□ 陳 暉 □ 王煥峰 □ 田新昊

東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 哈爾濱 150040

材料切割是加工方式中不可或缺的，不同時(shí)代對(duì)切割機(jī)提出不同的加工要求。目前使用的切割機(jī)主要是針對(duì)金屬切割，切割模式單一，切割過程中需要操作人員憑經(jīng)驗(yàn)掌控，造成切割效率較低［1］。為滿足加工需要，制造設(shè)計(jì)了新型自動(dòng)化切割機(jī)，從而滿足切割速度快、切割質(zhì)量好、切割成本低、切割數(shù)量大的需要。

1 基本構(gòu)成

自動(dòng)化切割機(jī)由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，機(jī)械系統(tǒng)主要由切割機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾具、冷卻系統(tǒng)和機(jī)體等組成［2］；控制系統(tǒng)采用PLC與單片機(jī)相結(jié)合的控制方式。機(jī)械系統(tǒng)總成如圖1所示。

1.1 切割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

切割機(jī)構(gòu)中主電機(jī)放置在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)架平臺(tái)上，主電機(jī)選擇三相異步電動(dòng)機(jī)，通過膠帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)砂輪實(shí)現(xiàn)切割工作。一對(duì)耳座分別安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)架和基座機(jī)體上，連接耳座的是電動(dòng)螺桿伸縮機(jī)構(gòu)［3］。利用伸縮機(jī)構(gòu)，改變伸縮連桿長度，使切割砂輪實(shí)現(xiàn)一定角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

▲圖1 機(jī)械系統(tǒng)總成

為適應(yīng)多種材料的切割需要，主電機(jī)需要輸出不同的切割轉(zhuǎn)速，可以應(yīng)用PLC對(duì)主電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)主電機(jī)轉(zhuǎn)速在200～3 000 r/min的轉(zhuǎn)換。伸縮機(jī)構(gòu)通過控制電動(dòng)螺桿電機(jī)，實(shí)現(xiàn)伸縮連桿長度的變化，從而改變切割過程中砂輪片與工件之間的相迎角。自動(dòng)化切割能夠大幅降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，切割質(zhì)量不再僅僅依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，減少了由操作失誤造成的不必要浪費(fèi)。

1.2 整體構(gòu)成

進(jìn)給機(jī)構(gòu)由工作平臺(tái)、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)和縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)組成，工作臺(tái)為梯形槽工作臺(tái)，在梯形槽上可以安裝各種夾具，通過夾具夾緊工件［4］。針對(duì)不同型材和不規(guī)則形狀工件，設(shè)計(jì)不同的夾具，這樣既能保證合理夾緊工件，又能保證夾緊效果。

絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的橫向和縱向進(jìn)給，橫向和縱向步進(jìn)電機(jī)為工作臺(tái)進(jìn)給提供動(dòng)力。其中縱向步進(jìn)電機(jī)與軸承座固定在機(jī)架上，該電機(jī)與減速器連接進(jìn)行減速，使工作臺(tái)能以所需速度在直線導(dǎo)軌上縱向直線行進(jìn)。橫向步進(jìn)電機(jī)和軸承座固定在工作臺(tái)上，橫向步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與橫向絲杠螺母機(jī)構(gòu)連接，橫向進(jìn)給主要實(shí)現(xiàn)被切割工件與砂輪片的對(duì)刀。通過PLC控制橫向和縱向步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)位置的控制以及實(shí)現(xiàn)切割過程中工件的進(jìn)給。

冷卻系統(tǒng)主要由噴頭、防護(hù)罩、導(dǎo)管、閥門、水泵、過濾網(wǎng)、儲(chǔ)液槽、循環(huán)儲(chǔ)液箱組成，冷卻系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)在切割中對(duì)工件的冷卻，在加工完成后，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)和工件進(jìn)行清理，其工作流程如圖2所示。

用開關(guān)元件控制冷卻水泵的開啟與關(guān)閉，冷卻液的流速可以通過閥門旋鈕設(shè)定。冷卻工件后的冷卻液通過儲(chǔ)液槽回收，再通過導(dǎo)管回流到儲(chǔ)液箱進(jìn)行循環(huán)利用。通過過濾網(wǎng)過濾掉切屑，一些小的殘?jiān)M(jìn)入儲(chǔ)液槽也會(huì)沉積到底部，方便清理。

▲圖2 冷卻流程圖

1.3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)采用PLC與單片機(jī)相結(jié)合的方式，控制框圖如圖3所示。控制系統(tǒng)以PLC為核心，單片機(jī)作為顯示和輸入模塊，兩者通過串行通信，PLC主要解決數(shù)據(jù)處理和運(yùn)行自動(dòng)控制的問題，單片機(jī)顯示和輸入模塊由單片機(jī)、顯示電路、功能鍵盤、看門狗復(fù)位電路、電平轉(zhuǎn)換器等幾部分組成。系統(tǒng)正常工作時(shí)，單片機(jī)將設(shè)定的砂輪轉(zhuǎn)速、橫向進(jìn)給速度、縱向進(jìn)給速度、切割砂輪上下進(jìn)給速度、切割量、切割工件參數(shù)、選擇切割的模式等信息通過RS-232接口與PLC進(jìn)行通信，為保證單片機(jī)與PLC的正常通信，需要保證單片機(jī)的通信參數(shù)與PLC一致。

PLC按照用戶選擇的參數(shù)和切割方式對(duì)變頻器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，使工作臺(tái)、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、砂輪片協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成切割任務(wù)。PLC的輸出端與變頻器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入端相連，由模擬量I/O單元輸出的電壓信號(hào)控制變頻調(diào)速器的輸出頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。PLC為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，脈沖的個(gè)數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，控制脈沖信號(hào)的頻率就能控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，電平信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)正向和反向旋轉(zhuǎn)，通過這兩種信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)精確調(diào)節(jié)工作臺(tái)和砂輪片的位置和進(jìn)給速度。

▲圖3 控制框圖

2 應(yīng)力分析

切割機(jī)切割是砂輪片與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程，砂輪片一般厚度較小，理想工作狀態(tài)是：在砂輪片切割過程中不考慮砂輪兩側(cè)面對(duì)切割材料截面的磨削作用，只考慮砂輪片圓周面切削過程。建模的砂輪片為切割機(jī)支持的最大規(guī)格砂輪片250 mm×1.2 mm×32 mm。首先建立砂輪片和被切割工件的三維幾何模型，將三維模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于砂輪主要由磨粒和結(jié)合劑組成，磨粒的分布無規(guī)律可循，將兩者視為均質(zhì)整體，并對(duì)砂輪片采用映射網(wǎng)格式網(wǎng)格劃分，砂輪片網(wǎng)格劃分的單元等分段數(shù)為2 mm，單元個(gè)數(shù)為287 920。工件作為接觸部件采用分段式網(wǎng)格劃分法，在接觸區(qū)的網(wǎng)格尺寸為0.3 mm，過渡區(qū)域?yàn)? mm，不接觸區(qū)的劃分尺寸為50 mm，單元數(shù)為176 120。砂輪片和工件的有限元模型如圖4所示，圖中砂輪片為金剛石砂輪（粒度 46#，硬度 Q），彈性模量 E=1 050 GPa，泊松比ν=0.07，密度 ρ=3 520 kg/m2。

引入實(shí)際工作情況對(duì)模型施加約束，切割方向?yàn)閅向，繞Z軸旋轉(zhuǎn)，工件進(jìn)給速度為5 mm/s，旋轉(zhuǎn)速度為5 000 r/min，接觸類型為面面接觸。采用其他學(xué)者研究切割切削力的經(jīng)驗(yàn)公式［7］為：

▲圖4 砂輪片和工件的有限元模型

式中：Ft為切向力；Fn為法向力；K為剪切變形阻力系數(shù)；vw為進(jìn)給速度；vs為砂輪轉(zhuǎn)速；α為工件與砂輪的相迎角。

根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算所得載荷以均布載荷的形式加載到有限元模型上，然后求解，得到線速度為v=45 m/s、相迎角α=10.5°的砂輪片在正常工作下的應(yīng)力分布，如圖5所示。

圖5(a)為砂輪片受離心力作用的等效應(yīng)力等值線分布，此種情況發(fā)生在砂輪片空轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)力在內(nèi)孔處達(dá)到最大，隨著半徑的增加而減小，在砂輪片邊緣為最小。

圖5(b)為砂輪片受切割力作用的徑向應(yīng)力等值線分布，在假定切割力參數(shù)的作用下，可得出在受到徑向切削力作用時(shí)的砂輪片應(yīng)力分布，在相迎角的延長線與工件相交的位置處最大，隨著遠(yuǎn)離相交位置應(yīng)力逐漸減小。

▲圖5 正常工作下砂輪片的應(yīng)力分布圖

圖5 (c)為砂輪片受切割力作用的切向應(yīng)力等值線分布，切向應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置與徑向應(yīng)力出現(xiàn)最大值位置相同，隨著受力距離的漸遠(yuǎn)，切向應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)力分布與相迎角有關(guān)。

圖5(d)為砂輪片受切割力作用的等效應(yīng)力等值線分布，在砂輪片受力點(diǎn)應(yīng)力最大，并向內(nèi)徑延伸，應(yīng)力值逐漸變小，應(yīng)力呈現(xiàn)帶狀式分布。

圖5(e)為改變了部分加工參數(shù)后砂輪片受切割力作用的等效應(yīng)力等值線分布，將線速度調(diào)整為55m/s、相迎角調(diào)整為 14.5°，其它參數(shù)不變。通過圖5(d)與圖5(e)的對(duì)比，可以得出隨著相迎角和線速度的增大，在切削力作用下的應(yīng)力變化范圍有一定增加，應(yīng)力分布漸變的角度也發(fā)生變化，增大相迎角使砂輪片受到的切向力和徑向力也增加，這樣使砂輪的應(yīng)力相應(yīng)變大，砂輪片的破壞趨勢(shì)愈加明顯，切割頭的旋轉(zhuǎn)角度需要控制在一定的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，以免造成砂輪過度損壞。

圖5(f)為砂輪片受切割力與離心力共同作用的等效應(yīng)力等值線分布，應(yīng)力分布主要體現(xiàn)離心力作用下的應(yīng)力分布特點(diǎn)。相比于離心力，切削力對(duì)砂輪片應(yīng)力分布影響局限在切割位置附近，其應(yīng)力值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于離心力作用的應(yīng)力值，所以在正常切割過程中，應(yīng)該考慮的是如何避免切削過程中離心力可能產(chǎn)生的破壞影響。

［1］ 北京欣斯達(dá)特控制技術(shù)有限公司.我國數(shù)控切割機(jī)制造業(yè)發(fā)展格局及趨勢(shì)［J］.機(jī)床與液壓，2011（23）.

［2］ 劉雪峰.基于PLC的異步電動(dòng)機(jī)綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.科技風(fēng)，2013（8）.

［3］ 黃楚芳，陳鴻.步進(jìn)電機(jī)加減速控制器的設(shè)計(jì) ［J］.山西電子技術(shù)，2009（1）.

［4］ 崔鐵慶.節(jié)能環(huán)保型切割機(jī)設(shè)計(jì)與研究［D］.保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

［5］ 郁有文，常健.傳感器原理及工程應(yīng)用［M］.西安：西安電子科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2007.

［6］ 毛謙敏，吳洪潭.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［7］ 張玉寶，汪建新.砂輪切斷機(jī)力能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，1996（2）.