摘要：針對金相試樣的特殊要求，對金相試樣的切割技術(shù)和磨削過程進(jìn)行了研究，采用機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計思想，對其整體造型、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，保證了金相試樣的切割質(zhì)量，提高了切割機(jī)的切割能力�？刂葡到y(tǒng)的核心采用PLC實現(xiàn)自動控制，采用變頻調(diào)速器實現(xiàn)了砂輪片轉(zhuǎn)速的無級可調(diào)，采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分調(diào)速技術(shù)提高了切割機(jī)的控制精度，增強(qiáng)了切割不同材料的適應(yīng)性。
關(guān)鍵詞：金相試樣 PLC控制 切割機(jī)
1 引言
金相試樣切割機(jī)主要用于金相試樣的截取和各種材料的下料、切口等，在冶金、汽車、航空航天等制造業(yè)中應(yīng)用極為廣泛。目前國內(nèi)缺乏大型的金相試樣切割機(jī)，對較大的零件例如汽車曲軸直接進(jìn)行取樣比較困難，根據(jù)試樣切割前后金相組織不變的基本要求，在滿足各種零件的切割效率同時，本文對大型金相試樣切割機(jī)進(jìn)行了設(shè)計與研究，最大切割直徑可達(dá)150mm，縱向切割范圍可達(dá)300mm，滿足了較大零件的截取和下料。
同普通機(jī)械行業(yè)中的金屬切割不同，切割金相試樣對保持原有組織狀態(tài)比較嚴(yán)格，即必須保證所截取試樣的金相組織與原部件組織一致，這就要求在截取試樣的過程當(dāng)中試樣受熱、受外力作用要盡量小，因為這兩種情況都會引起一定的組織變化。因此，在機(jī)械切割金屬試樣時要力求試樣溫度不超過150℃，使切口無過燒現(xiàn)象，試樣真實性好。金相試樣切取的方法可根據(jù)取樣零件的大小、材料的性能、現(xiàn)場的實際條件靈活的選擇。盡管有多種截取試樣的方法，但是在金相實驗室切取試樣的要求為：切割面比較光滑平整，截面與軸線的垂直度好，砂輪切割機(jī)適用性強(qiáng)，可以切割軟的金屬零件如銅鋁和較硬的金屬零件如淬火后的碳鋼、高速鋼；并可以切割超硬材料如硬質(zhì)合金、陶瓷等。另外，還要求切割速度快，勞動強(qiáng)度低，操作簡單、靈活，切取試樣尺寸準(zhǔn)確，大小適宜，切割成本低等優(yōu)點。根據(jù)以上要求，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有切割機(jī)的特點和優(yōu)點，開始研發(fā)大型切割機(jī)。
2 大型金相切割機(jī)機(jī)械設(shè)計
2.1金相試樣切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
本設(shè)計通過機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的思想對金相試樣切割機(jī)的機(jī)械主體部分進(jìn)行了分析與設(shè)計，機(jī)電一體化技術(shù)使傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計和改造有了新的思維方法和技術(shù)手段；而且信息處理技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)中必不可少的部分，一個機(jī)械系統(tǒng)實現(xiàn)計算機(jī)控制，具有信息處理功能，才能實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。電子裝置的有機(jī)融入，代替了復(fù)雜的機(jī)械裝置，使設(shè)計的金相試樣切割機(jī)比以往切割機(jī)在滿足工作要求的前提下，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可靠性和穩(wěn)定性高、自動化程度與生產(chǎn)效率高。
切割機(jī)為立式結(jié)構(gòu)形式，機(jī)械設(shè)備主要由動力傳動裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與卡具、冷卻系統(tǒng)、機(jī)體四大部分組成。根據(jù)工件運(yùn)動和砂輪片運(yùn)動形式可將金相切割機(jī)分為兩類，一類為工件運(yùn)動，砂輪片固定不動的切割機(jī)；另一類為工件固定不動，砂輪片運(yùn)動的切割機(jī)，而運(yùn)動又分為曲線擺動和直線運(yùn)動兩種形式�？紤]到切割時砂輪片的受力和工件的重量，所以切割機(jī)設(shè)計為當(dāng)切割較大工件時，砂輪片擺動而工件做往復(fù)運(yùn)動的形式；當(dāng)切割較小工件時，砂輪片擺動而工件固定不動的形式。
切割過程中，刀具可以上下擺動實現(xiàn)切割進(jìn)給，工作臺可以實現(xiàn)橫向和縱向的雙向移動以方便切割。砂輪片固定在切割軸上，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)過二級V帶傳動實現(xiàn)砂輪的高速旋轉(zhuǎn)。砂輪軸通過橫梁與2號軸相連，由步進(jìn)電機(jī)通過蝸輪蝸桿帶動橫梁上下擺動來實現(xiàn)切割進(jìn)給運(yùn)動，并可以調(diào)節(jié)切割進(jìn)給的距離�？紤]到砂輪軸的自身重量會增加蝸輪的負(fù)重而使得切割過程中產(chǎn)生振動影響切割質(zhì)量，在夾板上通過定滑輪設(shè)配重將重量平衡。主電動機(jī)為三相異步電動機(jī)，通過變頻器實現(xiàn)無級調(diào)速。工作臺由橫向絲杠和縱向絲杠帶動，橫向絲杠通過導(dǎo)塊運(yùn)動帶動工作臺移動。絲杠兩端分別安裝步進(jìn)電機(jī)和手輪，以滿足不同的切割要求。
箱罩上設(shè)推拉門方便取放加工工件，正面開透視玻璃以觀察切割進(jìn)程。在切割時，由于磨削阻力會產(chǎn)生大量的熱，因此需加冷卻液保證試樣的充分冷卻。為方便吊起整臺切割機(jī)，在底座的兩旁安裝吊環(huán)。工作臺下方安裝兩道篩子接取切割屑，底部安裝內(nèi)置水箱循環(huán)提供冷卻液。
2.2傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計
傳動采用V帶傳動，帶傳動是一種柔性傳動機(jī)構(gòu)，它特別適合于軸間距比較大的場合。帶傳動是機(jī)械行業(yè)常用的傳動方式，它能夠緩沖和吸振，運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲，應(yīng)用簡單。切割機(jī)系統(tǒng)中，主電機(jī)的功能為帶動切割片高速旋轉(zhuǎn)，由于帶傳動具有上述優(yōu)點，系統(tǒng)選用帶傳動進(jìn)行增速提高切割片的轉(zhuǎn)速。兩極傳動保證擺臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時不產(chǎn)生中心距的變化。
2.3冷卻系統(tǒng)的設(shè)計
為了保證切割前后試樣的金相組織不變，在切割的過程當(dāng)中必須對試樣冷卻，冷卻系統(tǒng)由水箱、冷卻泵、出水管、回水管、過濾網(wǎng)組成。在上電后砂輪片旋轉(zhuǎn)的同時，冷卻泵開始工作，把水箱中的冷卻液泵出，通過出水管噴射到砂輪上，冷卻液在高速旋轉(zhuǎn)的砂輪離心力的作用下，流向試樣的切割部位，使得砂輪和試樣同時冷卻。冷卻液通過過濾網(wǎng)過濾掉切屑后，由回水管流回水箱，節(jié)省了水資源，保證了切割質(zhì)量。
2.4進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計
由于大型試樣切割機(jī)具備了兩種切割模式，所以其進(jìn)給也包括兩部分，一是砂輪擺臂運(yùn)行到下限值，工作臺縱向運(yùn)動，帶動工件進(jìn)給，從而對夾持工件進(jìn)行勻速切割。二是砂輪擺臂運(yùn)行到切割部位，按要求進(jìn)行勻速切割，當(dāng)工件尺寸較大時，可采用砂輪臂間歇運(yùn)動，工作臺縱向進(jìn)給往復(fù)運(yùn)動，擴(kuò)大切割大型零件切割尺寸。而砂輪片的進(jìn)給則是由步進(jìn)電機(jī)通過蝸輪蝸桿帶動橫梁上下擺動，從而實現(xiàn)砂輪片的進(jìn)給。
2.5夾具的設(shè)計
試樣在切割過程中由于受到砂輪片的徑向力和摩擦力，所以試樣的夾具應(yīng)裝夾可靠，否則在切割時，不能保證試樣的垂直度，而且砂輪片易損壞造成危險。此外，夾具應(yīng)具有自鎖功能，裝夾方便。根據(jù)以上要求設(shè)計了一種快速夾緊夾具，其工作過程為：通過手柄推動夾具夾緊工件，然后旋轉(zhuǎn)手柄，使夾具產(chǎn)生一個作用于工件的力，從而實現(xiàn)夾具的自鎖。此夾具裝夾工作臺面上，隨著工作臺的進(jìn)給而運(yùn)動，切割時試樣受力均衡，可以防止截斷后毛刺的產(chǎn)生。而且操作簡單、裝夾方便，極大減輕了勞動強(qiáng)度，提高了切割的效率。
車間切割機(jī)
3 四軸大型金相試樣切割機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3.1控制系統(tǒng)總體方案的確定
在切割機(jī)控制系統(tǒng)主要以順序控制為主，大部分要求是開關(guān)量控制，控制系統(tǒng)的核心采用可編程序控制器(PLC)，這是因為：切割機(jī)的工作環(huán)境非常惡劣，在切割工件時，會有較強(qiáng)的振動、噪聲產(chǎn)生，而且由于需要冷卻工件，工作環(huán)境潮濕，由于PLC的輸入/輸出系統(tǒng)功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)于各種形式和性質(zhì)的開關(guān)量和模擬量信號的輸入和輸出；PLC的硬件結(jié)構(gòu)全部采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)大小規(guī)模不同、功能復(fù)雜程度及現(xiàn)場環(huán)境各異的各種控制要求，為控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計提供了方便、快捷的途徑，可以大大縮短整個系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試周期，節(jié)約系統(tǒng)投資；PLC維護(hù)操作方便，擴(kuò)展容易，具有較好的性能和較高的可靠性，能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下正常運(yùn)行，一般平均無故障時間可達(dá)幾萬小時以上，PLC具有較高的性能/價格比。另外，PLC還具有較完善的自診斷、自測試功能。所以采用可編程序控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。
3.2砂輪片速度調(diào)節(jié)
由于砂輪片的轉(zhuǎn)速對切割試樣的質(zhì)量影響較大，所以切割不同的試樣時，砂輪片應(yīng)具有不同的轉(zhuǎn)速。例如：切割硬度大試樣時砂輪片應(yīng)轉(zhuǎn)速較高；而切割銅、鋁等較軟的試樣時砂輪片轉(zhuǎn)速較低。為了凋節(jié)砂輪片的轉(zhuǎn)速必須對異步電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，這樣使得砂輪片的轉(zhuǎn)速范圍加大。通過變頻調(diào)速的電機(jī)可使砂輪片的轉(zhuǎn)速從0 —3400r/min可調(diào)。
3.3工作平臺橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給的速度調(diào)節(jié)
進(jìn)給動力主要是由步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，從而帶動工作臺的前后或左右移動。步進(jìn)電機(jī)的控制是由PLC來實現(xiàn)的，PLC產(chǎn)生兩路信號，一路為步進(jìn)脈沖信號 CP，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器每接收一個脈沖信號CP，就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角，脈沖信號CP的頻率和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，脈沖信號CP的個數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。另一路為方向電平信號DIR，當(dāng)DIR為高電平時，步進(jìn)電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)；相反，當(dāng)DIR為低電平時，步進(jìn)電機(jī)為逆時針旋轉(zhuǎn)。這樣，就可以通過調(diào)解PLC的輸出信號來精確控制縱向進(jìn)給的速度了。通過調(diào)整PLC的輸出信號就能控制工作臺的進(jìn)給位置，達(dá)到精確定位的效果。進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。
4 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
由于本控制系統(tǒng)中有一臺異步電動機(jī)，三臺步進(jìn)電機(jī)。可以使用單臺PLC進(jìn)行多個對象的控制，只要適當(dāng)?shù)倪x用高性能的PLC，就可以完全實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。所以采用如圖3所示的控制結(jié)構(gòu)：本系統(tǒng)中，PLC利用傳感器采集監(jiān)控電機(jī)、變頻器等有關(guān)的各類對象的信息，PLC經(jīng)過對輸入信息的處理，綜合采集器所獲得的信息，反饋控制監(jiān)控對象。另一方面通過對輸入和操作指令的分析、判斷、進(jìn)行綜合處理，輸出控制信號，實現(xiàn)對切割機(jī)的控制。同時對PLC采集的信息，對監(jiān)控對象進(jìn)行故障報警與參數(shù)顯示。其具有切割方式選擇控制，系統(tǒng)的啟動、停止控制，切割狀態(tài)的顯示，切割速度的顯示，事故報警顯示等。
系統(tǒng)中，當(dāng)選擇進(jìn)三退一的切割方式時，PLC對變頻器和驅(qū)動懸臂上下運(yùn)動的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出控制信號，且根據(jù)傳感器采集的信號自動調(diào)節(jié)變頻器的頻率，使得砂輪片的轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)切割時砂輪片受力的不同而改變。當(dāng)選擇逐層切割的方式時，PLC不僅對變頻器和驅(qū)動懸臂上下運(yùn)動的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出控制信號，而且對驅(qū)動X-向和Y-向運(yùn)動的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出控制信號，實現(xiàn)工作臺的往復(fù)運(yùn)動。其中變頻器能夠接收PLC輸出的模擬信號對其輸出頻率進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)砂輪的轉(zhuǎn)速；變頻器還具有完善的自我保護(hù)和電機(jī)保護(hù)功能，它能夠向PLC反饋自身的工作狀態(tài)信號，當(dāng)發(fā)生故障時，向PLC發(fā)出報警信號。
5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
切割機(jī)功能的實現(xiàn)離不開控制系統(tǒng)的軟件，而且軟件是控制系統(tǒng)的靈魂�？刂葡到y(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)主程序的設(shè)計和各個功能模塊子程序的設(shè)計，其中各功能模塊的設(shè)計主要有上位機(jī)與PLC之間通訊子程序的設(shè)計、變頻器控制程序設(shè)計、步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計、交流低速電機(jī)的設(shè)計等。
5.1控制系統(tǒng)主程序的設(shè)計
主程序的功能包括系統(tǒng)的初始化和系統(tǒng)的控制，由于切割機(jī)需要控制的對象較多，所以系統(tǒng)的控制部分比較復(fù)雜，它在接收PLC命令對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置后，還要根據(jù)要求切割過程完成輸入信號的循環(huán)監(jiān)控，并輸出不同的信號對系統(tǒng)的各個執(zhí)行部件進(jìn)行控制，使其協(xié)調(diào)工作，完成工件的切割。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。
5.2變頻器的控制程序
變頻器的控制實現(xiàn)砂輪片的無級調(diào)速，根據(jù)切割的狀態(tài)能夠自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。出現(xiàn)異常時能夠報警。系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。在切割工件時，首先，給定變頻器一個頻率值，如果頻率值超過50Hz電機(jī)將不能啟動，若頻率值在0—50Hz范圍內(nèi)時，電機(jī)開始以此頻率旋轉(zhuǎn)，切割過程中，如果有異常將報警，否則直至切割完畢停機(jī)。
6 結(jié)論
(1)切割機(jī)系統(tǒng)具備三種切割方式，直切、進(jìn)三退一和分層切割。使切割機(jī)能夠高效率的切割不同尺寸的零件，增強(qiáng)了使用范圍。選用砂輪片的下半部分切割，在砂輪片尺寸一定時，最大限度的提高了切割機(jī)切割能力。
(2)采用變頻調(diào)速技術(shù)對砂輪片的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實現(xiàn)了砂輪轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，保證了試樣的切割質(zhì)量。
(3)采用一種先進(jìn)的進(jìn)退刀自動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可方便的實現(xiàn)手動操作和自動功能。同時，可通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，減少了復(fù)雜的機(jī)械減速裝置，簡化了系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，提高了傳動效率。
(4)研制出一種操作方便的夾具，使得工件的裝夾可靠、方便、靈活，極大的減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度。
