肖成軍，張永俊 ，吳 濤

(廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006)

0 引 言

連桿裂斷加工(又稱裂解加工、漲斷加工)技術是上世紀90年代興起的一種革命性的加工技術，它是對傳統(tǒng)連桿制造工藝的徹底顛覆，主要包括3 道核心工序是:加工初始應力槽，連桿定向裂斷加工，定扭矩上螺栓［1-4］。定向裂斷是連桿裂斷加工技術的關鍵技術，研制連桿裂斷機床對于推動連桿裂斷新技術的發(fā)展和應用具有重要意義。廣東工業(yè)大學自主研制的連桿裂斷機床具有結構簡單、性價比高的特點，但在實際使用中仍存在加工沖擊大、加工質(zhì)量不穩(wěn)定、液壓系統(tǒng)發(fā)熱嚴重不適應連續(xù)生產(chǎn)等問題，經(jīng)分析，引起上述問題的主要原因在于:液壓系統(tǒng)主油缸不能保證穩(wěn)定高壓力大流量輸出，以及加工工藝不夠成熟。

本研究基于三菱PLC 和威綸通觸摸屏，引入壓力傳感器及溫度傳感器對液壓系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，優(yōu)化控制策略確保液壓系統(tǒng)重要輸出參數(shù)，同時改進加工工藝流程，保證機床高效、可靠的運行。

1 連桿裂斷機床總述

1．1 結構及工作原理

連桿裂斷機床主要包括機床本體、液壓系統(tǒng)及機床控制系統(tǒng)三大部分。連桿裂斷機床機械結構如圖1所示，主要由工件定位機構、裂斷執(zhí)行機構及輔助復位機構組成。

圖1 機床總體結構示意圖

連桿工件的定位基于“一面兩孔”，利用自身重量置于夾具上，大頭銷由一對半圓柱形可開合的動脹套及靜脹套組成，連桿的肩位有一對頂止銷進行定位，在裂斷過程中對工件施加背壓力，有利于保證裂斷加工質(zhì)量;裂斷執(zhí)行機構由主油缸帶動拉桿，采用“下拉楔塊式”實現(xiàn)動脹套和靜脹套的分離，對主油缸輸出力在水平方向放大，在連桿工件大頭孔施加裂斷力;輔助復位機構由左油缸帶動小滑臺及右油缸帶動大滑臺實現(xiàn)，從而實現(xiàn)動脹套及靜脹套的合攏和分離，可消除大頭銷與連桿大頭孔的間隙，以及復位裝卸工件。

機床液壓系統(tǒng)作為機床運動的動力來源，是機床的重要組成部分。影響連桿裂斷加工的機床重要輸出參數(shù)主要為裂斷力及裂斷力加載速度，要求主油缸以大壓力大流量快速收回，主油缸在下拉過程中要求的輸出力為100 kN，速度至少大于100 mm/s［5］，在其他的運動過程中則沒有特殊要求。執(zhí)行裂斷加工時，輸出裂斷力的大小及裂斷力加載速度對保證加工質(zhì)量極其關鍵，因而液壓系統(tǒng)高壓瞬時大流量切換至關重要。上一代機床存在不能實時保證主油路的高壓力以及大流量切換不夠靈敏的問題，易導致裂斷加工質(zhì)量缺陷。

本研究在液壓系統(tǒng)控制策略上進行改進:液壓系統(tǒng)的主油路連接蓄能器，并在主油路安裝一個壓力傳感器，通過液壓泵不斷給蓄能器供油，當壓力傳感器測得主油路壓力高于設定的極限高壓時，液壓系統(tǒng)卸荷，液壓油進入冷卻循環(huán)回路或者關停液壓泵電機;當壓力傳感器測得主油路壓力小于設定的極限低壓時，液壓泵繼續(xù)向蓄能器供油，保證蓄能器中實時儲存足夠的高壓油供給油缸所需。執(zhí)行裂斷時，通過控制切換供油回路，蓄能器迅速對主油缸補充大流量高壓油，保證主油缸輸出力及下拉速度。

機床在執(zhí)行裂斷加工時，對機床夾具和工件造成的沖擊較大，影響零件的壽命及加工質(zhì)量。分析發(fā)現(xiàn)，這是由于現(xiàn)有加工工藝不成熟，加載裂斷力時拉桿斜楔與動脹套以及大頭銷與連桿工件大頭孔之間存在間隙導致的。通過安裝接近開關對油缸位置進行限定，并改進油缸動作程序。

1．2 工藝流程

優(yōu)化連桿裂斷加工的工藝流程為:

(1)原點位置:E6 得電，主油缸動作，以小流量小壓力推至上限位;E2 得電，左油缸動作，推至右限位;E4 得電，右油缸動作，推至左限位。完成回原點。

(2)放入連桿工件，按下裂斷起動按鈕。

(3)裂斷加工過程:E1 得電，左油缸動作，執(zhí)行延時拉動T1 至指定位置，失電進行保壓;E3 得電，右油缸動作，執(zhí)行延時拉動T2 以消除大頭銷與大頭孔內(nèi)壁的間隙，E3 失電，輔助右油缸浮動;E5 得電，主油缸動作，以小壓力小流量下拉延時T3 消除拉桿與動脹套之間隙后，E5 失電，E7 得電，切換大壓力大流量回路，通過蓄能器給主油缸有桿腔大量供油，主油缸快速下拉至下限位時，E7 失電。

(4)復位回原點位置。

(5)卸下加工完成的連桿工件。

液壓系統(tǒng)的特殊工作模式要求系統(tǒng)能夠快速響應，這就要求機床控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控液壓系統(tǒng)運行情況，并做出控制指令。機床控制系統(tǒng)需要控制油缸動作、監(jiān)測液壓系統(tǒng)狀況及設定工藝參數(shù)，既有開關量的控制，又有模擬量的采集顯示與控制，機床控制器選型三菱FX2N-48MR 系列PLC 及FX2N-4AD 模塊，人機交互界面采用威綸通觸摸屏［6-7］?？刂葡到y(tǒng)的結構框圖如圖2 所示。

圖2 機床控制系統(tǒng)結構框圖

2 裂斷機床控制系統(tǒng)硬件設計

2．1 主電路及控制電路設計

主電路是機床的動力電路，采用熔斷器、交流接觸器、熱繼電器、空氣開關等給液壓泵電機和冷卻風機供電，主電機功率為5．5 kW，采用直接啟動的方式?？刂齐娐吠ㄟ^變壓器提供220 V 的電源，設計了液壓泵電機、冷卻電機啟停及保護電路、24 V 開關電源及PLC供電電路等。

2．2 PLC 硬件系統(tǒng)設計

PLC 硬件系統(tǒng)結構如圖3 所示。系統(tǒng)包括PLC輸入單元、PLC 輸出單元、A/D 模擬量輸入模塊及24 V開關電源。輸入單元是操作面板的按鈕開關和限位開關輸入開關量信號，設計了裂斷加工開始按鈕SB1、液壓泵電機啟動按鈕SB4 及急停按鈕SB3 等;限位開關選型歐姆龍非接觸式接近開關，具有工作可靠、定位精度高、感應靈敏的特點，用于油缸動作極限位置的限定。為了保護PLC 的輸出端口不被損壞及便于維護，確保電磁閥動作的可靠性，本研究設計了PLC 輸出口驅(qū)動小功率電磁繼電器，再利用繼電器間接驅(qū)動液壓電磁閥和其他電氣元件，通過控制電磁閥和繼電器的通斷邏輯順序，從而實現(xiàn)機床控制的功能［8］。PLC 輸出負載多為直流回路的感性負載，為保護PLC 的輸出觸點，應在負載兩端并聯(lián)接入續(xù)流二極管吸收保護電路。FX2N-4AD 輸入模塊作為PLC 的功能擴展模塊，使用其中的2 個采集通道，將液壓系統(tǒng)的油箱油溫及主油路壓力的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并通過數(shù)據(jù)線傳送到PLC。溫度傳感器為兩線式4 mA～20 mA 電流輸出型，量程為0～100 ℃。壓力傳感器的壓力范圍為0～25 MPa，電壓輸出信號為0～10 V。傳感器與模塊的連接最好使用屏蔽雙絞線。

圖3 PLC 硬件系統(tǒng)結構框圖

3 裂斷機床控制系統(tǒng)軟件設計

3．1 PLC 程序設計

軟件設計的核心是程序編制，三菱PLC 編程主要在GX Developer 軟件上完成。本研究將PLC 程序劃分為若干個子程序模塊，主要包括:手動操作、自動運行、數(shù)值采集及轉(zhuǎn)換及報警處理程序等。在主程序中對這些子程序模塊進行組織和調(diào)用［9］。對于機床多工作方式的控制要求，常采用IST 初始化狀態(tài)指令和STL 步進指令結合使用，可用于自動設置具有多種工作方式控制系統(tǒng)的初始狀態(tài)和相關特殊輔助繼電器狀態(tài)，用戶不必去考慮這些初始化狀態(tài)的激活和多種方式之間的切換，只需編寫公用程序、手動方式、原點回歸、自動運行程序即可，簡化設計工作［10］。筆者編寫了多工作方式的PLC 程序，其程序結構如圖4 所示。

圖4 PLC 程序結構圖

(1)主程序。設計了液壓泵電機、冷卻風機的啟停，緊急停機，手動蓄能，低壓自動蓄能，高壓自動卸荷，以及加工過程監(jiān)控。

(2)回原點程序。自動執(zhí)行回歸原點位置。

(3)手動控制程序。為了便于系統(tǒng)調(diào)試，本研究設計了各個油缸的點動操作，為了保證系統(tǒng)的安全運行，必須增加一些相互之間的互鎖和連鎖。

(4)自動運行程序。用戶先在觸摸屏上根據(jù)工藝要求設置參數(shù)并下傳至PLC，然后選擇自動運行工作方式，執(zhí)行回原點操作，在滿足IST 指令轉(zhuǎn)換條件及原點條件時，即可進入自動加工方式，進行工藝優(yōu)化后自動運行程序的流程圖如圖5 所示。

圖5 自動運行程序流程圖

(5)數(shù)值轉(zhuǎn)換與處理程序。FX2N-4AD 的編程要使用FROM/TO 指令對BFM(緩沖寄存器)進行操作，通過TO 指令寫入轉(zhuǎn)換控制指令，利用FROM 指令將轉(zhuǎn)換結果讀入PLC［11］。該程序利用四則運算指令和A/D 轉(zhuǎn)換的輸出特性，對采集到的數(shù)值進行處理并在觸摸屏上顯示。需要注意的是，應該利用浮點型指令對數(shù)值進行處理。

(6)報警處理程序。該程序利用比較指令對A/D模塊采集到的數(shù)值與通過觸摸屏輸入的設定值進行比較，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)極限高壓與低壓的報警、極限高溫的報警，以及相關邏輯控制，保障加工的可靠性。

3．2 人機交互界面設計

觸摸屏作為人機交互的媒介，既可以對生產(chǎn)現(xiàn)場、設備進行實時顯示和監(jiān)控，同時又可以對設備進行操作。觸摸屏主要設計了參數(shù)設置界面、手動操作界面和自動運行界面。參數(shù)設置界面能夠進行工作方式選擇，設置重要工藝參數(shù)，如主油路極限高低壓、油缸延時動作時間等，以及機床其他功能操作。手動操作界面能夠?qū)τ透椎膭幼鬟M行操作，并對PLC 的輸入/輸出口監(jiān)視。自動運行界面如圖6 所示，該界面設計了加工過程指示、重要參數(shù)檢測及報警、PLC 輸入/輸出口的狀態(tài)顯示，以及功能操作按鈕。

4 結束語

本研究介紹了自主研制的連桿裂斷機床的機械結構及液壓系統(tǒng)，優(yōu)化機床控制策略及加工工藝，并對機床控制系統(tǒng)進行設計。對機床電氣電路進行設計并完成接線，基于PLC 及觸摸屏完成硬件系統(tǒng)接線和程序調(diào)試，驗證了機床控制系統(tǒng)的可行性。觸摸屏顯示的實時壓力值表明控制系統(tǒng)能夠確保液壓系統(tǒng)主油路壓力位于工藝要求的范圍內(nèi)，從而確保機床輸出裂斷力的大小及裂斷力加載速度滿足要求。機床具有結構簡單、操作簡單、運行穩(wěn)定等優(yōu)點。

圖6 觸摸屏自動運行界面

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