小型摩擦衬片制样机的数控化改造研究*

李增松 邓景泉 王 波 郑凯旋

(滁州学院机械与汽车工程学院 安徽滁州 239000)

摩擦衬片制样机是一种在生产或研制刹车片、闸瓦等摩擦衬片时经常用到的设备，一般借助于制样机对热压成型后的摩擦衬片进行切割加工，从而获得适用于摩擦试验机的标准试样块。以XDZ-A型摩擦衬片制样机为例，三相异步电动机驱动金刚石刀片、精磨砂轮旋转，借助于金刚石刀片的旋转运动对摩擦衬片毛坯进行初次切削，借助于精磨砂轮的侧面完成对摩擦衬片的磨削。然而，此类试验机停机后，在三相异步电动机的带动下精磨砂轮仍有数圈的空转，极易造成摩擦衬片的尺寸过小，不能满足试验机的安装要求。例如，胡东阳[1]在制备磁性提升机闸瓦时曾指出，在对热压成型后的闸瓦毛坯进行切割时，尤其要注意对磨削时间的控制，以防闸瓦样片过小；张庆金等人[2]则指出生产制动摩擦材料时，磨削速度对于制动摩擦材料性能有着非常重要的影响；刘金革[3]也在研究汽车盘式制动器用摩擦衬片时，指出了制样机空转对摩擦衬片尺寸大小具有一定程度的影响；等等。

为此，文章以PLC为控制单元，尝试对小型摩擦衬片制样机进行数控化改造，以期实现摩擦衬片制样机数控化的准确停机，提高制样机的控制及加工准确度。

1切割工艺分析

摩擦衬片的切割多见于研制衬片时，需将热压成型的摩擦衬片切割成与摩擦试验机夹具相吻合的尺寸规格，以实现对试制出的摩擦衬片进行性能检测。例如，X-DM型摩擦试验机所配用正方形试样，需借助于XDZ-A型摩擦衬片制样机，将试样边长l在24.8-25.0mm范围内、厚度d在5.8-6.2mm，如图1所示[4]。

图1 XDZ-A型摩擦衬片制样机

试样的切割加工过程主要包含刀片切割、砂轮磨削两个工序过程。其中，金刚石刀片的切割为粗加工过程，旨在将摩擦衬片坯料初步切割为正方形；然后，借助于精磨砂轮的侧面和右侧磨削平台上的夹具，将摩擦衬片磨削至规定尺寸。显然，在精磨阶段如若磨削圈数过多，将使得摩擦衬片过小；而如若磨削圈数不足，则使得摩擦衬片过大而无法在摩擦试验机上进行安装；故磨削圈数(磨削行程)对摩擦衬片试样尺寸的影响至关重要。然而，由于此类摩擦衬片制样机为普通三相异步电动机驱动，当按下停按钮切断电源后，电动机在惯性作用下仍然会有数圈空转，进而带动精磨砂轮也会旋转数圈，造成摩擦衬片过多磨削，尺寸小于规定值。

不同组分的摩擦衬片需要的磨削速度往往有所差别。摩擦衬片的磨削速度过高时，可能会导致衬片的磨削表面温度过高，诱发某些组分发生物理化学变化，甚至造成衬片失效。因此，磨削速度的调节功能对于小型摩擦衬片制样机也是必要的。

2 小型摩擦衬片制样机的数控化改造研究

2.1 数控化改造设计

针对上文所述的精磨砂轮在断电停机后仍有数圈空转，进而导致摩擦衬片试样被磨削得过小的现象，文章初步采用PLC控制、步进电动机驱动的技术方案对其进行数控化改造，以期实现精磨砂轮的及时准确停止，其PLC主机的输入/输出端口分配如图2所示。

图2 PLC的输入输出端口配置电路图

由文献[5]可知，步进电动机的角位移与电脉冲数成正比，步进电动机的转速与电脉冲频率成正比，故对磨削转速、磨削圈数的控制实际转化为对脉冲频率、脉冲数量的调节与控制。对无石棉类摩擦衬片而言，精磨的磨削速度一般为2400 r/min，磨削时间为60s，且考虑到所选步进电动机的步距角为60°，对应地，控制脉冲的频率和脉冲数量分别为 240Hz、14400个。另外，步进电动机的工作的工作过程一般包含“加速→恒速(高速)→减速”3个阶段，其控制脉冲也应以三段式定义脉冲包络表。以转速2400 r/min为例，其控制脉冲特征如图3所示。

图3 步进电动机控制脉冲特征示意图

西门子PLC主要通过PLS函数盒生成控制脉冲，并借助于三段式包络表设定脉冲数量及脉冲频率，部分程序如图4所示。

图4 典型混料工艺中步进电动机控制程序框图

另一方面，当因摩擦衬片的组分不同而需设定不同的磨削速度时，则可通过再次装入其他速度对应的包络表参数，以控制步进电动机以其他指定速度进行磨削。对应的PLC控制流程如图5所示。

图5 调速磨削过程的PLC控制流程图

文章借助于TD200的过程参数显示和修改、输入输出存储器读写的功能，将原本需在程序中内置的磨削参数转为用TD200进行预先输入控制。即试验前，各磨削速度及磨削时间所对应的三段式脉络表通过TD200进行设定，以实现不同转速下的衬片磨削过程。具体PLC程序在前述2400r/min、60s所对应控制程序的基础上，增加与TD200对应的转存寄存器即可。

2.2设计检验

借助于如图6所示的THSMS-A型综合试验系统，文章对上述小型摩擦衬片制样机磨削的数控化程序进行了检验。结果表明，文章所设计的磨削工序控制程序可实现对磨削驱动电动机磨削速度、磨削时间(磨削圈数)的准确控制，满足摩擦衬片的制样要求。

图6 基于THSMS-A型综合试验台的设计检验示意图

3小结

针对摩擦衬片的切割工艺过程，对切割工艺过程所包含的切割、磨削等两个工序过程进行了分析，并指出了磨削速度、磨削时间(磨削圈数)对摩擦衬片尺寸规格的影响；以PLC为控制单元，步进电动机为磨削驱动电机，对摩擦衬片制样机的磨削控制进行了数控化改造，并借助于试验台对其进行了验证。结果表明，文章所设计的磨削工序控制程序可实现对磨削驱动电动机磨削速度、磨削时间(磨削圈数)的准确控制，满足摩擦衬片的制样要求。