金相切割機的設(shè)計與研究

　　1金相試樣切割機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　本設(shè)計通過機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的思想對金相試樣切割機的機械主體部分進行了分析與設(shè)計，機電一體化技術(shù)使傳統(tǒng)的機械設(shè)計和改造有了新的思維方法和技術(shù)手段;而且信息處理技術(shù)是機電一體化技術(shù)中必不可少的部分，一個機械系統(tǒng)實現(xiàn)計算機控制，具有信息處理功能，才能實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。電子裝置的有機融入，代替了復(fù)雜的機械裝置，使設(shè)計的金相試樣切割機比以往切割機在滿足工作要求的前提下，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可靠性和穩(wěn)定性高、自動化程度與生產(chǎn)效率高。

　　切割機為立式結(jié)構(gòu)形式，機械設(shè)備主要由動力傳動裝置、執(zhí)行機構(gòu)與卡具、冷卻系統(tǒng)、機體四大部分組成。根據(jù)工件運動和砂輪片運動形式可將金相切割機分為兩類，一類為工件運動，砂輪片固定不動的切割機;另一類為工件固定不動，砂輪片運動的切割機，而運動又分為曲線擺動和直線運動兩種形式?？紤]到切割時砂輪片的受力和工件的重量，所以切割機設(shè)計為當切割較大工件時，砂輪片擺動而工件做往復(fù)運動的形式;當切割較小工件時，砂輪片擺動而工件固定不動的形式。

　　切割過程中，刀具可以上下擺動實現(xiàn)切割進給，工作臺可以實現(xiàn)橫向和縱向的雙向移動以方便切割。砂輪片固定在切割軸上，電動機的輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)過二級V帶傳動實現(xiàn)砂輪的高速旋轉(zhuǎn)。砂輪軸通過橫梁與2號軸相連，由步進電機通過蝸輪蝸桿帶動橫梁上下擺動來實現(xiàn)切割進給運動，并可以調(diào)節(jié)切割進給的距離?？紤]到砂輪軸的自身重量會增加蝸輪的負重而使得切割過程中產(chǎn)生振動影響切割質(zhì)量，在夾板上通過定滑輪設(shè)配重將重量平衡。主電動機為三相異步電動機，通過變頻器實現(xiàn)無級調(diào)速。工作臺由橫向絲杠和縱向絲杠帶動，橫向絲杠通過導(dǎo)塊運動帶動工作臺移動。絲杠兩端分別安裝步進電機和手輪，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，正面開透視玻璃以觀察切割進程。在切割時，由于磨削阻力會產(chǎn)生大量的熱，因此需加冷卻液保證試樣的充分冷卻。為方便吊起整臺切割機，在底座的兩旁安裝吊環(huán)。工作臺下方安裝兩道篩子接取切割屑，底部安裝內(nèi)置水箱循環(huán)提供冷卻液。

　　2傳動機構(gòu)設(shè)計

　　傳動采用V帶傳動，帶傳動是一種柔性傳動機構(gòu)，它特別適合于軸間距比較大的場合。帶傳動是機械行業(yè)常用的傳動方式，它能夠緩沖和吸振，運行平穩(wěn)，無噪聲，應(yīng)用簡單。切割機系統(tǒng)中，主電機的功能為帶動切割片高速旋轉(zhuǎn)，由于帶傳動具有上述優(yōu)點，系統(tǒng)選用帶傳動進行增速提高切割片的轉(zhuǎn)速。兩極傳動保證擺臂旋轉(zhuǎn)運動時不產(chǎn)生中心距的變化。

　　3冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

　　為了保證切割前后試樣的金相組織不變，在切割的過程當中必須對試樣冷卻，冷卻系統(tǒng)由水箱、冷卻泵、出水管、回水管、過濾網(wǎng)組成。在上電后砂輪片旋轉(zhuǎn)的同時，冷卻泵開始工作，把水箱中的冷卻液泵出，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，流向試樣的切割部位，使得砂輪和試樣同時冷卻。冷卻液通過過濾網(wǎng)過濾掉切屑后，由回水管流回水箱，節(jié)省了水資源，保證了切割質(zhì)量。

　　4進給機構(gòu)的設(shè)計

　　由于大型試樣切割機具備了兩種切割模式，所以其進給也包括兩部分，一是砂輪擺臂運行到下限值，工作臺縱向運動，帶動工件進給，從而對夾持工件進行勻速切割。二是砂輪擺臂運行到切割部位，按要求進行勻速切割，當工件尺寸較大時，可采用砂輪臂間歇運動，工作臺縱向進給往復(fù)運動，擴大切割大型零件切割尺寸。而砂輪片的進給則是由步進電機通過蝸輪蝸桿帶動橫梁上下擺動，從而實現(xiàn)砂輪片的進給。

　　5夾具的設(shè)計

　　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，否則在切割時，不能保證試樣的垂直度，而且砂輪片易損壞造成危險。此外，夾具應(yīng)具有自鎖功能，裝夾方便。根據(jù)以上要求設(shè)計了一種快速夾緊夾具，其工作過程為：通過手柄推動夾具夾緊工件，然后旋轉(zhuǎn)手柄，使夾具產(chǎn)生一個作用于工件的力，從而實現(xiàn)夾具的自鎖。此夾具裝夾工作臺面上，隨著工作臺的進給而運動，切割時試樣受力均衡，可以防止截斷后毛刺的產(chǎn)生。而且操作簡單、裝夾方便，極大減輕了勞動強度，提高了切割的效率。

　　車間切割機

　　2 四軸大型金相試樣切割機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　2.1控制系統(tǒng)總體方案的確定

　　在切割機控制系統(tǒng)主要以順序控制為主，大部分要**開關(guān)量控制，控制系統(tǒng)的核心采用可編程序控制器(PLC)，這是因為：切割機的工作環(huán)境非常惡劣，在切割工件時，會有較強的振動、噪聲產(chǎn)生，而且由于需要冷卻工件，工作環(huán)境潮濕，由于PLC的輸入/輸出系統(tǒng)功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)于各種形式和性質(zhì)的開關(guān)量和模擬量信號的輸入和輸出;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、功能復(fù)雜程度及現(xiàn)場環(huán)境各異的各種控制要求，為控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計提供了方便、快捷的途徑，可以大大縮短整個系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試周期，節(jié)約系統(tǒng)投資;PLC維護操作方便，擴展容易，具有較好的性能和較高的可靠性，能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下正常運行，一般平均無故障時間可達幾萬小時以上，PLC具有較高的性能/價格比。另外，PLC還具有較完善的自診斷、自測試功能。所以采用可編程序控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。

　　2.2砂輪片速度調(diào)節(jié)

　　由于砂輪片的轉(zhuǎn)速對切割試樣的質(zhì)量影響較大，所以切割不同的試樣時，砂輪片應(yīng)具有不同的轉(zhuǎn)速。例如：切割硬度大試樣時砂輪片應(yīng)轉(zhuǎn)速較高;而切割銅、鋁等較軟的試樣時砂輪片轉(zhuǎn)速較低。為了凋節(jié)砂輪片的轉(zhuǎn)速必須對異步電動機進行變頻調(diào)速，這樣使得砂輪片的轉(zhuǎn)速范圍加大。通過變頻調(diào)速的電機可使砂輪片的轉(zhuǎn)速從0—3400r/min可調(diào)。

　　2.3工作平臺橫向進給和縱向進給的速度調(diào)節(jié)

　　進給動力主要是由步進電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，從而帶動工作臺的前后或左右移動。步進電機的控制是由PLC來實現(xiàn)的，PLC產(chǎn)生兩路信號，一路為步進脈沖信號CP，步進電機驅(qū)動器每接收一個脈沖信號CP，就驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一步距角，脈沖信號CP的頻率和步進電機的轉(zhuǎn)速成正比，脈沖信號CP的個數(shù)決定了步進電機旋轉(zhuǎn)的角度。另一路為方向電平信號DIR，當DIR為高電平時，步進電機順時針旋轉(zhuǎn);相反，當DIR為低電平時，步進電機為逆時針旋轉(zhuǎn)。這樣，就可以通過調(diào)解PLC的輸出信號來**控制縱向進給的速度了。通過調(diào)整PLC的輸出信號就能控制工作臺的進給位置，達到**定位的效果。進給機構(gòu)示意圖如圖2所示。

　　3控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　由于本控制系統(tǒng)中有一臺異步電動機，三臺步進電機?？梢允褂脝闻_PLC進行多個對象的控制，只要適當?shù)倪x用高性能的PLC，就可以完全實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。所以采用如圖3所示的控制結(jié)構(gòu)：本系統(tǒng)中，PLC利用傳感器采集監(jiān)控電機、變頻器等有關(guān)的各類對象的信息，PLC經(jīng)過對輸入信息的處理，綜**集器所獲得的信息，反饋控制監(jiān)控對象。另一方面通過對輸入和操作指令的分析、判斷、進行綜合處理，輸出控制信號，實現(xiàn)對切割機的控制。同時對PLC采集的信息，對監(jiān)控對象進行故障報警與參數(shù)顯示。其具有切割方式選擇控制，系統(tǒng)的啟動、停止控制，切割狀態(tài)的顯示，切割速度的顯示，事故報警顯示等。

　　系統(tǒng)中，當選擇進**一的切割方式時，PLC對變頻器和驅(qū)動懸臂上下運動的步進電機驅(qū)動器發(fā)出控制信號，且根據(jù)傳感器采集的信號自動調(diào)節(jié)變頻器的頻率，使得砂輪片的轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)切割時砂輪片受力的不同而改變。當選擇逐層切割的方式時，PLC不僅對變頻器和驅(qū)動懸臂上下運動的步進電機驅(qū)動器發(fā)出控制信號，而且對驅(qū)動X-向和Y-向運動的步進電機驅(qū)動器發(fā)出控制信號，實現(xiàn)工作臺的往復(fù)運動。其中變頻器能夠接收PLC輸出的模擬信號對其輸出頻率進行控制，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和電機保護功能，它能夠向PLC反饋自身的工作狀態(tài)信號，當發(fā)生故障時，向PLC發(fā)出報警信號。

　　4控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　切割機功能的實現(xiàn)離不開控制系統(tǒng)的軟件，而且軟件是控制系統(tǒng)的靈魂?？刂葡到y(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)主程序的設(shè)計和各個功能模塊子程序的設(shè)計，其中各功能模塊的設(shè)計主要有上位機與PLC之間通訊子程序的設(shè)計、變頻器控制程序設(shè)計、步進電機控制程序設(shè)計、交流低速電機的設(shè)計等。

　　4.1控制系統(tǒng)主程序的設(shè)計

　　主程序的功能包括系統(tǒng)的初始化和系統(tǒng)的控制，由于切割機需要控制的對象較多，所以系統(tǒng)的控制部分比較復(fù)雜，它在接收PLC命令對系統(tǒng)進行設(shè)置后，還要根據(jù)要求切割過程完成輸入信號的循環(huán)監(jiān)控，并輸出不同的信號對系統(tǒng)的各個執(zhí)行部件進行控制，使其協(xié)調(diào)工作，完成工件的切割。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

　　4.2變頻器的控制程序

　　變頻器的控制實現(xiàn)砂輪片的無級調(diào)速，根據(jù)切割的狀態(tài)能夠自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。出現(xiàn)異常時能夠報警。系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。在切割工件時，首先，給定變頻器一個頻率值，如果頻率值超過50Hz電機將不能啟動，若頻率值在0—50Hz范圍內(nèi)時，電機開始以此頻率旋轉(zhuǎn)，切割過程中，如果有異常將報警，否則直至切割完畢停機。