郭金亮 趙云偉 魏召剛

摘 ? 要：該文依據(jù)柴油機(jī)曲軸油孔加工精度要求，開(kāi)發(fā)了以可編程控制器為控制核心，以觸摸屏為人機(jī)交互裝置，以變頻器為動(dòng)力頭行走驅(qū)動(dòng)裝置，以旋轉(zhuǎn)編碼器為位移檢測(cè)裝置的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了曲軸油孔加工時(shí)的自動(dòng)定位。在保證油孔定位精度滿足要求的前提下，大幅度降低了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和技能要求，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);曲軸油孔;定位

中圖分類號(hào)：TK426 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

曲軸是柴油機(jī)中造價(jià)相對(duì)較高的重要零部件之一，其使用壽命決定著柴油機(jī)整機(jī)的壽命。曲軸將連桿傳來(lái)的力轉(zhuǎn)化為扭矩，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的其他附件工作。為減少連桿與曲軸軸頸相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦，在每個(gè)軸徑上都設(shè)有油道孔，以便將機(jī)油引入引出，用以潤(rùn)滑軸徑表面。油孔潤(rùn)滑供給能力的好壞，直接影響曲軸以及連桿的使用壽命，因此對(duì)曲軸油孔加工時(shí)有嚴(yán)格的精度要求。

1 曲軸油孔加工現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，曲軸連桿軸頸潤(rùn)滑油主要來(lái)源于支承軸頸與連桿軸頸之間的潤(rùn)滑油孔。該類油孔屬于在回轉(zhuǎn)面上傾斜加工的深孔，直徑較小，并且油孔分布很多，都在曲面或斜面上，這就給加工帶來(lái)很大難度。因此傳統(tǒng)加工方法需要多次安裝，甚至需要2套工裝夾具協(xié)作才能完成曲軸油孔的加工定位。這種方法除了因多次安裝定位造成誤差積累影響潤(rùn)滑油孔加工質(zhì)量外，還存在生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。

對(duì)于曲軸油孔的加工，目前主要有2種方式。1）使用大型通用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。2）使用簡(jiǎn)單設(shè)備人工加工。第1種方式因大型柴油機(jī)曲軸長(zhǎng)度太大導(dǎo)致加工過(guò)程復(fù)雜，需要多次變換工件姿態(tài)才能完成多個(gè)油孔的加工，因此數(shù)控設(shè)備的效率較低。而且數(shù)控機(jī)床成本較高，導(dǎo)致該方式性價(jià)比偏低。第2種方式采用簡(jiǎn)單設(shè)備人工加工時(shí)，如何將2個(gè)不在一個(gè)平面上的直油孔按要求貫通將是一個(gè)非常難處理的工作。雖然理論上存在很多斜油孔定位的方法，但在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)施，因此依靠簡(jiǎn)單設(shè)備人工加工是難以保證質(zhì)量和效率的。

2 油孔定位系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

依據(jù)大型柴油機(jī)曲軸制造工藝，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：動(dòng)力頭軸向定位自動(dòng)控制、直油孔一鍵加工控制、斜油孔一鍵加工控制，且滿足各貫通孔的相對(duì)位置誤差在±0.01 mm，從而在保證曲軸油孔加工精度的基礎(chǔ)上，降低操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和技能要求。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該文根據(jù)油孔加工的控制功能和精度要求設(shè)計(jì)了曲軸油孔定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用曲軸軸向固定、絲杠拖動(dòng)動(dòng)力頭軸向移動(dòng)的方式控制油孔定位。曲軸在軸向位置固定不動(dòng)，但是可以徑向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)專用工裝控制加工面，調(diào)整到位后通過(guò)機(jī)械裝置抱緊。直油孔和斜油孔分別采用獨(dú)立的動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)槍鉆加工，在鉆孔時(shí)鉆頭伸出動(dòng)力頭進(jìn)行加工，當(dāng)需要移位時(shí)鉆頭縮回動(dòng)力頭內(nèi)。直油孔和斜油孔的槍鉆鉆頭的角度在加工前根據(jù)曲軸具體類型和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，完成后在下次加工時(shí)不需要重新調(diào)整。直油孔和斜油孔的動(dòng)力頭安裝時(shí)靠在一起，相對(duì)位置固定不變，所以在校準(zhǔn)時(shí)只需要一次尋零動(dòng)作即可，減小了多次尋零造成的累計(jì)誤差。曲軸油孔軸向定位裝置示意圖如圖1所示。

2.3 加工過(guò)程

加工前，要保證動(dòng)力頭在初始原點(diǎn)，如果不在則執(zhí)行一鍵歸零命令，通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭移至絲杠驅(qū)動(dòng)端原點(diǎn)位置（通過(guò)限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)定）。加工時(shí)首先在觸摸屏上設(shè)置曲軸基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（缸數(shù)、直油孔孔距、第一個(gè)油孔位置數(shù)據(jù)等），然后執(zhí)行一鍵定位加工命令。加工時(shí)首先是直油孔，待所有直油孔全部加工完畢后，要將動(dòng)力頭移至原點(diǎn)位置進(jìn)行校準(zhǔn)，然后再進(jìn)行斜油孔加工。當(dāng)所有油孔加工完成后，要將動(dòng)力頭移至原點(diǎn)位置進(jìn)行校準(zhǔn)，為下次加工做準(zhǔn)備，也就是設(shè)備復(fù)位的過(guò)程。通過(guò)這種控制方式可以有效避免直油孔和斜油孔交替加工過(guò)程中產(chǎn)生的累計(jì)誤差。

3 硬件選型及定位原理

在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮控制要求、產(chǎn)品功能、安全、環(huán)保和成本等因素，采用以緊湊型可編程控制器（PLC）為控制核心，以觸摸屏（HMI）為人機(jī)交互裝置，以工業(yè)變頻器為動(dòng)力頭行走驅(qū)動(dòng)裝置，以旋轉(zhuǎn)編碼器為動(dòng)力頭檢測(cè)定位裝置的技術(shù)路線。

3.1 硬件選型

3.1.1 可編程控制器

采用歐姆龍CPM2A-60CDR作為核心控制部件，進(jìn)行邏輯運(yùn)算、程序控制與通信控制等，可實(shí)現(xiàn)同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出等功能。其具備36路繼電器輸入和24路繼電器輸出;另帶有2路脈沖輸出，可以使用2路無(wú)加速和減速功能的單相輸出，也可以使用2路不同占空比的脈沖輸出或帶梯形加速和減速功能的脈沖輸出。利用可編程控制器的脈沖輸入輸出功能實(shí)現(xiàn)定位功能。

3.1.2 觸摸屏

采用MT4300C用于輸入曲軸數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控加工情況等。觸摸屏人機(jī)界面是在操作人員和機(jī)器設(shè)備之間做雙向溝通的橋梁。根據(jù)需求通過(guò)自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來(lái)輸入、監(jiān)控、管理隨時(shí)可能變化的設(shè)備信息。

3.1.3 變頻器

富士FRN5.5G11S-4CX，屬于低噪聲、高性能、多功能變頻器。利用其動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制可在各種運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的最佳控制，實(shí)現(xiàn)更高性能、更高精度的運(yùn)行，速度控制精度可達(dá)到±0.02%，在電動(dòng)機(jī)低速時(shí)脈動(dòng)大大減小。

3.1.4 旋轉(zhuǎn)編碼器

采用歐姆龍E6B2-CWZ6C 600P/R，其屬于增量型、集電極開(kāi)路輸出（NPN）型旋轉(zhuǎn)編碼器，附有逆接、負(fù)荷短路保護(hù)回路，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。該編碼器分辨率為600P/R，絲杠導(dǎo)程為3 mm，編碼器每個(gè)脈沖位移為0.005 mm，完全滿足精度要求。

3.2 定位原理

系統(tǒng)采用的可編程控制器具有脈沖輸入輸出功能，從而利用脈沖控制實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的準(zhǔn)確控制。其在用作單相脈沖輸出時(shí)，可以有頻率范圍為10 Hz～10 000 Hz的固定占空比或頻率范圍為0.1 Hz～999.9 Hz的可變占空比（0～100%占空比）2種輸出。通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖輸出占空比就可以調(diào)節(jié)變頻器的輸出電流和輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

另外，系統(tǒng)中采用的變頻器具備直流制動(dòng)模式，利用該模式可以實(shí)現(xiàn)精確定位。所謂直流制動(dòng)，一般指當(dāng)變頻器輸出頻率接近于零，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到一定數(shù)值時(shí)，變頻器向異步電動(dòng)機(jī)定子繞組中通入直流，形成靜止磁場(chǎng)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)子切割該靜止磁場(chǎng)而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速停止。直流制動(dòng)可以用于要求準(zhǔn)確停車的情況。

總之，系統(tǒng)利用可編程控制器、變頻器和旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成半閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)直線速度和位移的計(jì)算，在電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)可以逼近目標(biāo)實(shí)現(xiàn)精確定位。系統(tǒng)工作時(shí)，在變頻器中預(yù)先設(shè)置好直流制動(dòng)電壓、直流制動(dòng)時(shí)間、直流制動(dòng)頻率等參數(shù)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)到動(dòng)力頭接近目標(biāo)位置時(shí)，變頻器切換至直流制動(dòng)模式，配合可編程控制器的脈沖控制功能逼近目標(biāo)，達(dá)到精確定位。曲軸油孔定位控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著大型艦船設(shè)備的日益普及，對(duì)大型柴油機(jī)曲軸加工的質(zhì)量和效率都有了更高的要求。該系統(tǒng)依據(jù)柴油機(jī)曲軸油孔工藝設(shè)計(jì)要求，開(kāi)發(fā)了油孔專機(jī)定位系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，系統(tǒng)不僅能夠滿足所有控制功能及精度要求，而且相比數(shù)控機(jī)床節(jié)約了大量的造價(jià)成本，提高了生產(chǎn)效率，降低了操作工人的技能要求。另外，該設(shè)計(jì)還可為柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)制造曲軸加工設(shè)備或相關(guān)機(jī)械設(shè)備的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供參考。

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