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大型四轴金相试样切割机的设计与研究


Designand

R嘲吣设计与研究

大型四轴金相试样切割机的设计与研究+
王会强





李心领

徐鹏云





(河北农业大学机电工程学院,河北保定07l001) 摘要:

针对金相试样的特殊要求,对金相试样的切割技术和磨削过程进行了研究,采用机电一体化系统设 计思想。对其整体造型、机械结构和控制系统进行了设计,保证了金相试样的切割质量,提高了切割 机的切割能力。控制系统的核心采用PLC,采用变频调速器实现了砂轮片转速的无级可调和自动 控制,提高了切割机的控制精度,增强了切割不同材料的适应性。 关键词:金相试样PLC控制切割机

Research

On

Large 4一a×is Meta¨Ographic Sample Cuttjng Machine Engineering,A萌cultural
UniVersity of Hebei,Baoding 07 1 00

WANG Huiqiang,JIANG Hui,U Xinling,XU Pengyun,U Meng

(College

of Mechanical and Electric

l,CHN)

Abstract:According to the special requirement of

metallographic

sample,this paper researched the cutting technol—
ana-

ogy and the gdnding process of the metallographic sample.The metallographic sample cutter was lysed systemically according
to

the Mechatronics system

desi驴principle帅d

wh01e sculpt,machine,

contml system were designed,which assured the cutting quality of the metallogmphic sample and im? proved the cutting capability.The tomation of
core

of the contml system w鹪PLC,stepless speed contmlling and

au—

the加nding

wheel were achieved by using fkquency conVersion speed controller.This im—

proved the control precision of the cutting machine and the adaptability of cutting various mate—als. 1【eywords:MetaUographic Sample;PLC Control;Cutter

金相切割机主要用于金相试样的截取,一般砂轮 切割在切割过程中易使金属表面产生过热、过烧的现 象,特别是在切割大工件的时候,冷却系统使得切割刀 口发生收缩,经常发生夹锯的现象,这样就造成金属试 样发生相变,形成假组织,在金相检验中得出错误的结 论。目前国内生产的金相切割机切割直径都在100 mm以下,不能对较大的零件直接进行取样;而国外的 产品性能良好,但价格昂贵,切割模式少,对实验室配 置要求过高,不适合我国的国情…。根据试样切割前 后金相组织不变,在切割过程当中不能发生夹锯,在满 足大型零件的切割效率同时,本文对大型金相试样切 割机进行了系统的设计与研究,最大切割范围可达
150

部分组成,机械结构示意图如图1所示。系统的执行 部件主要是一台三相异步电动机和三台步进电动机。 三相异步电动机采用变频器进行变频调速,步进电动 机也采用专用的驱动器进行细分驱动。控制系统核心

控制器需要提供合适的控制信号,使异步电动机和步
进电动机协调运动,完成切割动作。三相异步电动机 通过二级带传动使得切割片高速旋转,同时在配重平 衡力作用下,z向步进电动机驱动蜗轮蜗杆机构运动, 蜗轮带动摇臂上下摆动,实现切割片的Z向进给切 割。工作台的前后、左右运动由两套丝杠螺母机构完 成。螺母与工作台相连,丝杠由X、y向步进电动机带

动,丝杠在旋转时,通过螺母带动工作台移动,从而完
成工件的横向和纵向进给。该切割机箱体采用左、右 两侧开门,能满足超长工件的切割。 切割机具备手动和自动切割方式,而且在切割过 程中根据需要设定好参数,进行x向和y向的精确定 位。在自动切割方式下有三种切割模式:直切、进三退 一切割、逐层切割。

mm,满足了较大零件的截取和下料,填补了国内

在切割大型零件的空白。


四轴大型金相切割机机构设计
切割机总体设计为立式结构,机械设备主要由传

动装置、x—y工作台、快速卡具、冷却系统、机体五大

睁慧茎主等
万   方数据

?河北农业大学自然科学基金(f1D50lO)资助
53

?

?

设计与研究Design and

Re湖咖
屏设置的控制信息,PLc按照用户所选的切割模式和 切割参数,根据接近开关检测的位置信号和速度传感 器采集的速度信号,对变频器和步进电动机驱动器发 出控制信号,使工作台、悬臂、砂轮片协调运动,完成切 割任务【3 J。系统运行过程中,触摸屏可实时显示速 度、切割进给量等控制信息,并进行故障显示报警。
触攮屏(Nsl0一V1) I模拟量I/o 单元

PLC(C烈J单元)


变期调速嚣






—上一
X 轴 细

—上一


—L




置 检 潮

轴 细 分 驱 动

轴 纲 分 驱 动

度 检


分 驱


卜工件;7_卡具;8一工作台;卜横向导轨;10一手轮;ll—纵

1一外壳;2—砂轮覃;卜二缓传动轴;4一砂轮片;卜冷却水管;

三相异步电动机

T T T
接近开关

‘T_

移动滑轮;17一异步电动机;18一水泵;19一级传动V形皮带; 2¨配重;21一立柱;22一夹板;23一蜗秆;24一蜗轮;25一 缓传动轴;26—摇臂;27一z向步进电动机。
图1机械结构筒图

向丝杠;12—过滤网;13—过滤罩;14一门把手;15一水箱;16一 图2控倒系统框图 2.1 2.1.1

控制系统的硬件设计 变频器的控制原理 系统选用L100—075HFE型变频器。额定输入电

(1)直切是指在切割工件时,工件由快速卡具夹 紧固定不动,靠砂轮片的上下摆动直接恒速进给,一次 将工件切断。 (2)进三退一切割是在切割较大工件时,在进给 过程中为了保证试样的充分冷却,工件固定不动,砂轮 片以前进三步后退一步的方式切断工件。进三退一切 割改善了工件的散热,防止切口组织由于过烧而引起 的组织变化。 (3)逐层切割是指在切割大的棒型或板型工件 时,工作台在由丝杠螺母副的y向步进电动机带动下 进行往复运动。当工作台移动到前端时砂轮片进给, 砂轮片每工进一次,工作台往复运动一次,砂轮片逐层 将工件切断。逐层切割使得在切割过程当中,砂轮片 与工件接触弧长减小,减小磨削阻力,延长砂轮片的寿 命,适应于大件切割。

~60

流为20 A,额定输出电流为16 A,输出频率范围为O.5 Hz,适用于容量为7.5 kw(3
000

r/min)的异步

电动机H J。变频器对电动机的控制有主回路连接和 控制回路连接,其电气原理图如图3所示。
感器

d弋C

三相电源———.盯、C
R3 10K

埘一u
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\电动机

价C



Cm2^.40CDTl-D
PLC

故障报警

.再;;=i=习
coM 01100 0110l 01102 0l103

COM O∞00

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3 4

心ⅢmⅢ心器频变w m
n 他

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Il+24v

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控制系统的设计
控制系统主要由触摸屏、PLC、变频器、步进电动

o讲L

呲 .叫l__=!一

图3变频器控制电气原理图

机驱动器、速度检测电路、位置检测电路等五大部分组 成。控制系统框图如图2所示。控制系统以0MRON
CPM2A

变频器主回路连接:变频器的L1、L2、L3为输入 端,经漏电保护器与50
Hz、380

PLC为核心,扩展模拟量I/O单元CPMlA—

V三相交流电源相连,

MAD01,其模拟输出作为变频器的频率控制信号。 NSl0一V,触摸屏作系统的人机交互界面。PLC集中 解决数据处理和自动控制的问题,触摸屏完成参数设 定和显示的功能12 J。系统运行时,用户首先通过触摸
54
?

输出端u、V、w接交流电动机,变频器输出频率的变 化将控制电动机转速的变化,两者之间的关系近似线 性,实现了无级调速的目的。 变频器输入控制信号连接:PLC的输出端01100

静缴茎耋错

万   方数据

脚and R绷咖设计与研究
一01103分别与变频器的智能输入端子相连。CPMl


—MAD01模拟量输出模块与变频器的O、L端子相连, 由模拟量L/O单元输出的0—10 V电压信号控制变频 器的输出频率,变频的输出频率与设定电压成正比。 变频器输出信号连接:分别在输出端子11和12 与输出公共端接一只发光二级管,作为变频器运行和 电动机过载信号指示。在报警端子ALo和AL2之间 接一蜂鸣器,作为变频器的故障报警输出。
2.1.2

步进电动机的控制

步进电动机与驱动器选用85BYG450A和SH一 2H090M,驱动器是把PLC提供信号放大为步进电动 机能够接受的信号。PLc提供给驱动器的信号主要有 两路:一路为步进脉冲信号cP,控制cP的频率,可以 对电动机精确调速,从而有效调节工作台和砂轮片的 进给速度;控制CP的个数,可以对电动机精确定位, 实现工件的切割量控制口J。另一路为方向电平信号 DIR,当DIR为高电平时,电动机正转,当DIR为低电 平时,电动机反转。图4为步进电动机驱动器接线图。
SIHIlO蛐M

图5系统主控程序漉程图



结语
通过PLC集中逻辑控制3个步进电动机的协调

运动,实现了4种切割模式:直切、进三退一切割、逐层 切割、连续切割,不仅扩大了切割范围,而且切割机能 够高效率地切割不同尺寸和不同硬度的工件。在以 PLC为核心的大型金相试样切割机控制系统中,由于 触摸屏的应用省去了传统控制方法中的开关、按钮、指 示灯和仪表等,节省了空间提高了控制系统的可靠性, 使得系统的性能更加安全可靠。该系统设计新颖,技 术先进,具有很高的性能价格比,在切割过程中不产生 过热、过烧的现象,不夹锯,对大型零件能一次切断,提 高了生产率。采用循环冷却,减少了污染,节约了水资 源,符合我国国情。但是研究更好的切割方式,建立和 完善砂轮片转速、进给速度与截取试样材质、硬度等对 应关系的数据库,确定切割时的最佳切割速度仍是今 后切割机设计需解决的主要内容。 参考文献


图4驱动器接线图



控制系统的软件设计
控制系统软件设计主要包括系统主控程序设计、

孙维连,王成彪,许丽红等.金相切割机的国内外研究概况.理化检 验一物理分册,2003(7)

自动控制程序设计等。其中自动控制程序主要包括直 切程序、进三退一切割程序、逐层切割程序和连续切割 程序。主控程序在上电复位完成系统的初始化后,与 触摸屏通信,接收触摸屏传送的控制信息。根据用户 选择的切割模式,在切割过程中要完成输入信号的循 环扫描【6j,并对输入信息进行处理后,输出不同的信 号控制系统的各执行部件,使它们协调工作,完成工件 的切割。其中系统主控程序的功能包括上电复位和各 切割模式的自动控制,其流程图如图5所示。



江秀汉,汤楠.可编程序控制器原理及应用.西安:西安电子科技大 学出版社,2003.



J∞hi

S8njay B,sllpin8ki Mark R.Development of



generic

PC—based

progmr眦Bable
tion 4

logic contmUer 8imula协r.Intemanonal Joumal of Pmduc-

Re∞al℃h.1992,30(1):151一168

日立制作所.日立变频调速器L100系列说明书.日本:东京. 宜财鑫.PLc脉冲控制步进电动机技术.机车车辆工艺:2002. 陈宇。段鑫.可编程控制器基础及编程技巧.广州:华南理工大学出 版社,2002.

5 6

(编辑

周富荣)

(收修改稿日期:2008一ol—16)

枷畿套耋铬



文章编号:8718 如果您想发裹对本文的看法。请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。

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万   方数据


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