大型金相試樣切割機的設計與研究

1　引言

金相試樣切割機主要用于金相試樣的截取和各種材料的下料、切口等，在冶金、汽車、航空航天等制造業中應用極為廣泛。目前國內缺乏大型的金相試樣切割機，對較大的零件例如汽車曲軸直接進行取樣比較困難，根據試樣切割前后金相組織不變的基本要求，在滿足各種零件的切割效率同時，本文對大型金相試樣切割機進行了設計與研究，Zui大切割直徑可達150mm，縱向切割范圍可達300mm，滿足了較大零件的截取和下料。

同普通機械行業中的金屬切割不同，切割金相試樣對保持原有組織狀態比較嚴格，即必須保證所截取試樣的金相組織與原部件組織一致，這就要求在截取試樣的過程當中試樣受熱、受外力作用要盡量小，因為這兩種情況都會引起一定的組織變化。因此，在機械切割金屬試樣時要力求試樣溫度不超過150℃，使切口無過燒現象，試樣真實性好。金相試樣切取的方法可根據取樣零件的大小、材料的性能、現場的實際條件靈活的選擇。盡管有多種截取試樣的方法，但是在金相實驗室切取試樣的要求為：切割面比較光滑平整，截面與軸線的垂直度好，砂輪切割機適用性強，可以切割軟的金屬零件如銅鋁和較硬的金屬零件如淬火后的碳鋼、高速鋼；并可以切割超硬材料如硬質合金、陶瓷等。另外，還要求切割速度快，勞動強度低，操作簡單、靈活，切取試樣尺寸準確，大小適宜，切割成本低等優點。根據以上要求，結合國內外現有切割機的特點和優點，開始研發大型切割機。

2　大型金相切割機機械設計

2.1金相試樣切割機的總體結構設計

本設計通過機電一體化系統設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計，機電一體化技術使傳統的機械設計和改造有了新的思維方法和技術手段；而且信息處理技術是機電一體化技術中必不可少的部分，一個機械系統實現計算機控制，具有信息處理功能，才能實現生產過程的自動化。電子裝置的有機融入，代替了復雜的機械裝置，使設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，結構簡單、操作方便、可靠性和穩定性高、自動化程度與生產效率高。

切割機為立式結構形式，機械設備主要由動力傳動裝置、執行機構與卡具、冷卻系統、機體四大部分組成。根據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。考慮到切割時砂輪片的受力和工件的重量，所以切割機設計為當切割較大工件時，砂輪片擺動而工件做往復運動的形式；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切割進給，工作臺可以實現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，電動機的輸出轉速經過二級V帶傳動實現砂輪的高速旋轉。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切割進給運動，并可以調節切割進給的距離。考慮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生振動影響切割質量，在夾板上通過定滑輪設配重將重量平衡。主電動機為三相異步電動機，通過變頻器實現無級調速。工作臺由橫向絲杠和縱向絲杠帶動，橫向絲杠通過導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。工作臺下方安裝兩道篩子接取切割屑，底部安裝內置水箱循環提供冷卻液。

2.2傳動機構設計

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

2.3冷卻系統的設計

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，冷卻系統由水箱、冷卻泵、出水管、回水管、過濾網組成。在上電后砂輪片旋轉的同時，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。冷卻液通過過濾網過濾掉切屑后，由回水管流回水箱，節省了水資源，保證了切割質量。

2.4進給機構的設計

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，從而實現砂輪片的進給。

2.5夾具的設計

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，夾具應具有自鎖功能，裝夾方便。根據以上要求設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，然后旋轉手柄，使夾具產生一個作用于工件的力，從而實現夾具的自鎖。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

3 四軸大型金相試樣切割機控制系統的硬件設計

3.1控制系統總體方案的確定

在切割機控制系統主要以順序控制為主，大部分要求是開關量控制，控制系統的核心采用可編程序控制器(PLC)，這是因為：切割機的工作環境非常惡劣，在切割工件時，會有較強的振動、噪聲產生，而且由于需要冷卻工件，工作環境潮濕，由于PLC的輸入/輸出系統功能完善，性能可靠，能夠適應于各種形式和性質的開關量和模擬量信號的輸入和輸出；PLC的硬件結構全部采用模塊化結構，可以適應大小規模不同、功能復雜程度及現場環境各異的各種控制要求，為控制系統的硬件設計提供了方便、快捷的途徑，可以大大縮短整個系統設計、生產、調試周期，節約系統投資；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，能在惡劣的工業環境下正常運行，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系統的控制。

3.2砂輪片速度調節

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

3.3工作平臺橫向進給和縱向進給的速度調節

進給動力主要是由步進電機帶動絲杠旋轉，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來實現的，PLC產生兩路信號，一路為步進脈沖信號 CP，步進電機驅動器每接收一個脈沖信號CP，就驅動步進電機旋轉一步距角，脈沖信號CP的頻率和步進電機的轉速成正比，脈沖信號CP的個數決定了步進電機旋轉的角度。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；相反，當DIR為低電平時，步進電機為逆時針旋轉。這樣，就可以通過調解PLC的輸出信號來精確控制縱向進給的速度了。通過調整PLC的輸出信號就能控制工作臺的進給位置，達到精確定位的效果。進給機構示意圖如圖2所示。

4　控制系統的結構

由于本控制系統中有一臺異步電動機，三臺步進電機。可以使用單臺PLC進行多個對象的控制，只要適當的選用高性能的PLC，就可以完全實現系統的控制功能。所以采用如圖3所示的控制結構：本系統中，PLC利用傳感器采集監控電機、變頻器等有關的各類對象的信息，PLC經過對輸入信息的處理，綜合采集器所獲得的信息，反饋控制監控對象。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，實現對切割機的控制。同時對PLC采集的信息，對監控對象進行故障報警與參數顯示。其具有切割方式選擇控制，系統的啟動、停止控制，切割狀態的顯示，切割速度的顯示，事故報警顯示等。

系統中，當選擇進三退一的切割方式時，PLC對變頻器和驅動懸臂上下運動的步進電機驅動器發出控制信號，且根據傳感器采集的信號自動調節變頻器的頻率，使得砂輪片的轉速能夠根據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不僅對變頻器和驅動懸臂上下運動的步進電機驅動器發出控制信號，而且對驅動X-向和Y-向運動的步進電機驅動器發出控制信號，實現工作臺的往復運動。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，從而調節砂輪的轉速；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信號，當發生故障時，向PLC發出報警信號。

5　控制系統的軟件設計

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

5.1控制系統主程序的設計

主程序的功能包括系統的初始化和系統的控制，由于切割機需要控制的對象較多，所以系統的控制部分比較復雜，它在接收PLC命令對系統進行設置后，還要根據要求切割過程完成輸入信號的循環監控，并輸出不同的信號對系統的各個執行部件進行控制，使其協調工作，完成工件的切割。系統的主程序流程圖如圖4所示。

5.2變頻器的控制程序

變頻器的控制實現砂輪片的無級調速，根據切割的狀態能夠自動調節轉速。出現異常時能夠報警。系統的流程圖如圖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范圍內時，電機開始以此頻率旋轉，切割過程中，如果有異常將報警，否則直至切割完畢停機。

6　結論

(1)切割機系統具備三種切割方式，直切、進三退一和分層切割。使切割機能夠高效率的切割不同尺寸的零件，增強了使用范圍。選用砂輪片的下半部分切割，在砂輪片尺寸一定時，Zui大限度的提高了切割機切割能力。

(2)采用變頻調速技術對砂輪片的轉速進行控制，實現了砂輪轉速的自動調節，保證了試樣的切割質量。

(3)采用一種先進的進退刀自動執行機構，可方便的實現手動操作和自動功能。同時，可通過控制步進電機的轉速直接調節進給速度，減少了復雜的機械減速裝置，簡化了系統機構，提高了傳動效率。

(4)研制出一種操作方便的夾具，使得工件的裝夾可靠、方便、靈活，極大的減輕了操作人員的勞動強度。