直流电流。加工完毕，由接触器控制停止向电磁吸盘供电，或者向电磁吸盘提供瞬间反方向电流，以抵消一部分充磁磁场。其电路简单、成本低廉、能承受较大的漏电电流。存在问题是：

    （1）能源浪费大。由于能承受一些漏电，使得磁盘漏电现象不易被及时发现，机床经常带病工作，导致能耗增加。

    （2）磁力稳定性差。充磁电流容易受到电网电压波动的影响。

（3）磁力调节精度与可重复性差。受调压器以及电流表的指示刻度的限制，尤其当要求以微弱电流充磁时，调压器的调节精度难以保证，因此磁力大小的可重复性也差。导致反复调整，生产效率较低。

    （4）残磁大。退磁性能无从谈起，磁盘和工件残磁极大。需要施以较大力量甚至于要撬、敲，才能将工件取下。对磁盘的损伤极大。

5.2 充退磁控制器

    充退磁控制器比较好的解决了调压器电路存在的问题。它输出电压连续可调且比较稳定，退磁时，控制器输出极性交替变化、强度逐步衰减到零的交变电压。经过控制器的退磁运行，磁盘和工件的残磁也下降了许多，有的充退磁控制器也具备了漏电、短路的保护功能。但在使用中发现，现有的电磁吸盘充退磁控制器，一般都存在一些问题需要改进。多数问题在进行高精度磨加工时尤为突显：

    （1）充磁磁力调整精准性问题。充退磁控制器一般使用电位器进行磁力调节，充磁电流值由电流表指示。由于是连续可调，受电流表指示刻度的分辨率的限制，当要求磁盘吸力比较精准时，不易调整。同理，可重复性就差。操作者经常是凭借手感与经验来感知吸力大小是否合适。要求操作者具有比较丰富的操作经验。产品质量与生产效率受到操作者经验的制约。

    （2）温度漂移问题。充退磁控制器的调磁电路一般由模拟电路组成，其间含有半导体器件，通常都不可避免的存在因温度漂移而导致磁力变化的现象。当充磁电流比较大或者对磨加工精度要求不太高的情况下，小范围的温漂尚可容忍；但是当进行高精度磨加工时，微小的磁力变化会直接影响到加工精度，导致工件尺寸超差甚至报废。

    （3）退磁性能问题。在整个充磁电流可调节范围内，现有的充退磁控制器的退磁性能，一般都会随着充磁电流的减小而变差。当以微小磁力磨加工时，加工后的退磁性能下降，残磁较大，需要使用较大的外力取下工件，易导致工件变形。尤其对于薄壁工件是难以接受的。

    （4）退磁性能调整问题。影响退磁性能的因素有很多。对于不同的电磁吸盘，充退磁控制器一般需要配合调整两个或两个以上的参数，使得退磁性能达到最佳效果并且退磁时间最短。由于至少两个参数需要配合调整，来反复寻找其最佳配合点，所以非专业人员不易较快调整到位。在实际使用中，因调整不当而导致退磁效果下降的现象屡见不鲜，影响到充退磁控制器的性能的充分发挥。

6 远程智能型充退磁控制器研制的必要性

6.1 电路设计方面

    由于普通充退磁控制器不能实现充磁力的精准控制及低残磁，因而无法满足高精度产品的磨加工要求，致使许多高精度产品在磨加工时不能采用高效、高精度的电磁无心夹具或电磁吸盘，已严重影响到可使用这类夹具磨床或产品的加工效率和加工精度，无法有效降低产品加工成本，从而失去市场竞争优势。

6.2 操作方面

    从整个机加工行业情况来看，目前有经验的设备操作者已经越来越少，而普通充退磁控制器要求操作者具有比较丰富的操作经验，产品质量与生产效率与操作者的经验严重正相关。

7 远程智能型充退磁控制器的研制

    远程智能型充退磁控制器，是在日益突出的高精度机械加工业对生产设备品质的渴求中应运而生的，远程智能型充退磁控制器是基于高精度的磨加工要求而研制的。

7.1 远程智能型充退磁控制器的构成
远程智能型充退磁控制器=智能型充退磁控制器+远程控制接口。远程智能型充退磁控制器是通过远程控制盒调节磁盘吸力的，其组成如图1所示。远程控制盒安装在机床的操作面板上，智能型充退磁控制器安装在机床电箱里，两者通过通讯线连接。

图1

7.2 智能型充退磁控制器

    为了从根本上解决目前普通充退磁控制器所存在的技术及操作问题，则必须进行反复的试验（历时4年），在大量试验数据的基础上建立新的数学模型，并据此设计控制电路。在控制电路设计方面，采用了数字化设计。全面数字化的设计，是控制器控制精准性的基础保证，同时也为控制器智能化控制提供了实现条件。智能化的设计，将原来需要专业掌握的技能变得大众化；友好的人机界面、一键式的操作、所见即所得等产品品质要素，都充分体现了以人为本的设计理念。智能型充退磁控制器的结构如图2。智能型充退磁控制器的特点如下：

    （1）宽适应性。控制接口与现有的各种电磁吸盘充退磁控制器高度兼容。可以替换现有的任何一种电磁吸盘控制器。

图2

    （2）独有的远程控制功能。与充退磁控制器远程控制盒配套使用，可以在磨床操作面板上直接显示与调整充磁电压，以及控制电磁吸盘的充磁、退磁。

    （3）真正的数字化调磁功能。与充退磁控制器远程控制盒配套使用，实现远程数字化调整充磁电压，彻底解决了电位器调磁存在的温度漂移难题。数字化调磁，特别能满足磨床以微小磁量吸附工件，进行高精度磨削加工的要求。从而为有效提升磨床的精细加工性能提供基础。

    （4）调整方便。设计了一键式的调整方法：充磁电压的高低与退磁效果的强弱均采用单组＋、－按键调整。

    （5）显示直观。控制器的面板上安装有数值显示窗和工作状态指示灯，各种工作状态以及参数的调整直观显示，极大的方便了用户。

    （6）控制方式灵活。既可以使用“一刀三掷”类型的开关分别实现充磁、待机、退磁，也可以使用单开关控制充磁、退磁；既可以在控制器面板上调节充磁电压（电流），又可以通过外接电位器或者充退磁控制器远程控制盒进行远程、快速调节充磁电压。

    （7）用户可以自行设定它的最高输出电压和退磁效果的日常调节范围，以适应不同的磨床的要求并且最大程度上减少备件储备。

    （8）具有强磁充磁和弱磁充磁控制的分别调整设定功能。并且在磁盘充磁过程中可以快速切换。特别适合需要频繁并且快速切换磁力的加工工艺要求。（强磁与弱磁的定义，仅仅是为了方便识别两种不同的设定充磁电压，控制器不对其数值之间大小的关系进行限制）

    （9）磁盘吸力调整精度高。当充磁电压在100V以下时，调整精度为0.1V。特别适合高精度磨加工的需要。

    （10）智能型充退磁控制器具有智能化实时处理退磁过程相关参数能力。极大程度减少了人为因素对退磁效果的影响。

    （11）残磁量小。即使在充磁电压很低的情况下退磁，退磁后磁盘与工件的残磁都很小并且稳定。

    （12）具有高灵敏度的输出电流传感器。（用于磨床的失磁保护控制电路）

    （13）具备优良的自身保护性能。能承受电磁吸盘绕组线间短路、对地短路。

7.3 远程控制盒

    以往，电磁吸盘控制器一般安装在远离机床操作面板的电箱里。为了便于磁盘吸力的调节，在机床操作面板上安装有调磁电位器。调磁电位器阻值的变化，通过控制器内的模拟电路接口使控制器输出的充磁电压得到控制，从而调整了磁盘的吸力。

远程控制盒是数字化的、同时兼备数值显示与操作按键的人机界面。它的存在，使智能型充退磁控制器解决了“温度漂移”难题，实现了可视化的远距离精准调节。同时将以往的操作经验以数值形式量化，为实现生产工艺的数字化提供了基础。

    远程控制盒安装方便，正面有防水设计。正面由显示部分与按键组成。有控制器工作状态显示和数值显示两部分。按键有磁力调节、强弱磁档位设定、充退磁按键。背面有连接智能型充退磁控制器的通讯线和连接充退磁控制开关的接线端子。

    通过远程控制盒的操作，可以直接调节智能型充退磁控制器的输出电压以及充退磁运行控制。远程控制盒的状态指示灯、数值显示窗与智能型充退磁控制器同步显示。

    远程智能型充退磁控制器已经与天津市精机磨床有限公司所生产的高精度卧轴圆台平面磨床配套，且与诸多轴承设备生产厂家配套问题进行了洽谈，在（圆、矩台）平面磨床及多种轴承磨床改造上，已有20余家生产单位安装使用。从各生产厂的应用情况来看，该系列充退磁控制器安装容易，运行可靠，故障率低，磁力稳定，退磁效果好，使用方便，显示直观。深受广大一线操作人员及厂家的欢迎。