黎毅鋒，李海成，蘇國(guó)康，張永俊

（ 廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006 ）

連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要傳動(dòng)部件之一，借助連桿和曲軸能將發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)輸出，再通過變速箱、傳動(dòng)軸等驅(qū)動(dòng)輪胎運(yùn)動(dòng)[1]。連桿裂斷工藝是在連桿大頭孔內(nèi)對(duì)稱切出兩條應(yīng)力槽[2]，再在大頭孔內(nèi)自內(nèi)向外施加擴(kuò)張裂斷力將連桿大頭孔裂斷為桿蓋和桿身兩個(gè)部分。 該工藝具有工序精簡(jiǎn)、三維定位等優(yōu)勢(shì)，已開始逐漸取代傳統(tǒng)的連桿分體加工工藝。 應(yīng)力槽加工是連桿裂斷加工的重要工序之一。 加工應(yīng)力槽時(shí)，傳統(tǒng)方法采用拉刀加工，但刀具損耗嚴(yán)重，且難以保證穩(wěn)定質(zhì)量；現(xiàn)在大多數(shù)改用激光加工，效率更高但設(shè)備昂貴[3]。為此，廣東工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新發(fā)明了一種應(yīng)力槽電火花線切割設(shè)備[1，4]，并在企業(yè)得到成功應(yīng)用。 為進(jìn)一步提高加工效率和方便裝夾，本研究進(jìn)一步發(fā)展了新一代倒立式雙工位切槽設(shè)備， 使加工效率成倍提高、工人操作更加方便。

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

早期設(shè)計(jì)的機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1 所示，連桿自上而下放入兩根切槽桿中[4]，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放置小規(guī)格連桿時(shí)，由于孔小，易撞擊到切槽桿端部的導(dǎo)輪，且運(yùn)動(dòng)部件如絲杠導(dǎo)軌等均安裝于下方，易受工作液侵蝕生銹。 本研究在重新設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)， 將支撐并驅(qū)動(dòng)切槽桿上下運(yùn)動(dòng)、左右開合的導(dǎo)軌及絲杠等均布置在上方，避免其受工作液影響，且專門設(shè)計(jì)了雙工位，將機(jī)床加工效率至少提高一倍。 從理論上說(shuō)，可布置更多工位，以數(shù)倍地提高加工效率。

1.1 機(jī)床機(jī)械總體結(jié)構(gòu)

機(jī)床由床身、卷絲筒、夾具、固定支撐板、活動(dòng)支撐板及其上切槽裝置構(gòu)成（圖2）。 其中，卷絲筒、夾具直接固定在機(jī)床臺(tái)面上，固定支撐板以直立的方式固定于臺(tái)面上，活動(dòng)支撐板通過導(dǎo)軌與固定支撐板相連且可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)，兩組切槽裝置布置在活動(dòng)支撐板上。

1.2 切槽部件

切槽裝置布置在活動(dòng)支撐板上，主要由兩組功能相同的切槽桿外加若干導(dǎo)輪構(gòu)成。 每一組切槽桿都有左、右兩根桿，通過導(dǎo)軌滑塊聯(lián)結(jié)在活動(dòng)支撐板上。 兩根桿由電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶左、右螺紋的絲杠做相向或相背運(yùn)動(dòng)，在絲杠相背向外運(yùn)動(dòng)時(shí)，切槽桿兩側(cè)鉬絲對(duì)連桿大頭孔內(nèi)側(cè)進(jìn)行切槽，在其相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩根切槽桿回退，等待下一次切割。

1.3 夾具

如圖3 所示，夾具有兩個(gè)，分別對(duì)應(yīng)兩組切槽部件， 均固定在床身臺(tái)面上且位于切槽桿正下方。彈簧通過V 型塊施加作用力于連桿小頭端，使連桿大頭孔內(nèi)表面緊貼定位銷， 以實(shí)現(xiàn)連桿的定位夾緊。 安裝夾具時(shí)，必須使切槽桿位于連桿大頭孔正中間，以保證切割出的兩根應(yīng)力槽完全對(duì)稱。 夾具底部安裝板的材質(zhì)為工程硬塑料，可將連桿與機(jī)床床身絕緣，避免兩個(gè)工位連桿在切割時(shí)產(chǎn)生電流串?dāng)_，影響加工效果。

考慮到如果工件位置安裝不正確，切槽桿下降未進(jìn)入連桿大頭孔， 而是出現(xiàn)撞擊連桿的意外情況，將夾具設(shè)計(jì)為可翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)即前端懸空，即使出現(xiàn)切槽桿撞擊連桿的意外情況，夾具能將翻轉(zhuǎn)并觸發(fā)報(bào)警開關(guān)，切槽桿停止下降。

此外，從圖2 可見，由于導(dǎo)輪布置合理巧妙，活動(dòng)支撐板上下運(yùn)動(dòng)時(shí)并不會(huì)引起絲線長(zhǎng)度變化，同理切槽桿分離或靠近，絲線長(zhǎng)度也不受影響。

2 分時(shí)輸出電源設(shè)計(jì)

2.1 分時(shí)輸出電源

機(jī)床使用自行開發(fā)的分時(shí)輸出電源[5]，該電源采用MiniSTM32 控制板作為控制單元，將經(jīng)過整流后的0～120 V 直流電通過圖4 所示的雙路斬波模塊進(jìn)行分時(shí)輸出，具體為：1、3、5…將脈沖送往第一工位，2、4、6…將脈沖送往第二工位，通過控制電源輸出脈沖交替分配到第一和第二工位，實(shí)現(xiàn)用一個(gè)電源對(duì)兩個(gè)工位分別供電且互不影響，極大地簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、降低了成本。 通過觸摸屏COM2 口實(shí)現(xiàn)與STM32 通訊， 基于臺(tái)達(dá) Modbus 協(xié)議 選擇“Delta Controller RTU”，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻電源加工電壓、死區(qū)時(shí)間、脈沖寬度、脈間倍數(shù)的調(diào)節(jié)。

2.2 電源部分器件改進(jìn)

由于前一代機(jī)床放電火花小、 電阻發(fā)熱量大，新設(shè)計(jì)機(jī)床的電源輸出正負(fù)極間并聯(lián)電阻要能承受大電壓、小電流，使電源在空載時(shí)輸出工整的矩形波，考慮到經(jīng)濟(jì)性選擇了阻值1.5 kΩ、功率20 W的無(wú)感電阻； 正極輸出串聯(lián)電阻則要能承受大電流，需電阻阻值足夠小、功率足夠大，以便在加工過程中發(fā)生短路時(shí)能及時(shí)消耗短路電流，防止電源銷毀，同時(shí)防止正常加工過程中消耗過多電能而降低加工效率，經(jīng)試驗(yàn)選擇了阻值20 Ω、功率800 W 的無(wú)感電阻，并用散熱銅箔包裹其表面，同時(shí)利用散熱風(fēng)扇吹其表面以散熱降溫，防止因長(zhǎng)期加工散熱不及時(shí)而導(dǎo)致電阻阻值下降甚至銷毀。

3 控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包括電源控制、運(yùn)動(dòng)控制和輔助控制，主控制器采用三菱PLC，顯示和操作采用臺(tái)達(dá)DOP-B07S411 觸摸屏。 PLC 通過發(fā)送控制指令可以控制線切割變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)絲桶、水泵的啟停和對(duì)運(yùn)絲桶轉(zhuǎn)速的控制，同時(shí)在上絲和換向時(shí)關(guān)斷高頻電源，停止進(jìn)給。

3.1 間隙檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

結(jié)合機(jī)床加工要求，選擇使用間隙平均電壓法進(jìn)行檢測(cè)，間隙檢測(cè)模塊如圖5 所示，由分壓模塊、RC 濾波模塊、閾值比較判斷模塊組成。 本文采用間隙平均電壓測(cè)量法[6-7]，通過分壓模塊，將由高頻脈沖電源發(fā)出的 0～120 V 脈沖電壓降至 0～5 V， 然后經(jīng)過濾波模塊，將低頻干擾濾除，送入比較器中，通過與預(yù)先設(shè)置好的閾值電壓進(jìn)行比較，將比較結(jié)果送入PLC 的AD 模塊，得出當(dāng)前加工狀態(tài)。

3.2 電流檢測(cè)模塊選擇

電流檢測(cè)模塊采用HBC25LSP 傳感器。 由于分時(shí)輸出電源最高輸出不超過5 A 的電流，從經(jīng)濟(jì)性角度選擇量程為10 A 的霍爾傳感器， 當(dāng)連接導(dǎo)線電流為0 A 時(shí)，輸出2.5 V 基準(zhǔn)電壓，最大輸出基準(zhǔn)電壓為4.5 V。 將測(cè)量結(jié)果同時(shí)送入AD 模塊，以此進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償。

3.3 PLC 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主控制器選用FX3U-64M 型號(hào)PLC，通過AD 模塊采集檢測(cè)回來(lái)的電壓值和電流值，PLC 根據(jù)電壓值輸出對(duì)應(yīng)頻率的脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)以合適的速度進(jìn)給、停止或回退。 同時(shí)根據(jù)電流值進(jìn)行進(jìn)給補(bǔ)償，減緩電機(jī)因PLC 單一判據(jù)反應(yīng)不及時(shí)而帶來(lái)的抖動(dòng)問題。 針對(duì)PLC 控制系統(tǒng)，編寫了控制軟件和操作界面。

3.4 雙工位分時(shí)伺服控制的實(shí)現(xiàn)

由于采用的是一根鉬絲對(duì)兩個(gè)工件同時(shí)加工，為避免兩個(gè)工件加工時(shí)電信號(hào)相互串?dāng)_，夾具采用了不導(dǎo)電的硬質(zhì)塑料作為工件支撐面，使兩個(gè)工件之間相互絕緣。 在第一個(gè)時(shí)間周期，對(duì)一工位工件和鉬絲之間施加脈沖、檢測(cè)電信號(hào)、進(jìn)行伺服控制；在第二個(gè)周期， 對(duì)二工位工件和鉬絲之間施加脈沖、檢測(cè)電信號(hào)、進(jìn)行伺服控制。 兩個(gè)工位的伺服控制在時(shí)間上錯(cuò)開、在位置上隔離，因此較易實(shí)現(xiàn)分時(shí)伺服控制。

3.5 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC 進(jìn)行操作控制與運(yùn)行監(jiān)控，采用DOP-Soft 觸摸屏軟件對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)分為手動(dòng)調(diào)試界面設(shè)計(jì)與自動(dòng)加工界面設(shè)計(jì)兩部分。 其中，手動(dòng)調(diào)試界面主要作用于機(jī)床的手動(dòng)調(diào)試操作，在此不詳細(xì)敘述；自動(dòng)加工界面設(shè)計(jì)如圖6 所示，通過對(duì)加工距離、大電機(jī)速度、大電機(jī)距離參數(shù)設(shè)置，機(jī)床能對(duì)工件進(jìn)行自動(dòng)加工和電機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。 此外，利用COM2 口的Modbus 通訊功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源參數(shù)的設(shè)定與控制，同時(shí)通過監(jiān)測(cè)AD 模塊的電流值，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前加工電流。在設(shè)計(jì)自動(dòng)加工界面時(shí)，還考慮了對(duì)水泵與運(yùn)絲桶的控制以及通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)絲桶的速度控制。

4 雙工位連桿切槽實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證機(jī)床的機(jī)械和電氣性能，本研究進(jìn)行了初步工藝實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)床機(jī)械運(yùn)行平穩(wěn)，電源輸出波形正常，加工時(shí)示波器顯示出典型的放電波形。 每一個(gè)加工周期為20 s，由于采用雙工位，相當(dāng)于加工一根連桿時(shí)間約為10 s，效率較單工位提升一倍， 完全滿足連桿裂斷工藝要求，加工效率達(dá)到激光切割水平且應(yīng)力槽寬度更窄；采用0.12 mm 鉬絲，寬度小于0.15 mm，更有利于后續(xù)裂斷加工，加工樣件見圖7。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)前期連桿應(yīng)力槽電火花線切割機(jī)床實(shí)際應(yīng)用中存在的不足，研制了新一代的雙工位倒立式線切割機(jī)床，設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)降低了工人放置工件的難度、減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，通過雙工位設(shè)計(jì)，成倍提高了效率；研制的分時(shí)輸出電源，很好地滿足了雙工位線切割機(jī)床加工要求， 降低了設(shè)備成本；開發(fā)的基于三菱PLC 的伺服控制系統(tǒng)， 穩(wěn)定可靠，加工的樣件達(dá)到預(yù)期要求。 后續(xù)工作將進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改進(jìn)伺服控制系統(tǒng)，提高效率，并通過生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證設(shè)備的可靠性。