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)和磨削過程進(jìn)行了研究献宫，采用機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想垛墙，對(duì)其整體造型山橄、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)因镊，保證了金相試樣的切割質(zhì)量焦蘑，提高了切割機(jī)的切割能力拾给〕榧酰控制系統(tǒng)的核心采用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制允青，采用變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)了砂輪片轉(zhuǎn)速的無級(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)的控制精度胯甩，增強(qiáng)了切割不同材料的適應(yīng)性昧廷。
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、切口等偎箫，在冶金姚熊、汽車、航空航天等制造業(yè)中應(yīng)用極為廣泛莱检。目前國(guó)內(nèi)缺乏大型的金相試樣切割機(jī)红最，對(duì)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斗赘，在滿足各種零件的切割效率同時(shí)拟艳，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砍梁，縱向切割范圍可達(dá)300mm悦浙，滿足了較大零件的截取和下料。
同普通機(jī)械行業(yè)中的金屬切割不同嗤雪，切割金相試樣對(duì)保持原有組織狀態(tài)比較嚴(yán)格挟七，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)中試樣受熱妥析、受外力作用要盡量小相贺，因?yàn)檫@兩種情況都會(huì)引起一定的組織變化。因此省咨，在機(jī)械切割金屬試樣時(shí)要力求試樣溫度不超過150℃肃弟，使切口無過燒現(xiàn)象，試樣真實(shí)性好零蓉。金相試樣切取的方法可根據(jù)取樣零件的大小笤受、材料的性能、現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件靈活的選擇敌蜂。盡管有多種截取試樣的方法感论，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绅项，截面與軸線的垂直度好，砂輪切割機(jī)適用性強(qiáng)比肄，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、高速鋼囊陡；并可以切割超硬材料如硬質(zhì)合金芳绩、陶瓷等。另外撞反，還要求切割速度快妥色，勞動(dòng)強(qiáng)度低，操作簡(jiǎn)單遏片、靈活锉窑，切取試樣尺寸準(zhǔn)確，大小適宜辫慎，切割成本低等優(yōu)點(diǎn)袁朗。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)叶偶，開始研發(fā)大型切割機(jī)跃渠。
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)手段锯运；而且信息處理技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)中必不可少的部分沛四，一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，具有信息處理功能蛔颖，才能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化糊晋。電子裝置的有機(jī)融入，代替了復(fù)雜的機(jī)械裝置政拾，使設(shè)計(jì)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际器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便攻臀、可靠性和穩(wěn)定性高焕数、自動(dòng)化程度與生產(chǎn)效率高。
切割機(jī)為立式結(jié)構(gòu)形式刨啸，機(jī)械設(shè)備主要由動(dòng)力傳動(dòng)裝置堡赔、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與卡具、冷卻系統(tǒng)设联、機(jī)體四大部分組成善已。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，一類為工件運(yùn)動(dòng)离例，砂輪片固定不動(dòng)的切割機(jī)换团；另一類為工件固定不動(dòng)悉稠，砂輪片運(yùn)動(dòng)的切割機(jī)，而運(yùn)動(dòng)又分為曲線擺動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)兩種形式艘包〉拿停考慮到切割時(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)想虎，砂輪片擺動(dòng)而工件做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的形式卦尊；當(dāng)切割較小工件時(shí)，砂輪片擺動(dòng)而工件固定不動(dòng)的形式桶悍。
切割過程中乐跺，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)以方便切割讼逐。砂輪片固定在切割軸上症忽，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)過二級(jí)V帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)砂輪的高速旋轉(zhuǎn)。砂輪軸通過橫梁與2號(hào)軸相連凸翩，由步進(jìn)電機(jī)通過蝸輪蝸桿帶動(dòng)橫梁上下擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)切割進(jìn)給運(yùn)動(dòng)牙晰，并可以調(diào)節(jié)切割進(jìn)給的距離〔岚玻考慮到砂輪軸的自身重量會(huì)增加蝸輪的負(fù)重而使得切割過程中產(chǎn)生振動(dòng)影響切割質(zhì)量喜毅，在夾板上通過定滑輪設(shè)配重將重量平衡。主電動(dòng)機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)烫奏，通過變頻器實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速苇皂。工作臺(tái)由橫向絲杠和縱向絲杠帶動(dòng)，橫向絲杠通過導(dǎo)塊運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)耙肖。絲杠兩端分別安裝步進(jìn)電機(jī)和手輪仰铃，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授瘦，正面開透視玻璃以觀察切割進(jìn)程醋界。在切割時(shí)，由于磨削阻力會(huì)產(chǎn)生大量的熱提完，因此需加冷卻液保證試樣的充分冷卻形纺。為方便吊起整臺(tái)切割機(jī)，在底座的兩旁安裝吊環(huán)徒欣。工作臺(tái)下方安裝兩道篩子接取切割屑逐样，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)打肝，帶傳動(dòng)是一種柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)脂新，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，它能夠緩沖和吸振争便，運(yùn)行平穩(wěn)级零，無噪聲，應(yīng)用簡(jiǎn)單滞乙。切割機(jī)系統(tǒng)中淤汽，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)茴辈，系統(tǒng)選用帶傳動(dòng)進(jìn)行增速提高切割片的轉(zhuǎn)速抚送。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绎噩，在切割的過程當(dāng)中必須對(duì)試樣冷卻，冷卻系統(tǒng)由水箱鸠丸、冷卻泵缨诱、出水管、回水管赡脚、過濾網(wǎng)組成纳倒。在上電后砂輪片旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，冷卻泵開始工作幸持，把水箱中的冷卻液泵出苟暗，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川砌，流向試樣的切割部位韭寸，使得砂輪和試樣同時(shí)冷卻。冷卻液通過過濾網(wǎng)過濾掉切屑后荆隘，由回水管流回水箱恩伺，節(jié)省了水資源，保證了切割質(zhì)量椰拒。
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晶渠，所以其進(jìn)給也包括兩部分，一是砂輪擺臂運(yùn)行到下限值燃观，工作臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)褒脯，帶動(dòng)工件進(jìn)給，從而對(duì)夾持工件進(jìn)行勻速切割缆毁。二是砂輪擺臂運(yùn)行到切割部位番川，按要求進(jìn)行勻速切割，當(dāng)工件尺寸較大時(shí)积锅，可采用砂輪臂間歇運(yùn)動(dòng)爽彤，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缚陷。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(dòng)橫梁上下擺動(dòng)适篙，從而實(shí)現(xiàn)砂輪片的進(jìn)給必痢。
2.5夾具的設(shè)計(jì)
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)裝夾可靠漂手，否則在切割時(shí)涤朴，不能保證試樣的垂直度，而且砂輪片易損壞造成危險(xiǎn)曼散。此外茁升，夾具應(yīng)具有自鎖功能，裝夾方便污兄。根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)了一種快速夾緊夾具鹰泡，其工作過程為：通過手柄推動(dòng)夾具夾緊工件，然后旋轉(zhuǎn)手柄午四，使夾具產(chǎn)生一個(gè)作用于工件的力叛冠，從而實(shí)現(xiàn)夾具的自鎖。此夾具裝夾工作臺(tái)面上支礼，隨著工作臺(tái)的進(jìn)給而運(yùn)動(dòng)把奢，切割時(shí)試樣受力均衡，可以防止截?cái)嗪竺痰漠a(chǎn)生滨溉。而且操作簡(jiǎn)單什湘、裝夾方便，極大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度晦攒，提高了切割的效率闽撤。
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(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，大部分要求是開關(guān)量控制勤家，控制系統(tǒng)的核心采用可編程序控制器(PLC)腹尖，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)伐脖，會(huì)有較強(qiáng)的振動(dòng)热幔、噪聲產(chǎn)生，而且由于需要冷卻工件讼庇，工作環(huán)境潮濕绎巨，由于PLC的輸入/輸出系統(tǒng)功能完善，性能可靠蠕啄，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(hào)的輸入和輸出场勤；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)模不同艺踪、功能復(fù)雜程度及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境各異的各種控制要求首潮，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)剑学、生產(chǎn)绝皇、調(diào)試周期，節(jié)約系統(tǒng)投資膨溃；PLC維護(hù)操作方便呐猴，擴(kuò)展容易，具有較好的性能和較高的可靠性肠祭，能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下正常運(yùn)行常废，一般平均無故障時(shí)間可達(dá)幾萬小時(shí)以上，PLC具有較高的性能/價(jià)格比螺啤。另外蝇蝶，PLC還具有較完善的自診斷、自測(cè)試功能淌踢。所以采用可編程序控制器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制嗤详。
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)瓷炮，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)速較高递宅；而切割銅娘香、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)速办龄，這樣使得砂輪片的轉(zhuǎn)速范圍加大烘绽。通過變頻調(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)俐填，從而帶動(dòng)工作臺(tái)的前后或左右移動(dòng)安接。步進(jìn)電機(jī)的控制是由PLC來實(shí)現(xiàn)的，PLC產(chǎn)生兩路信號(hào)英融，一路為步進(jìn)脈沖信號(hào) CP盏檐，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)一步距角驶悟，脈沖信號(hào)CP的頻率和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比胡野，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找塌，當(dāng)DIR為高電平時(shí)厅员，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；相反鸥萌，當(dāng)DIR為低電平時(shí)幻渤，步進(jìn)電機(jī)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這樣，就可以通過調(diào)解PLC的輸出信號(hào)來精確控制縱向進(jìn)給的速度了牌完。通過調(diào)整PLC的輸出信號(hào)就能控制工作臺(tái)的進(jìn)給位置伦窜，達(dá)到精確定位的效果。進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示匹憎。
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)逻袭，三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)∫德可以使用單臺(tái)PLC進(jìn)行多個(gè)對(duì)象的控制肢俄，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)的控制功能李臀。所以采用如圖3所示的控制結(jié)構(gòu)：本系統(tǒng)中憎兽，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(duì)象的信息吵冒，PLC經(jīng)過對(duì)輸入信息的處理纯命，綜合采集器所獲得的信息，反饋控制監(jiān)控對(duì)象痹栖。另一方面通過對(duì)輸入和操作指令的分析亿汞、判斷、進(jìn)行綜合處理揪阿，輸出控制信號(hào)疗我，實(shí)現(xiàn)對(duì)切割機(jī)的控制。同時(shí)對(duì)PLC采集的信息南捂，對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行故障報(bào)警與參數(shù)顯示吴裤。其具有切割方式選擇控制，系統(tǒng)的啟動(dòng)溺健、停止控制麦牺，切割狀態(tài)的顯示，切割速度的顯示鞭缭，事故報(bào)警顯示等剖膳。
系統(tǒng)中，當(dāng)選擇進(jìn)三退一的切割方式時(shí)学蛤，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)贮祥，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夭菲。當(dāng)選擇逐層切割的方式時(shí)程昨，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)摇轨，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)咖亏。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)行控制肩菲，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)功能已唐，它能夠向PLC反饋?zhàn)陨淼墓ぷ鳡顟B(tài)信號(hào)犹佣，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，向PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào)绞芽。
5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
切割機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)離不開控制系統(tǒng)的軟件皱辞，而且軟件是控制系統(tǒng)的靈魂⊥峒埽控制系統(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)股冗，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)和蚪、步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)止状、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)的控制攒霹，由于切割機(jī)需要控制的對(duì)象較多怯疤，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)置后催束，還要根據(jù)要求切割過程完成輸入信號(hào)的循環(huán)監(jiān)控集峦，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)工作抠刺，完成工件的切割少梁。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)砂輪片的無級(jí)調(diào)速矫付，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)警第焰。系統(tǒng)的流程圖如圖5所示洞歼。在切割工件時(shí)，首先产贤，給定變頻器一個(gè)頻率值宣验，如果頻率值超過50Hz電機(jī)將不能啟動(dòng)，若頻率值在0—50Hz范圍內(nèi)時(shí)鹦房，電機(jī)開始以此頻率旋轉(zhuǎn)娇晦，切割過程中，如果有異常將報(bào)警悲社，否則直至切割完畢停機(jī)镀匈。
6 結(jié)論
(1)切割機(jī)系統(tǒng)具備三種切割方式，直切反没、進(jìn)三退一和分層切割砰洗。使切割機(jī)能夠高效率的切割不同尺寸的零件医惠，增強(qiáng)了使用范圍。選用砂輪片的下半部分切割穿桃，在砂輪片尺寸一定時(shí)器谦，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)行控制痰哨，實(shí)現(xiàn)了砂輪轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)胶果，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)斤斧，可方便的實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)功能早抠。同時(shí)，可通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接調(diào)節(jié)進(jìn)給速度折欠，減少了復(fù)雜的機(jī)械減速裝置贝或，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，提高了傳動(dòng)效率锐秦。
(4)研制出一種操作方便的夾具咪奖，使得工件的裝夾可靠、方便酱床、靈活羊赵，極大的減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
