杜軒宇，張永俊，彭世康，黃 榕，劉祥發(fā)

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州，510006）

雙工位連桿裂斷機(jī)床控制系統(tǒng)研究

杜軒宇，張永俊，彭世康，黃 榕，劉祥發(fā)

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州，510006）

針對(duì)單工位連桿裂斷機(jī)床，加工效率較低的問(wèn)題，對(duì)連桿裂斷機(jī)床結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出了一種雙工位連桿裂斷機(jī)床。通過(guò)優(yōu)化液壓系統(tǒng)的控制策略，改進(jìn)了連桿裂斷的工藝流程，減少該機(jī)床連桿的加工時(shí)間。在三菱PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)上，增加了油箱液位檢測(cè)、油箱液壓油溫度檢測(cè)和液壓壓力檢測(cè)，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)運(yùn)行、故障報(bào)警的功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，改進(jìn)后的機(jī)床不僅加工效率提高，而且連桿裂斷的質(zhì)量達(dá)到加工要求。

雙工位；連桿裂斷；PLC控制系統(tǒng)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車行業(yè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)需求越來(lái)越大。連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，需要盡可能提高加工效率以滿足需求。為此，出現(xiàn)了連桿裂斷技術(shù)。連桿裂斷技術(shù)是對(duì)桿身和連桿蓋結(jié)合面進(jìn)行無(wú)屑斷裂的加工技術(shù)，具有加工工序少、設(shè)備投資小、制造成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好、裝備精度高、承載能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

為了進(jìn)行連桿裂斷技術(shù)加工，需要相應(yīng)的連桿裂斷設(shè)備。目前，美國(guó)福特公司、通用公司、Tri-Way Machine公司、MTS公司，德國(guó)Ex-cell-o公司、Alfing Kessler Tools公司、Mauser公司，加拿大三通機(jī)械工具公司，日本豐田公司、本田公司、YASUNAGA公司等都具備連桿裂斷設(shè)備的研制能力[1，2]。國(guó)內(nèi)，吉林大學(xué)最早開(kāi)始進(jìn)行連桿裂斷設(shè)備的研制，并研制成功CSE-400及CSE-600兩種型號(hào)的定向裂斷機(jī)床[3]。廣東工業(yè)大學(xué)于2009年研制了雙油缸連桿裂斷機(jī)床[4]，并于2015年研制了三油缸連桿裂斷機(jī)床控制系統(tǒng)[5]。

現(xiàn)在市面上的機(jī)床都采用單工位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工人裝夾的時(shí)間占到機(jī)床加工的大部分時(shí)間，而雙工位機(jī)床擁有兩個(gè)工位可以交替加工，縮短了工人裝夾時(shí)間，從而提高了機(jī)床加工效率。

1 雙工位連桿裂斷機(jī)床總述

1.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)

雙工位連桿裂斷機(jī)床由機(jī)床主體結(jié)構(gòu)、機(jī)床液壓系統(tǒng)和機(jī)床電氣控制系統(tǒng)三大部分組成。機(jī)床主體結(jié)構(gòu)由連桿夾緊機(jī)構(gòu)、裂斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)、復(fù)位機(jī)構(gòu)和工位切換機(jī)構(gòu)組成（如圖1所示）。連桿夾緊機(jī)構(gòu)根據(jù)“一面兩孔”的定位準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，連桿放入脹套，依靠自身重力放在夾具上，在連桿大頭端左邊有兩個(gè)連接油缸的頂銷，當(dāng)收到夾緊信號(hào)時(shí)兩個(gè)頂銷會(huì)頂住連桿的左端，保證連桿在裂斷過(guò)程中，裂斷后的端蓋不會(huì)斷裂飛出。裂斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用“楔形塊”的方式進(jìn)行斷裂加工，當(dāng)主油缸向下動(dòng)作時(shí)，動(dòng)脹套和靜脹套分開(kāi)，水平方向上產(chǎn)生一個(gè)力使連桿裂斷。復(fù)位機(jī)構(gòu)由油缸和滑臺(tái)構(gòu)成，裂斷執(zhí)行完成，右油缸推動(dòng)右滑臺(tái)向左運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)脹套和靜脹套合攏。

圖1 機(jī)床主體結(jié)構(gòu)

1.2 連桿裂斷工藝流程

（1）兩個(gè)工位同時(shí)放入連桿，首先單個(gè)工位開(kāi)始工作，按下啟動(dòng)按鈕，加工開(kāi)始。

（2）單個(gè)工位裂斷加工過(guò)程：左油缸電磁閥得電，左油缸動(dòng)作，將兩個(gè)頂桿推出，夾緊連桿，持續(xù)時(shí)間1.2 s；右油缸電磁閥得電，右油缸拉動(dòng)右滑臺(tái)，持續(xù)動(dòng)作時(shí)間1.2 s，消除連桿和脹套之間的間隙；然后主油缸電磁閥得電，主油缸開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連桿斷裂。

（3）單個(gè)工位脹套復(fù)位過(guò)程：主油缸電磁閥得電，主油缸上推，到達(dá)上限位，右油缸電磁閥得電右油缸左推，脹套合攏，中間繼電器得電，工位切換。

以上加工工藝流程的控制流程，如圖2所示。

圖2 控制流程圖

2 機(jī)床控制系統(tǒng)

由于液壓系統(tǒng)在工作中會(huì)發(fā)生油溫過(guò)高的現(xiàn)象、油箱漏油的現(xiàn)象，在使用過(guò)程中需要對(duì)這些變量進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)油溫過(guò)高時(shí)需要打開(kāi)冷卻風(fēng)機(jī)，油箱液位過(guò)低時(shí)要打開(kāi)報(bào)警通知機(jī)床使用者處理。故控制系統(tǒng)不僅需要檢測(cè)、控制開(kāi)關(guān)量還需要通過(guò)檢測(cè)模擬量輸出開(kāi)關(guān)量，故整個(gè)控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

2.1 裂斷機(jī)床主電路設(shè)計(jì)

裂斷機(jī)床的主電路采用熔斷器、交流接觸器、熱繼電器構(gòu)成液壓泵電機(jī)和風(fēng)機(jī)電機(jī)的保護(hù)電路，主電機(jī)采用直接啟動(dòng)方式。

2.2 裂斷機(jī)床控制電路的設(shè)計(jì)

為了檢測(cè)液壓系統(tǒng)的壓力和液壓系統(tǒng)的油溫采用FX-2n 4ad模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，溫度傳感器采用兩線式4~20 ma傳感器，量程為-50~100度，壓力傳感器采用兩線式4~20 ma傳感器，量程為0~25 MPa，分別用4AD模塊的CH1和CH3通道。PLC接線圖，如圖4所示。

圖4 PLC接線圖

3 裂斷機(jī)床控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)

連桿裂斷機(jī)床的程序主要包括三部分：主程序、自動(dòng)加工程序、手動(dòng)程序。PlC程序通過(guò)gx developer編寫(xiě)，采用步進(jìn)和梯形圖程序混合編寫(xiě)的方式。

3.1 主程序

主程序主要是對(duì)溫度、壓力、液位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且進(jìn)行溫度和壓力的數(shù)據(jù)處理，如圖5所示。

圖5 主程序

3.2 自動(dòng)加工程序

自動(dòng)加工程序控制裂斷機(jī)床完成的是裂斷加工和脹套復(fù)位兩個(gè)過(guò)程。自動(dòng)加工程序，如圖6所示。當(dāng)按下手動(dòng)加工按鈕，X0觸點(diǎn)閉合，延遲500 ms后，左油缸伸出，1.2 s后，右油缸縮回，1.2 s后主油缸大流量下拉，到達(dá)下限位X3觸點(diǎn)，主油缸上推，到達(dá)上限位X2觸點(diǎn)閉合，左、右油缸復(fù)位。

圖6 自動(dòng)加工程序

3.3 手動(dòng)加工程序

手動(dòng)加工程序是在機(jī)床調(diào)試過(guò)程中使用，當(dāng)按下“左油缸左拉”“左油缸右推”“主油缸上推”“主油缸下拉”“右油缸右拉”“右油缸左推”按鈕時(shí)，各個(gè)油缸實(shí)現(xiàn)相應(yīng)地動(dòng)作，并且按鈕具有互鎖的功能，如圖7所示。

圖7 手動(dòng)加工程序

4 控制系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

觸摸屏是人和機(jī)器交互的工具，裂斷機(jī)床采用的人機(jī)界面是威綸通觸摸屏，人機(jī)界面應(yīng)包括過(guò)程量（溫度、壓力、液位）監(jiān)控和機(jī)床動(dòng)作控制，如圖8所示。同時(shí)觸摸屏能實(shí)現(xiàn)“參數(shù)設(shè)置模式”“加工模式”“手動(dòng)模式”“操作指南”，“參數(shù)設(shè)置”畫(huà)面，可以更改機(jī)床的極限壓力、設(shè)置自動(dòng)加工過(guò)程中，油缸的動(dòng)作時(shí)間。“加工模式”實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)加工，“手動(dòng)模式”可以控制各個(gè)油缸的動(dòng)作。

圖8 自動(dòng)加工界面

5 工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)床性能

加工實(shí)驗(yàn)中采用激光加工得到的V型槽的連桿加工，連桿脹斷主要受到切槽質(zhì)量、脹斷力和加載速度的影響，為了更好對(duì)的加工不同連桿的加工效果，將兩者的加工參數(shù)設(shè)置成相同。詳細(xì)加工參數(shù)及加工條件如表1所示。

表1 連桿裂斷加工參數(shù)

根據(jù)企業(yè)對(duì)連桿質(zhì)量的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)測(cè)量連桿合裝后的三個(gè)尺寸d1、d2、d3判斷連桿圓度誤差的質(zhì)量，如圖9所示。評(píng)判依據(jù)如下：△d為斷裂前后測(cè)量數(shù)值的差值。該值過(guò)大會(huì)導(dǎo)致后續(xù)加工余量不足，產(chǎn)生廢品，取△d小于0.2 mm合格，如圖9所示。

圖9 連桿變型量的測(cè)量圖

實(shí)驗(yàn)分成兩組（一組為d1為50 mm大連桿，一組為d1為45 mm小連桿），各有160根連桿，加工后隨機(jī)從160根連桿里抽取10根連根進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)三次，統(tǒng)計(jì)出數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 改進(jìn)前后連桿變形量對(duì)比

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，不管是大連桿和小連桿都滿足工藝要求，并沒(méi)有出現(xiàn)連桿錯(cuò)位的現(xiàn)象，錯(cuò)位現(xiàn)象（如圖10所示），說(shuō)明該設(shè)計(jì)是合理可行的。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)電氣設(shè)計(jì)方案完成機(jī)床電器元件布局及接線，通過(guò)觸摸屏和PLC之間的通信，對(duì)機(jī)床動(dòng)作進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證了可行性。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，保證系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定可靠，最終證明雙工位裂斷機(jī)床的設(shè)計(jì)，既保證了機(jī)床的加工工藝精度，又提高了加工效率。

[1]鄧偉輝，張永俊.連桿漲斷加工技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)電工程技術(shù)，2008（04）：13-17.

[2]寇淑清，楊慎華，趙慶華，等.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工初始裂紋槽幾何參數(shù)研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（09）：1487-1490.

[3]鄭黎明.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備開(kāi)發(fā)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

[4]陳東，王力，李樹(shù)軍，等.連桿裂斷機(jī)床的研制[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012（09）：143-146.

[5]肖成軍，張永俊，吳濤.連桿裂斷機(jī)床控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)電工程，2015（07）：939-941.

Research on the ControlSystem of Double Position Connecting Rod Breaking Machine

DU Xuan-yu，ZHANG Yong-jun，PENG Shi-kang，HUANG Rong，LIU Xiang-fa
（Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China）

Aiming at the problem of low machining efficiency of single position connecting rod breakingmachine，the structure and hydraulic system of connecting rod breaking machine are analyzed.By optimizing the control strategy of the hydraulic system，the technological process of connecting rod fracture is improved，and the processing time of the connecting rod is reduced.On the basis of the MITSUBISHIPLC control system，the utility model has the functions of oil tank liquid level detection，oil tank hydraulic oil temperature detection and hydraulic pressure detection，and has the functions of real-timemonitoring，automatic operation and fault alarm.The experimental results show that the improved machine not only improves the machining efficiency，but also meets the processing requirements.

double position；connecting rod breaking；PLC control system；

TH122

A

1672-545X（2017）04-0194-04

2017-01-14

非傳統(tǒng)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（201605030007）

杜軒宇（1993-），男，廣東韶關(guān)人，碩士研究生，研究方向：特種加工方向。