肖成軍，張永俊 ，吳 濤

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(shù)是上世紀(jì)90年代興起的一種革命性的加工技術(shù)，它是對(duì)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(yīng)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(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，研制連桿裂斷機(jī)床對(duì)于推動(dòng)連桿裂斷新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。廣東工業(yè)大學(xué)自主研制的連桿裂斷機(jī)床具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高的特點(diǎn)，但在實(shí)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(yán)重不適應(yīng)連續(xù)生產(chǎn)等問(wèn)題，經(jīng)分析，引起上述問(wèn)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(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)改進(jìn)加工工藝流程，保證機(jī)床高效、可靠的運(yùn)行。

1 連桿裂斷機(jī)床總述

1．1 結(jié)構(gòu)及工作原理

連桿裂斷機(jī)床主要包括機(jī)床本體、液壓系統(tǒng)及機(jī)床控制系統(tǒng)三大部分。連桿裂斷機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由工件定位機(jī)構(gòu)、裂斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)及輔助復(fù)位機(jī)構(gòu)組成。

圖1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)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(duì)半圓柱形可開(kāi)合的動(dòng)脹套及靜脹套組成，連桿的肩位有一對(duì)頂止銷進(jìn)行定位，在裂斷過(guò)程中對(duì)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(jī)構(gòu)由主油缸帶動(dòng)拉桿，采用“下拉楔塊式”實(shí)現(xiàn)動(dòng)脹套和靜脹套的分離，對(duì)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(fù)位機(jī)構(gòu)由左油缸帶動(dòng)小滑臺(tái)及右油缸帶動(dòng)大滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(fù)位裝卸工件。

機(jī)床液壓系統(tǒng)作為機(jī)床運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，是機(jī)床的重要組成部分。影響連桿裂斷加工的機(jī)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(guò)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中則沒(méi)有特殊要求。執(zhí)行裂斷加工時(shí)，輸出裂斷力的大小及裂斷力加載速度對(duì)保證加工質(zhì)量極其關(guān)鍵，因而液壓系統(tǒng)高壓瞬時(shí)大流量切換至關(guān)重要。上一代機(jī)床存在不能實(shí)時(shí)保證主油路的高壓力以及大流量切換不夠靈敏的問(wèn)題，易導(dǎo)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(jìn)行改進(jìn):液壓系統(tǒng)的主油路連接蓄能器，并在主油路安裝一個(gè)壓力傳感器，通過(guò)液壓泵不斷給蓄能器供油，當(dāng)壓力傳感器測(cè)得主油路壓力高于設(shè)定的極限高壓時(shí)，液壓系統(tǒng)卸荷，液壓油進(jìn)入冷卻循環(huán)回路或者關(guān)停液壓泵電機(jī);當(dāng)壓力傳感器測(cè)得主油路壓力小于設(shè)定的極限低壓時(shí)，液壓泵繼續(xù)向蓄能器供油，保證蓄能器中實(shí)時(shí)儲(chǔ)存足夠的高壓油供給油缸所需。執(zhí)行裂斷時(shí)，通過(guò)控制切換供油回路，蓄能器迅速對(duì)主油缸補(bǔ)充大流量高壓油，保證主油缸輸出力及下拉速度。

機(jī)床在執(zhí)行裂斷加工時(shí)，對(duì)機(jī)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(shí)拉桿斜楔與動(dòng)脹套以及大頭銷與連桿工件大頭孔之間存在間隙導(dǎo)致的。通過(guò)安裝接近開(kāi)關(guān)對(duì)油缸位置進(jìn)行限定，并改進(jìn)油缸動(dòng)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(diǎn)位置:E6 得電，主油缸動(dòng)作，以小流量小壓力推至上限位;E2 得電，左油缸動(dòng)作，推至右限位;E4 得電，右油缸動(dòng)作，推至左限位。完成回原點(diǎn)。

(2)放入連桿工件，按下裂斷起動(dòng)按鈕。

(3)裂斷加工過(guò)程:E1 得電，左油缸動(dòng)作，執(zhí)行延時(shí)拉動(dòng)T1 至指定位置，失電進(jìn)行保壓;E3 得電，右油缸動(dòng)作，執(zhí)行延時(shí)拉動(dòng)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(dòng);E5 得電，主油缸動(dòng)作，以小壓力小流量下拉延時(shí)T3 消除拉桿與動(dòng)脹套之間隙后，E5 失電，E7 得電，切換大壓力大流量回路，通過(guò)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(shí)，E7 失電。

(4)復(fù)位回原點(diǎn)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(yīng)，這就要求機(jī)床控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控液壓系統(tǒng)運(yùn)行情況，并做出控制指令。機(jī)床控制系統(tǒng)需要控制油缸動(dòng)作、監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)狀況及設(shè)定工藝參數(shù)，既有開(kāi)關(guān)量的控制，又有模擬量的采集顯示與控制，機(jī)床控制器選型三菱FX2N-48MR 系列PLC 及FX2N-4AD 模塊，人機(jī)交互界面采用威綸通觸摸屏［6-7］?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 機(jī)床控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 裂斷機(jī)床控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 主電路及控制電路設(shè)計(jì)

主電路是機(jī)床的動(dòng)力電路，采用熔斷器、交流接觸器、熱繼電器、空氣開(kāi)關(guān)等給液壓泵電機(jī)和冷卻風(fēng)機(jī)供電，主電機(jī)功率為5．5 kW，采用直接啟動(dòng)的方式。控制電路通過(guò)變壓器提供220 V 的電源，設(shè)計(jì)了液壓泵電機(jī)、冷卻電機(jī)啟停及保護(hù)電路、24 V 開(kāi)關(guān)電源及PLC供電電路等。

2．2 PLC 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(kāi)關(guān)電源。輸入單元是操作面板的按鈕開(kāi)關(guān)和限位開(kāi)關(guān)輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)，設(shè)計(jì)了裂斷加工開(kāi)始按鈕SB1、液壓泵電機(jī)啟動(dòng)按鈕SB4 及急停按鈕SB3 等;限位開(kāi)關(guān)選型歐姆龍非接觸式接近開(kāi)關(guān)，具有工作可靠、定位精度高、感應(yīng)靈敏的特點(diǎn)，用于油缸動(dòng)作極限位置的限定。為了保護(hù)PLC 的輸出端口不被損壞及便于維護(hù)，確保電磁閥動(dòng)作的可靠性，本研究設(shè)計(jì)了PLC 輸出口驅(qū)動(dòng)小功率電磁繼電器，再利用繼電器間接驅(qū)動(dòng)液壓電磁閥和其他電氣元件，通過(guò)控制電磁閥和繼電器的通斷邏輯順序，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的功能［8］。PLC 輸出負(fù)載多為直流回路的感性負(fù)載，為保護(hù)PLC 的輸出觸點(diǎn)，應(yīng)在負(fù)載兩端并聯(lián)接入續(xù)流二極管吸收保護(hù)電路。FX2N-4AD 輸入模塊作為PLC 的功能擴(kuò)展模塊，使用其中的2 個(gè)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(guò)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(hào)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(jié)構(gòu)框圖

3 裂斷機(jī)床控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1 PLC 程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)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(gè)子程序模塊，主要包括:手動(dòng)操作、自動(dòng)運(yùn)行、數(shù)值采集及轉(zhuǎn)換及報(bào)警處理程序等。在主程序中對(duì)這些子程序模塊進(jìn)行組織和調(diào)用［9］。對(duì)于機(jī)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(jìn)指令結(jié)合使用，可用于自動(dòng)設(shè)置具有多種工作方式控制系統(tǒng)的初始狀態(tài)和相關(guān)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(dòng)方式、原點(diǎn)回歸、自動(dòng)運(yùn)行程序即可，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作［10］。筆者編寫了多工作方式的PLC 程序，其程序結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 PLC 程序結(jié)構(gòu)圖

(1)主程序。設(shè)計(jì)了液壓泵電機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)的啟停，緊急停機(jī)，手動(dòng)蓄能，低壓自動(dòng)蓄能，高壓自動(dòng)卸荷，以及加工過(guò)程監(jiān)控。

(2)回原點(diǎn)程序。自動(dòng)執(zhí)行回歸原點(diǎn)位置。

(3)手動(dòng)控制程序。為了便于系統(tǒng)調(diào)試，本研究設(shè)計(jì)了各個(gè)油缸的點(diǎn)動(dòng)操作，為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須增加一些相互之間的互鎖和連鎖。

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

圖5 自動(dòng)運(yùn)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(duì)BFM(緩沖寄存器)進(jìn)行操作，通過(guò)TO 指令寫入轉(zhuǎn)換控制指令，利用FROM 指令將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入PLC［11］。該程序利用四則運(yùn)算指令和A/D 轉(zhuǎn)換的輸出特性，對(duì)采集到的數(shù)值進(jìn)行處理并在觸摸屏上顯示。需要注意的是，應(yīng)該利用浮點(diǎn)型指令對(duì)數(shù)值進(jìn)行處理。

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

3．2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

觸摸屏作為人機(jī)交互的媒介，既可以對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控，同時(shí)又可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。觸摸屏主要設(shè)計(jì)了參數(shù)設(shè)置界面、手動(dòng)操作界面和自動(dòng)運(yùn)行界面。參數(shù)設(shè)置界面能夠進(jìn)行工作方式選擇，設(shè)置重要工藝參數(shù)，如主油路極限高低壓、油缸延時(shí)動(dòng)作時(shí)間等，以及機(jī)床其他功能操作。手動(dòng)操作界面能夠?qū)τ透椎膭?dòng)作進(jìn)行操作，并對(duì)PLC 的輸入/輸出口監(jiān)視。自動(dòng)運(yùn)行界面如圖6 所示，該界面設(shè)計(jì)了加工過(guò)程指示、重要參數(shù)檢測(cè)及報(bào)警、PLC 輸入/輸出口的狀態(tài)顯示，以及功能操作按鈕。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究介紹了自主研制的連桿裂斷機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)，優(yōu)化機(jī)床控制策略及加工工藝，并對(duì)機(jī)床控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)床電氣電路進(jìn)行設(shè)計(jì)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(yàn)證了機(jī)床控制系統(tǒng)的可行性。觸摸屏顯示的實(shí)時(shí)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(jī)床輸出裂斷力的大小及裂斷力加載速度滿足要求。機(jī)床具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 觸摸屏自動(dòng)運(yùn)行界面

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