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第 3 j卷
第 1期
吉 林 大 学 学 报 (工 学 版
J u n l fJl we st ( gn e ig a d Te h oo y E iin) o r a in Un riy En ie rn n c n tg d t o i o
Vo . 1
2 0 年 1月 05
l【 I 1 a
文 章 编 号 : 6 1 5 7 2 0 ) 1 0 5 —0 l 7 — , ( 0 5 0 0 6 1 9
基 于 P C 控 制 的 大 型 金 相 试 样 切 割 机 的研 制 L
李 杰 , 楚 良 , 维 连 岳 书 范。 阎 孙 ,
( . 国 农 业 机 械 化 科 学 研 究 院 , 京 1 0 8 ;2 1中 北 0 0 3 .河 北 农 业 大 学 机 电 工 程 学 院 , 北 保 定 河 3 吉林 大学 应用 技 术学院 , . 吉林 长 春 1 0 2 ) 3 0 2 0 10 ; 7 0 l
摘 要 : 对 金 相 试 样 的特 殊 要 求 , 金 相 试 样 的切 割技 术 和 磨 削过 程 进 行 了研 究 。提 出 了采 针 对
用 逐 层 切 割和 进 三 退 一 的 多 种切 割 方 式 切 割试 样 。 保 证 了金 相 试 样 的切 割 质 量 , 高 了切 割 提 机 的切 割 能力 。 控 制 系 统 采用 P D 控 制 变 频 调 速 器 实 现 了砂 轮 片 转 速 的 无 级 可 调 和 自动 控 I 制 , 高 了切 割 机 的控 制 精度 , 强 了切 割 不 同材 料 的适 应 性 。 提 增 关键词 : 自动 控 制 技 术 ; 割技 术 ; 相 试 样 ; L 控 制 ; 割机 切 金 P C 切 中 图分 类 号 : 2 3 TP 7 文 献标 识 码 : A
De e o v l pm e f m e a l g a nt o t lO r phi a pl ut i a h n cs m e c tng m c i e
c nto ld ba e n PLC o r le s d o
LIJe i ,YAN u in ,S Ch l g a UN el n .YUE hu a 。 W ia ! i S f n
( . h n s a e f Ag iu t r l M eh n z t n S in e 1 C i ee Ac d my o rc l a u c a ia i c c ,Be i g 1 0 8 , C i a ;2 olg r M eh n ̄ a d o e i n 0 0 3 j hn .C le eo c a i n E e to i E g n e i g,Ag iu t r lU ie st l He e ,Ba d n 7 0 1 h n ;3 C le eo p ia in a d lcr n c n ie rn rc l a n v r i o u y , bi o ig 0 1 0 .C i a . o lg f Ap l t n c o
Tehn l g c oo y,Jii v r i n Unie st l y,Ch n c u 3 0 2, Ch n ) a g h n1 0 2 i a
,
一
Ab | a t Fa i g t e s e i lr q ie e t o h e a l g a h c s m p e t e c t i g t c n l g n t c n h p ca e u r m n s f r t e m t l r p i a o l , h u tn e h o o y a d \ sr c : 二 t e g i d n r c s i g o h a p e w e e s u i d Th u tn e h i u s b r b l g a y p o e s h rn i g p o e s n f t e s m l r t d e . e c t i g t c n q e y d i b i — wa r c s n
a d t r es e sf r r n n tp b c wa d p o e s we e s g e t d t s u e t e c tig q a iy n h e t p o wa d a d o e s e a k r r c s r u g se O a s r h u tn u l t
a d e h n e t e c ti g p o u tv t ft e m e a l g a h c s m p e n a p e c t i g ma h n s n n a c h u tn r d c i iy o h t l r p i a o l ,a d a s m l u tn c i e wa d v l p d Th o e o h a h n s a PLC c n r ls s e ,a d a PI c n r ls s e i n r d c d e eo e . e c r f t e m c i e i o to y t m n D o t o y t m s i t o u e t o t o h r q e c o v r e O r a ie a t m a i a l h t p e s r t to f t e g i d n h e O c n r lt e f e u n y c n e t r t e l u o tc l t e s e l s o a i n o h rn i g w e 1 z y
.
Th d v l p d e e e o e m a h n i h r c e ie b h g c n r l p e i i n o c t i g a p e a d h c ie s c a a t rz d y i h o t o r cs o f u tn s m 1 s n t e a a t b l y t u t g s m p e a eo a i u a e il d p a i t o c ti a i n l s m d fv ro s m t ra s
.
Ke r s a t ma i o t o e h o o y; c t i g t c o o y; e a l g a h c s m p e PL c n r l y wo d : u o t c n r l t c n l g c u tn e hn l g m t l r p i a l ; C o t o ; o c tig m a h n u tn c i e
金 相 试 样 的制 备 要 经 过 取 样 、 嵌 、 光 和抛 镶 磨 光 等 阶 段 , 何 阶 段 的 失 误 都 可 能 造 成 试 样 组 织 任
的失 真 , 而 得 出 错 误 的 解 释 … 。 目 前 国 内 尚没 从
有 大 型 的金 相 试 样 切 割 机 , 不 能 对 较 大 的 零 件 还
收 稿 日期 :0 40 —4 2 0 — 62 . 基 金 项 目 : 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目( 0 7 1 2 . 国 5 3 55 )
作 者简 介 : 李杰 ( 9 9 ? , 士研 究 生.研究 方 向 : 字 化 改汁 E mall i1 7 0 @ ea g c n 1 7 ~) 男 博 数 - i ie 9 9 1 t n . o 1 :j 通讯 联 系人 : 楚 良( 9 7 , ? 究 员 , 士生 导 师 .研 究方 向 : 构 1 靠性 与数 字 化 设 汁 E- a l y 1c @ s a 阎 1 4 一) 男 研 博 结 n f m i: a1 I
. .
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第 l期
李 杰 . : 于 P C控 制 的 大 型金 相 试 样 切 割 机 的研 制 等 基 L
。5 。 7
直 接 进 行 取 样 。 根据 试 样 切 割 前 后 金 相 组 织 不变
析 方 面 , 削力 和 功 率 的研 究 仍 停 留 在 理 论 和 定 切
性 阶段 , 以应 用 于 实 际 生 产 难 :。
的基 本 要 求 , 为提 高 各 种 零 件 的切 割 效 率 , 者对 作 大 型 金 相试 样 切 割 机进 行 了 研 究 , 大 了 切 割 范 扩 围 , 足 了较 大零 件截 取 和下 料 的 要 求 。 满
本 研 究 采 用 平 面 磨 削 时 的接 触 弧 长 公 式 来计 算接 触 弧 长 ( 图 2 。单 颗磨 粒 从 A点 处 开 始切 见 ) 削 工件 , 磨 粒 与 半 径 为 r 滚 圆相 连 接 , 且 磨 设 的 而 粒 上 A 点 处 于 滚 圆 之 外 。 当 滚 圆 沿 着 平 行 于 进
1 金 相 试 样 切 割 技 术 与 磨 削 过 程 的
给 方 向 的直 线 作 纯 滚 动 时 , 粒 A 点 的 轨 迹 为 延 磨 长 外 摆 线 。在 x y坐标 系 中 , 立 磨 粒 A 点 相 对 o 建
运动轨迹方程组如下 :
受 力 分析
1 1 金 相 试 样 切 割 技 术 .
切 割金 相试 样 必 须 保 证 所 截 取 试 样 的金 相 组
1 —r 1一 os 』— rli c mn z 一 n(
)
( 1 ) ¨
织 与 原 部件 组 织 一 致 , 就 要 求 在 截 取 试 样 的 过 这
程 中 试 样 受 热 、 外 力 作 用 要 尽 量 小 。因 此 , 机 受 在
式 中 : 为 点 A 的角 位 移 ; 为 砂 轮 转 过 角 时 相 对 工 件 的 直 线 位 移 量 ; 为磨 粒 A 到转 动 中 心 r n l 的距 离 。
械 切 割 金 属 试 样 时 要 力 求 试 样 温 度 不 超 过 10 5
℃ , 切 口无 过 烧 现 象 , 证 试 样 的真 实 性 。金 相 使 保
试 样 切 取 的 方 法 可 根 据 取 样 零 件 的 大 小 、 料 的 材
性 能 、现 场 的实 际 条 件 灵 活 选 择 。图 1列 出 了 金
医
一
射流切割 I 砂轮切割 I I线切 割 I
图 l 金 相 试 样 截 取 方 法 分 类
F g 1 Cls iia i n o u tn t o i . a s f t fc ti g me h d c o f r me a l g a h c s m p e o tI rp i a o ls
图 2 接 触 弧 长 不 意 图
Fi . S h m a i o t c r e g h g 2 c e tcofc n a ta c l n t
设 " 为砂 轮 每 转 相 对 于工 件 的 位移 量 , u o
为 砂 轮 相 对 工 件 的移 动 线 速 度 ( mi) 为 砂 m/ n ,
轮 线 速 度 ( s , 为砂 轮 转 速 (/ n , m/ ) 巩 r mi) 则
一 一 ===
丌
丌
DU U
相 试 样 截 取 方 法 的分 类 L 。在 金 相 实 验 室 最 常用 l J
把 代 入 式 () , 分 后 得 : 1中 微
d — rlc s n( 0
I 一 d sn 删 i
的取 样 方 法 是 薄 片 砂 轮 切 割 。其 优 点 为 : 割 面 切
比较 光 滑平 整 , 面 与 轴 线 的 垂 直 度 好 ; 轮 切 割 截 砂 机 适 用 性 强 , 可 以切 割 软 的 金 属 零 件 ( 铜 铝 ) 既 如 ,
) W d
由 此 可 以 推算 接 触 弧 长 z 的微 分 值 为 :
dl一 cs 。 一 一 ! d 一
又 可 切 割 较 硬 的 金 属 零 件 ( 淬 火 后 的碳 钢 、 如 高速
钢) 。配 备 金 刚石 切 割 片 还 可 以 切 割 超 硬 材 料 ( 如
硬 质 合 金 、 瓷 等 ) 另 外 , 轮 切 割 机 还 具 有 切 陶 。 砂 割 速 度 快 、 动 强 度 低 、 作 简 单 、 割 成 本 低 等 劳 操 切
优点 。
[ 畿c + 门 d o ( 一 s
一
12 磨 削过 程 的 受 力分 析 .
应 用砂 轮切 割 取 样 , 要 同 时 保 证 取 样 的 质 需
般 情 况 下 磨 削 深 度 较 小 , 。的 值 很 小 。 又 a
。
由于 姒/ 非常小 , 因此 d ≈ d 。 积 分 后 可求 £ 得接触弧长 f =
’ 图 2可 知 : 由
量 和效 率 。砂 轮 切 断 的应 用 非 常 广 泛 , 对 于 切 但 割 的 力 能 分 析研 究 却 很 少 。在 砂 轮 密 削 的力 能 分
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5 ? 8
吉 林 大 学 学 报 (工 学 版 )
1 ac i r sn a h 2 / rsn— i + / m
—
第3 5卷
F 输 出 的频 率 转 换 为 砂 轮 片 的转 速 示 。 M
一
一
③ 将 智 能 输 出 端 子 设 置 为 报 警 信 号 AL 5 0,
1 a c i rsn a / rsn— i m
-
—
h2 /
当有 警 报 时 即有 信 号输 出 。 ( ) 频 器 控 制 电气 原 理 图 2变
变 频 器 对 电机 的 控 制 有 主 回 路 连 接 和 控 制 端 子 连 接 , 电 气 连 接 原 理 框 图如 图 4所 示 。 其
可得 :
1aci /rs n
二 丝
r m
三相 电 源
由 上 式 可 知 , 触 弧 长 £ 平 均 相 迎 角 a的 接 随 变化 而 变化 , a较 小 时 , 触 弧 长 较 小 , 时 对 当 接 此
磨削过程有利 。
2 切 割 机 控 制 系 统 硬 件 设 计
2 1 控 制 系统 的 整体 设 计 .
由于 切 割 工 件 时 会 产 生 较 强 的振 动 、 声 , 噪 而 且 需 要 冷 却 工 件 , 作 环 境 潮 湿 , 于 P C 的 输 工 由 L
入/ 出系 统 功 能 完 善 , 能 可 靠 , 在 恶 劣 的 工 输 性 能 业 环 境 下 正 常 运 行 Ⅲ , 以 在 切 割 机 控 制 系 统 的 所
设 计 中 , 制 系 统 的 核 心 采 用 可 编 程 序 控 制 器 控 (L ) P C 。另 外 , 于 砂 轮 片 的 转 速 对 切 割 试 样 的 由 质量 影 响较 大 , 以 切 割 不 同 的 试样 时 , 轮 片 应 所 砂
图 4 变 频 器 控 制 电气 原 理 图
F g. F e u n y c n e t r c r u t i 4 r q e c o v re ic i
主 回路 连 接 : 频 器 的输 入 端 L 、 2 L 变 l L 、 3直
接 与 5 三 相 3 0V 交 流 电 源相 连 , 出端 U、 OHz 8 输 V、 则 直 接 接 到 交 流 电机 上 驱 动 电 动 机 。变 频 W
具有 不 同 的 转 速 。根 据 系 统 的要 求 , 计 的 控 制 设
系统 的 整体 框 图如 图 3所 示 。
器 输 出频 率 的 变 化 将 导 致 电 动 机 输 出 转 速 的 变 化 , 者 之 间 的 关 系 近 似 线 性 , 到 了 调 速 的 作 两 起
用。
控 制 回路 输 入 信 号连 接 : 据 变 频 调 速 原 理 , 根 在 变 频 器 的控 制 输 入 回 路 中接 人 频 率 设 定 电 路 , 由 P C输 出 的 模 拟 量 即 电 压 信 号 来 控 制 变 频 器 L 的输 出频 率 。此 时 的 变频 器输 出频 率 与 设 定 的 输
入 电压 成 正 比 。 本 文 C M l MADO P A— l输 出 模 块 与变频器 的 5O端相连 。 、
控 制 回路 输 出 信 号 连 接 : 了 显 示 砂 轮 片 的 为 转速 , FM 的 频 率 输 出端 接 到 P C 的输 入 端 。 另 L
外 为 了便 于 监 控 变 频 器 的运 行 状 态 并 及 时 发 现 异
图 3 控 制 系 统 整 体 框 图
Fi . Bl c igr m f c n r ls s e g 3 o k d a a o o t o y t m
常 , 变 频 器 的 异 常 信 号 送 到 P C 的输 入 模 块 作 将 L 为变频器的事故报警信 号。
( ) 速 的测 量 与 P D 控 制 的实 现 3转 I
2 2 变频 器 的 系统 功 能设 定 及 其控 制 的 实 现 . ( ) 频 器 功 能 的设 定 1变 根 据 切 割机 的 运 行 特 性 , 变 频 器 进 行 如 下 对 设 定 j : ① 将 智 能 输 入 端 子 设 置 为 模 拟 量 输 人 选 择
端 , 用 输 入 电 压 的范 围 为 0 . 采 ~9 6 V。
砂 轮 片 的 转 速 由磁 电传 感 器 测 量 电 动 机 的转
速 来 获 得 , 统 中 转 速 的 测 量 和 P D控 制 的 原 理 系 I
框 图 如 图 5所 示 。 由于 选 用 的 P I C具 有 模 拟 量 P D 控 制 功 能 , I
因此 采 用磁 电 传 感 器 采 集 砂 轮 片 的 转 速 。首 先 通
过 上 位 机 给 电 动 机 一 个 转 速 值 , 动 机 按 此 转 速 电
②将 监视 端 F 与 监 视 公 共 端 L连 接 , M 把
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李 杰 , : 于 P C控 制 的 大型金 相 试 样 切 割 机 的 研 制 等 基 L
‘5 ‘ 9
砂 轮 片
图 5 P D 控 制 的 原 理 框 图 I
Fi Bl c ig a o I c n r l g 5 o k d a r m f P D o to
旋 转 带 动 砂 轮 片 切 割 工 件 。 在 旋 转 过 程 中 , 感 传
器 对 获得 的信 号 进 行 处 理 , 后 送 人 P 然 LC 的高 速
计 数 器 。处 理 后 使 用 P D 指 令 控 制 模 拟 量 IO I / 的输 出 , 变 变 频 器 的输 出频 率 , 而控 制 电 机 的 改 从
转速 , 自动 调 节 砂 轮 片 的转 速 。
2 3 步 进 电 机 的 控 制 电 路 .
N
步 进 电 机 的 控 制 由 P C实 现 。P C 产 生 两 L L
路 信 号 , 路 为 步 进 脉 冲信 号 C C 一 P, P的 频 率 和 步
进 电机 的 转 速 成 正 比 , P的个 数决 定 了 步 进 电 机 C
旋 转 的角 度 。 另 一 路 为 方 向 电 平 信 号 D R。 当 I DI R为 高 电平 时 , 进 电 机 顺 时针 旋 转 ; 反 , 步 相 当 DI R为 低 电平 时 , 进 电机 为 逆 时 针 旋 转 。 步
图 6 主程 序流 程 图
Fi . Fl w h r fma n p o r m g6 o c a to i r g a
( ) L 作 为 控 制 系统 的 核 心 , 大 地 提 高 3P C 极
3 控 制 系统 软件 的设 计
控 制 系 统 的软 件 设 计 主 要 包 括 系 统 主 程 序 的 设 计 和 各 个 功 能 模块 子 程 序 的 设计 。其 中控 制 系
统 主程 序 的 功 能 包 括 系 统 的 初 始 化 和 系 统 的 控
了系统 的 可靠 性 。
参考文献 :
[1]沈桂琴 . 光学 金 相 技 术 [ . 京 : 京航 空航 天大 M] 北 北
学 出版 社 , 9 2 1 9.
制 。系 统 的 程 序 流程 如 图 6所 示 。
由于 切 割 机 需 要 控 制 的 对 象 较 多 , 以 系统 所
[2]孙 维连 , 王成 彪 , 许丽 红.金 相切 割 机 的 国内 外研 究 概 况 [] J .理 化 检 验 一 物 理 分 册 , 0 3( ) 3 7 2 0 7 : 5 —
36 0.
的控 制 部 分 比较 复 杂 。 它 在 接 收 上位 机 的命 令 对 系统 进行 设 置 后 , 要 根 据 要 求 使 切 割 过 程 完 成 还
输 入 信 号 的 循 环 监 控 , 输 出 不 同 的 信 号 对 系 统 并
SUN e l n,W A NG e g io,XU h n . Th W ia i Ch n b a Li o g e
的各 个 执 行 部 件 进 行 控 制 , 其 协 调 工 作 , 成 工 使 完
件 的切 割 。
s u y n s v r o t e me algr p i c te t d a d u e y f h tl o a h c u tr
o esa a d o v re s n h me[ . P yi l sig n J] h sc Tet a d a n
Ch m ia a y i r : Ph s c l Te t g, 2 0 e c lAn l s s Pa t A y i a s i n 0 3 ( ): 5 7 3 7— 3 0 6.
4 结
论
[ 3]靳 会超 .金相 试 样 切 割 机 控 制 系统 的研 究 [ .保 D]
定 : 北农 业 大学 ,0 3 河 20 .
( ) 割 机 系 统 具 有 两 种 切 割 方 式 , 切 割 机 1切 使 能 够 高效 率 的 切 割 不 同 尺 寸 的 零 件 , 大 了使 用 扩
范 围 。选 用 砂 轮 片 的 下 半 部 分 切 割 , 砂 轮 片 尺 在 寸 一定 时 , 大 限 度地 提 高 了 切 割 能 力 。 最 ( ) 用 变频 调速 技 术 控 制 砂 轮 片 的 转 速 , 2采 通
J N H uc a . Th su y n c n r l s se I ih o e t d o o to y tm o f
mealga hc smpe c tig ma hn [D ] tl rp i a l u t o n c ie .
Ba d n Ag iu t r lUn v r i f He e ,2 0 . o i g: rc lu a i e st o b i 0 3 y
[4]姚舜 才 , 张艳 兵 . 于 P C 的 自动 调 平 系 统 E ] 华 基 L J.
北 [学 院 学 报 ,0 3 2 ( ) 4 1. 20 , 4 1 :1 — 7
YAO h n a , ZH S u ci ANG n i g Th s s e o Ya b n . e y t m f
过 磁 电传 感 器 对 砂 轮 片 转 速 进 行 采 样 , 用 PD 利 I
控 制算 法 , 实现 了 砂 轮 转速 的 自动 调 节 , 证 了试 保
样 的切 割 质 量 。
a tmain ajs ln ae n P C[ ] o r a uo t du tpa eb sd o L J .J u n l o
o No t Ch n I s i t f Te h o o y, 0 3, 4 f rh i a n tt e o c n l g 2 0 2 u
( ) 1 1 : 4— 1 . 7
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6 O?
吉 林 大 学 学 报 (工 学 版 )
第 3 5卷
5] H i c Lt . H I t hi a d TACH I Il 0 S re I v re 0 e is n e tr
制[ ] 吉林 大 学学 报 : = 版 ,0 3 3 ( ) 1 2 . J. 学 T 2 0 .3 1 : 7— 1
S Ze, UI hn L U Ch n u 。 C X a 画i I u g o UI in .
IsrcinMa u lZ . n tu t n a[ ] o [ 6]宋 字 , 无畏 , 森 .车辆悬 架 多 刚体 动 力 学 分 析 陈 黄
及 P D控制 研究 [] I J .农业 机 械 学报 , 0 4 3 ( ) 4 2 0 , 5 1 :
—
De eo m e t o fe —n d v c f r m u t- o n v lp n f e d i e ie o - li i t — p
fr n o s e t mea J . J un l o Jl omig f h e tl[ j o r a f in i
Un v r iy(En n e i g a d ie st gie rn n Te h o o y d t n) c n l g E ii o , 2 0 , 3 1 : 21 0 33 ( )1 7~ .
7.
S 0NG u Y ,CH EN u i W we ,H UA NG e r n M u t S ne . li
— —
b d n m i a a y i o e il u p n i n a d o y dy a c n l ss f v h c e s s e so n
[8]AS (M ,HAGGL TR ) K J AMD T.Th u ueo h eftr fte P D c nr lJ.C n rl n ier gP a t e 0 1 I o to[ ] o t gn ei rci ,2 0 oE n c
( : 1 3一 l 7 . 9) l 6 1 5
P D c nrlJ . a sci so h ieeS cey I o t [ ] Trn at n fteChn s o i o o t
f r Ag iu t r lM a h n r o rc lu a c i e y,2 0 3 ( ) 4— 7 0 4, 5 1 : .
[7]隋振 , 纯 国 , 相吉. 段多 点成 形进 给装 置 的研 刘 崔 分
( 任编辑 责
李
桃)
?
待发表文章预告 ?
串联 混 合 动 力 汽 车 控 制 策 略
李晓 英 于 秀敏 李 君 吴 志新。 , , ,
( I集美 大学 轮机工 程 学院 , 1 福建 厦 门 3 1 2 ;2 6 0 1 .吉林大 学 汽车工 程学 院 , 林 长 春 1 0 2 ;3 吉 3 0 2 .中国汽 车技 术 中
心 电 动 车 辆 研 究 中心 , 津 3 0 6 ) 天 0 12
摘 要 : 了提 高 串联 混合 动 力 汽 车 的 燃 油 经济 性 和 排 放 性 , 长 动 力 系 统 部 件 的 寿 命 , 串联 混 为 延 对
合 动力 汽 车控 制 策 略 进 行 了研 究 。 仿 真 分 析 了动力 系 统 控 制 策 略 对 整 车 性 能 的影 响 。 结 果 表 明 : 者 作
所 采用 的 功 率 跟随 + 恒 温 器 的控 制 策 略 充 分 利 用 了发 动机 和 电 池 的 高 效 区 , 减 少 了蓄 电 池 的 过 度 循 既 环 和大 电 流 放 电 , 避 免 了发 动机 的 频 繁 起 停 , 时发 动机 的工 作 点 主 要 集 中在 经 济 性 和 排放 性 较好 的 又 同
区域 , 动 力 系统 达 到 整体 效 率 最 高 。 使 关 键 词 : 辆 工 程 ; 合 动 力 系统 ; 制 策 略 ; 真分 析 车 混 控 仿