摘要：針對(duì)金相試樣的特殊要求，對(duì)金相試樣的切割技術(shù)和磨削過(guò)程進(jìn)行了研究，采用機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，對(duì)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(jì)，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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，采用變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)了砂輪片轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)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(chē)、航空航天等制造業(yè)中應(yīng)用極為廣泛。目前國(guó)內(nèi)缺乏大型的金相試樣切割機(jī)，對(duì)較大的零件例如汽車(chē)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(mǎn)足各種零件的切割效率同時(shí)，本文對(duì)大型金相試樣切割機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，最大切割直徑可達(dá)150mm，縱向切割范圍可達(dá)300mm，滿(mǎn)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(duì)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(guò)程當(dāng)中試樣受熱、受外力作用要盡量小，因?yàn)檫@兩種情況都會(huì)引起一定的組織變化。因此，在機(jī)械切割金屬試樣時(shí)要力求試樣溫度不超過(guò)150℃，使切口無(wú)過(guò)燒現(xiàn)象，試樣真實(shí)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(chǎng)的實(shí)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(shí)驗(yàn)室切取試樣的要求為：切割面比較光滑平整，截面與軸線(xiàn)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(dòng)強(qiáng)度低，操作簡(jiǎn)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(diǎn)。根據(jù)以上要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有切割機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)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(jì)
2.1金相試樣切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)通過(guò)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想對(duì)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(jì)，機(jī)電一體化技術(shù)使傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)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(gè)機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，具有信息處理功能，才能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)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(jì)的金相試樣切割機(jī)比以往切割機(jī)在滿(mǎn)足工作要求的前提下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可靠性和穩(wěn)定性高、自動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)和砂輪片運(yùn)動(dòng)形式可將金相切割機(jī)分為兩類(lèi)，一類(lèi)為工件運(yùn)動(dòng)，砂輪片固定不動(dòng)的切割機(jī)；另一類(lèi)為工件固定不動(dòng)，砂輪片運(yùn)動(dòng)的切割機(jī)，而運(yùn)動(dòng)又分為曲線(xiàn)擺動(dòng)和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)兩種形式�？紤]到切割時(shí)砂輪片的受力和工件的重量，所以切割機(jī)設(shè)計(jì)為當(dāng)切割較大工件時(shí)，砂輪片擺動(dòng)而工件做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的形式；當(dāng)切割較小工件時(shí)，砂輪片擺動(dòng)而工件固定不動(dòng)的形式。
切割過(guò)程中，刀具可以上下擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割進(jìn)給，工作臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)橫向和縱向的雙向移動(dòng)以方便切割。砂輪片固定在切割軸上，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)二級(jí)V帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)砂輪的高速旋轉(zhuǎn)。砂輪軸通過(guò)橫梁與2號(hào)軸相連，由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿帶動(dòng)橫梁上下擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)切割進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，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(huì)增加蝸輪的負(fù)重而使得切割過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)影響切割質(zhì)量，在夾板上通過(guò)定滑輪設(shè)配重將重量平衡。主電動(dòng)機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。工作臺(tái)由橫向絲杠和縱向絲杠帶動(dòng)，橫向絲杠通過(guò)導(dǎo)塊運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。絲杠兩端分別安裝步進(jìn)電機(jī)和手輪，以滿(mǎn)足不同的切割要求。
箱罩上設(shè)推拉門(mén)方便取放加工工件，正面開(kāi)透視玻璃以觀(guān)察切割進(jìn)程。在切割時(shí)，由于磨削阻力會(huì)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(tái)切割機(jī)，在底座的兩旁安裝吊環(huán)。工作臺(tái)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(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
傳動(dòng)采用V帶傳動(dòng)，帶傳動(dòng)是一種柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它特別適合于軸間距比較大的場(chǎng)合。帶傳動(dòng)是機(jī)械行業(yè)常用的傳動(dòng)方式，它能夠緩沖和吸振，運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)噪聲，應(yīng)用簡(jiǎn)單。切割機(jī)系統(tǒng)中，主電機(jī)的功能為帶動(dòng)切割片高速旋轉(zhuǎn)，由于帶傳動(dòng)具有上述優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)選用帶傳動(dòng)進(jìn)行增速提高切割片的轉(zhuǎn)速。兩極傳動(dòng)保證擺臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生中心距的變化。
2.3冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
為了保證切割前后試樣的金相組織不變，在切割的過(guò)程當(dāng)中必須對(duì)試樣冷卻，冷卻系統(tǒng)由水箱、冷卻泵、出水管、回水管、過(guò)濾網(wǎng)組成。在上電后砂輪片旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，冷卻泵開(kāi)始工作，把水箱中的冷卻液泵出，通過(guò)出水管?chē)娚涞缴拜喩�，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(shí)冷卻。冷卻液通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)過(guò)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(jì)
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(tái)縱向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)工件進(jìn)給，從而對(duì)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(shí)，可采用砂輪臂間歇運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)縱向進(jìn)給往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(guò)蝸輪蝸桿帶動(dòng)橫梁上下擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)砂輪片的進(jìn)給。
2.5夾具的設(shè)計(jì)
試樣在切割過(guò)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(shí)，不能保證試樣的垂直度，而且砂輪片易損壞造成危險(xiǎn)。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(jì)了一種快速夾緊夾具，其工作過(guò)程為：通過(guò)手柄推動(dòng)夾具夾緊工件，然后旋轉(zhuǎn)手柄，使夾具產(chǎn)生一個(gè)作用于工件的力，從而實(shí)現(xiàn)夾具的自鎖。此夾具裝夾工作臺(tái)面上，隨著工作臺(tái)的進(jìn)給而運(yùn)動(dòng)，切割時(shí)試樣受力均衡，可以防止截?cái)嗪竺痰漠a(chǎn)生。而且操作簡(jiǎn)單、裝夾方便，極大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了切割的效率。
車(chē)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(jì)
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(kāi)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?yàn)椋呵懈顧C(jī)的工作環(huán)境非常惡劣，在切割工件時(shí)，會(huì)有較強(qiáng)的振動(dòng)、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(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)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(chǎng)環(huán)境各異的各種控制要求，為控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)提供了方便、快捷的途徑，可以大大縮短整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(wú)故障時(shí)間可達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)以上，PLC具有較高的性能/價(jià)格比。另外，PLC還具有較完善的自診斷、自測(cè)試功能。所以采用可編程序控制器來(lái)實(shí)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(duì)切割試樣的質(zhì)量影響較大，所以切割不同的試樣時(shí)，砂輪片應(yīng)具有不同的轉(zhuǎn)速。例如：切割硬度大試樣時(shí)砂輪片應(yīng)轉(zhuǎn)速較高；而切割銅、鋁等較軟的試樣時(shí)砂輪片轉(zhuǎn)速較低。為了凋節(jié)砂輪片的轉(zhuǎn)速必須對(duì)異步電動(dòng)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(guò)變頻調(diào)速的電機(jī)可使砂輪片的轉(zhuǎn)速?gòu)? —3400r/min可調(diào)。
3.3工作平臺(tái)橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給的速度調(diào)節(jié)
進(jìn)給動(dòng)力主要是由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)的前后或左右移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的控制是由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)的，PLC產(chǎn)生兩路信號(hào)，一路為步進(jìn)脈沖信號(hào) CP，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器每接收一個(gè)脈沖信號(hào)CP，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角，脈沖信號(hào)CP的頻率和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，脈沖信號(hào)CP的個(gè)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(hào)DIR，當(dāng)DIR為高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；相反，當(dāng)DIR為低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這樣，就可以通過(guò)調(diào)解PLC的輸出信號(hào)來(lái)精確控制縱向進(jìn)給的速度了。通過(guò)調(diào)整PLC的輸出信號(hào)就能控制工作臺(tái)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(tái)異步電動(dòng)機(jī)，三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)�？梢允褂脝闻_(tái)PLC進(jìn)行多個(gè)對(duì)象的控制，只要適當(dāng)?shù)倪x用高性能的PLC，就可以完全實(shí)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(lèi)對(duì)象的信息，PLC經(jīng)過(guò)對(duì)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(duì)象。另一方面通過(guò)對(duì)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(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)切割機(jī)的控制。同時(shí)對(duì)PLC采集的信息，對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行故障報(bào)警與參數(shù)顯示。其具有切割方式選擇控制，系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止控制，切割狀態(tài)的顯示，切割速度的顯示，事故報(bào)警顯示等。
系統(tǒng)中，當(dāng)選擇進(jìn)三退一的切割方式時(shí)，PLC對(duì)變頻器和驅(qū)動(dòng)懸臂上下運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，且根據(jù)傳感器采集的信號(hào)自動(dòng)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(shí)砂輪片受力的不同而改變。當(dāng)選擇逐層切割的方式時(shí)，PLC不僅對(duì)變頻器和驅(qū)動(dòng)懸臂上下運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，而且對(duì)驅(qū)動(dòng)X-向和Y-向運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其中變頻器能夠接收PLC輸出的模擬信號(hào)對(duì)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?zhàn)陨淼墓ぷ鳡顟B(tài)信號(hào)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，向PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
切割機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)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(jì)主要包括系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)和各個(gè)功能模塊子程序的設(shè)計(jì)，其中各功能模塊的設(shè)計(jì)主要有上位機(jī)與PLC之間通訊子程序的設(shè)計(jì)、變頻器控制程序設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、交流低速電機(jī)的設(shè)計(jì)等。
5.1控制系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)
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(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置后，還要根據(jù)要求切割過(guò)程完成輸入信號(hào)的循環(huán)監(jiān)控，并輸出不同的信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)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(shí)現(xiàn)砂輪片的無(wú)級(jí)調(diào)速，根據(jù)切割的狀態(tài)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。出現(xiàn)異常時(shí)能夠報(bào)警。系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。在切割工件時(shí)，首先，給定變頻器一個(gè)頻率值，如果頻率值超過(guò)50Hz電機(jī)將不能啟動(dòng)，若頻率值在0—50Hz范圍內(nèi)時(shí)，電機(jī)開(kāi)始以此頻率旋轉(zhuǎn)，切割過(guò)程中，如果有異常將報(bào)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(shí)，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(duì)砂輪片的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了砂輪轉(zhuǎn)速的自動(dòng)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可方便的實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)功能。同時(shí)，可通過(guò)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(jiǎn)化了系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，提高了傳動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度。
