楊漢松，張永俊，鄧志敏

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006）

發(fā)動機連桿裂解工藝是當今最新的連桿加工技術(shù)，有著傳統(tǒng)連桿加工方法無可比擬的優(yōu)越性，其加工工序少，可節(jié)省精加工設(shè)備，節(jié)材節(jié)能，生產(chǎn)成本低[1]。連桿裂解槽電火花線切割加工是在連桿裂解前，在連桿大頭孔內(nèi)表面兩側(cè)各切出一條裂解應(yīng)力槽，產(chǎn)生一個裂解應(yīng)力集中區(qū)域，以利于后續(xù)的裂解[2]。其中，裂解應(yīng)力槽的槽深是否一致在很大程度上決定了裂解加工過程中斷裂區(qū)域的應(yīng)力集中程度，是影響裂解力和質(zhì)量的最主要因素之一。

在實際生產(chǎn)中，由于連桿毛坯內(nèi)孔有誤差、鉬絲與連桿初始位置的不同，要想保證切槽槽深的一致，需在每次加工前進行精確對刀，這會嚴重影響生產(chǎn)效率。本文設(shè)計了一種具有恒切深自動控制的電火花線切割機床控制系統(tǒng)，能保證切割的槽深一致，滿足大批量生產(chǎn)高效加工的要求。

1 控制系統(tǒng)組成

電火花線切割機床的控制系統(tǒng)主要由PIC單片機控制器、檢測電路、電機、線切割電源等組成。其中，檢測電路包括間隙電壓取樣電路、間隙狀態(tài)識別電路及壓頻控制電路。系統(tǒng)各部分組成見圖1。

圖1 系統(tǒng)各部分連接關(guān)系

PIC單片機系統(tǒng)控制線切割加工前的鉬絲快速進給，接近工件時的低速進給，以及加工過程中的短路回退和加工完畢的快速回退。壓頻控制電路具體負責線切割加工的進給，根據(jù)加工間隙電壓的大小生成相應(yīng)的頻率進行控制。間隙電壓取樣電路和間隙狀態(tài)識別電路則是對加工間隙的電壓進行平均值取值，判別間隙的狀態(tài)，并將不同的加工間隙狀態(tài)反饋到單片機系統(tǒng)。

2 檢測電路的設(shè)計

2.1 間隙電壓取樣電路設(shè)計

間隙電壓取樣的目的是為了獲取加工放電間隙大小，再通過控制在一個適當?shù)募庸らg隙來獲得電火花加工穩(wěn)定的加工速度、良好的加工表面和加工精度[3]。因此，設(shè)計的間隙電壓取樣電路必須能取樣到正常加工的電壓信號。本文設(shè)計了如圖2所示的取樣電路，電路中D1限制了短路電壓與電弧放電電壓的通過，只能取樣到空載與正常加工時的電壓信號。R1、C1組成濾波電路，并由于其具有滯后特性，對取樣電壓進行定時采樣，有助于加工的穩(wěn)定。D6限制了輸出的最大電壓，可保證壓頻控制線切割加工中的電機最大速度。

圖2 取樣電路原理圖

2.2 間隙狀態(tài)識別電路設(shè)計

間隙狀態(tài)識別電路的作用是識別正?；鸹ǚ烹娂庸さ拈g隙電壓（18～25 V）和短路或電弧放電電壓[4]。當識別電路識別出正常加工間隙電壓時，PIC控制器首先釋放對步進電機的控制，然后再驅(qū)動壓頻控制電路進行切割進給。當加工過程中出現(xiàn)短路狀態(tài)時，識別電路從取樣電壓中進行識別，然后給PIC控制器中斷信號，控制器則執(zhí)行短路回退動作。

間隙狀態(tài)識別電路由電壓比較器組成，其電路原理見圖3。取樣的間隙電壓分別輸入到U1A和U2A組成的窗口比較器和U3A的電壓比較器中。當處于正?；鸹ǚ烹娂庸r，NPN三極管截至，Vzout輸出高電平；當處于短路和電弧放電狀態(tài)時，PNP截至，Vdout輸出高電平。PIC控制器根據(jù)接收到的信號來源進行相應(yīng)的動作。

2.3 壓頻控制電路設(shè)計

壓頻控制電路的作用是通過電火花線切割切槽過程中的加工間隙電壓來控制步進電機進給頻率。調(diào)定一個切割加工的合適間隙，當切割加工進行時，控制電路可根據(jù)間隙大小產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號來控制步進電機。加工間隙較大時，間隙電壓就大，壓頻電路轉(zhuǎn)換出來的頻率就高，步進電機進給就快；反之，加工間隙較小時，間隙電壓就小，轉(zhuǎn)換出來的頻率就低，步進電機進給就慢。利用壓頻控制電路可使間隙維持在一個最佳范圍內(nèi)，以滿足加工要求。壓頻控制電路原理見圖4。間隙取樣電壓經(jīng)光耦隔離后輸入至LM331壓頻轉(zhuǎn)換芯片，電壓經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)化后輸出為對頻率的脈沖信號。

圖3 間隙狀態(tài)識別電路

圖4 壓頻控制電路原理圖

3 PIC控制器軟件設(shè)計

PIC單片機是一種微控制器，具有哈佛總線結(jié)構(gòu)，故CPU執(zhí)行指令的速度快；還具有精簡指令集技術(shù)、尋址方式簡單、功耗低、驅(qū)動能力強、外接電路簡單、品種豐富、程序保密性強等特點。本設(shè)計采用高檔的8位系列PIC單片機PIC18F458，它具有16位指令寬度，還具有2 M程序存儲空間和4 K數(shù)據(jù)存儲空間，極大地方便了C語言的設(shè)計與編程。

PIC單片機的運動控制模塊作為整個運動控制系統(tǒng)的主控制模塊，要求能在切割加工前實現(xiàn)工具電極快速平穩(wěn)進給和檢測加工狀態(tài)，并對相應(yīng)的加工狀態(tài)做出響應(yīng)，即檢測到正常加工狀態(tài)時要釋放對步進電機的進給控制，并把控制信號交給壓頻控制電路，在檢測到短路狀態(tài)時要進行短路回退。此外，加工過程中對切割深度的控制是通過控制切割加工的進給脈沖數(shù)實現(xiàn)的。最后，在加工完畢后要實現(xiàn)快速平穩(wěn)的回退。為了避免步進電機在加工中出現(xiàn)失步等問題，在工具電極快速進給和加工完畢后的快速回退，需對步進電極的升降速進行控制，以使加工更加平穩(wěn)。PIC控制系統(tǒng)軟件程序的流程見圖5。

圖5 PIC單片機控制系統(tǒng)軟件程序流程圖

4 實驗驗證

4.1 實驗方案設(shè)計

本文利用電火花線切割機床對恒切深控制系統(tǒng)進行實驗分析，考察工件邊緣與鉬絲進給方向垂直、傾斜的兩種情況對切槽深度的控制。假設(shè)當工件與鉬絲相互垂直時，此時鉬絲與工件之間的原始距離為S1（圖6a）；當工件與鉬絲傾斜時，鉬絲與工件之間的原始距離變?yōu)?S2（圖 6b），且令 S2＞S1。 針對兩種位置情況各做4組實驗。實驗選用的加工條件為：線切割電源頻率10 kHz，加工電壓110 V，占空比0.3。

圖6 實驗方案示意圖

4.2 實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

電火花線切割加工的槽深尺寸測量數(shù)據(jù)見表1，圖7、圖8分別是經(jīng)CCD測量得到的工件圖。

從表1可看出，兩種方式切割出來的槽深誤差較小，證明所設(shè)計的具有恒切深控制功能的電火花線切割機床控制系統(tǒng)是可行的。

表1 兩種方案切割槽深的數(shù)據(jù)記錄

圖7 直切工件圖

圖8 斜切工件圖

5 結(jié)束語

研制了具有恒切深控制功能的電火花線切割機床控制系統(tǒng)，并對其中的硬件檢測和軟件控制部分進行了詳細說明。經(jīng)初步實驗證明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、性能良好，具有較大的推廣應(yīng)用價值。

[1]寇淑清，楊慎華，鄧春萍，等.裂解工藝——發(fā)動機連桿制造最新技術(shù)[J].中國機械工程，2001，12（7）：839-841.

[2] 寇淑清，楊慎華，趙勇，等.發(fā)動機連桿裂解加工及其關(guān)鍵技術(shù)[J].吉林大學學報（工學版），2004，34（1）：85-90.

[3] 霍孟友，張建華，艾興.電火花放電加工間隙狀態(tài)檢測方法綜述[J].電加工與模具，2003（3）：17-20.

[4] 鄭紅，賈志新，郭永豐，等.電火花加工中脈沖電源放電維持電壓研究 [J].哈爾濱工業(yè)大學學報，1998，30（3）：99-102.