雙工位連桿裂斷機床控制系統研究

杜軒宇，張永俊，彭世康，黃 榕，劉祥發

（廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州，510006）

雙工位連桿裂斷機床控制系統研究

杜軒宇，張永俊，彭世康，黃 榕，劉祥發

（廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州，510006）

針對單工位連桿裂斷機床，加工效率較低的問題，對連桿裂斷機床結構、液壓系統進行分析，提出了一種雙工位連桿裂斷機床。通過優化液壓系統的控制策略，改進了連桿裂斷的工藝流程，減少該機床連桿的加工時間。在三菱PLC為基礎的控制系統上，增加了油箱液位檢測、油箱液壓油溫度檢測和液壓壓力檢測，具有實時監控、自動運行、故障報警的功能。通過實驗對比，改進后的機床不僅加工效率提高，而且連桿裂斷的質量達到加工要求。

雙工位；連桿裂斷；PLC控制系統

隨著汽車工業的發展，汽車行業對發動機需求越來越大。連桿作為發動機的關鍵零件，需要盡可能提高加工效率以滿足需求。為此，出現了連桿裂斷技術。連桿裂斷技術是對桿身和連桿蓋結合面進行無屑斷裂的加工技術，具有加工工序少、設備投資小、制造成本低、產品質量好、裝備精度高、承載能力強等諸多優點。

為了進行連桿裂斷技術加工，需要相應的連桿裂斷設備。目前，美國福特公司、通用公司、Tri-Way Machine公司、MTS公司，德國Ex-cell-o公司、Alfing Kessler Tools公司、Mauser公司，加拿大三通機械工具公司，日本豐田公司、本田公司、YASUNAGA公司等都具備連桿裂斷設備的研制能力[1，2]。國內，吉林大學最早開始進行連桿裂斷設備的研制，并研制成功CSE-400及CSE-600兩種型號的定向裂斷機床[3]。廣東工業大學于2009年研制了雙油缸連桿裂斷機床[4]，并于2015年研制了三油缸連桿裂斷機床控制系統[5]。

現在市面上的機床都采用單工位結構設計，工人裝夾的時間占到機床加工的大部分時間，而雙工位機床擁有兩個工位可以交替加工，縮短了工人裝夾時間，從而提高了機床加工效率。

1 雙工位連桿裂斷機床總述

1.1 機床結構

雙工位連桿裂斷機床由機床主體結構、機床液壓系統和機床電氣控制系統三大部分組成。機床主體結構由連桿夾緊機構、裂斷執行機構、復位機構和工位切換機構組成（如圖1所示）。連桿夾緊機構根據“一面兩孔”的定位準則設計，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連接油缸的頂銷，當收到夾緊信號時兩個頂銷會頂住連桿的左端，保證連桿在裂斷過程中，裂斷后的端蓋不會斷裂飛出。裂斷執行機構，采用“楔形塊”的方式進行斷裂加工，當主油缸向下動作時，動脹套和靜脹套分開，水平方向上產生一個力使連桿裂斷。復位機構由油缸和滑臺構成，裂斷執行完成，右油缸推動右滑臺向左運動，使動脹套和靜脹套合攏。

圖1 機床主體結構

1.2 連桿裂斷工藝流程

（1）兩個工位同時放入連桿，首先單個工位開始工作，按下啟動按鈕，加工開始。

（2）單個工位裂斷加工過程：左油缸電磁閥得電，左油缸動作，將兩個頂桿推出，夾緊連桿，持續時間1.2 s；右油缸電磁閥得電，右油缸拉動右滑臺，持續動作時間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，主油缸開始向下運動，實現連桿斷裂。

（3）單個工位脹套復位過程：主油缸電磁閥得電，主油缸上推，到達上限位，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 機床控制系統

由于液壓系統在工作中會發生油溫過高的現象、油箱漏油的現象，在使用過程中需要對這些變量進行檢測。當油溫過高時需要打開冷卻風機，油箱液位過低時要打開報警通知機床使用者處理。故控制系統不僅需要檢測、控制開關量還需要通過檢測模擬量輸出開關量，故整個控制系統，如圖3所示。

圖3 控制系統構成圖

2.1 裂斷機床主電路設計

裂斷機床的主電路采用熔斷器、交流接觸器、熱繼電器構成液壓泵電機和風機電機的保護電路，主電機采用直接啟動方式。

2.2 裂斷機床控制電路的設計

為了檢測液壓系統的壓力和液壓系統的油溫采用FX-2n 4ad模塊進行A/D轉換，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 裂斷機床控制系統的PLC程序設計

連桿裂斷機床的程序主要包括三部分：主程序、自動加工程序、手動程序。PlC程序通過gx developer編寫，采用步進和梯形圖程序混合編寫的方式。

3.1 主程序

主程序主要是對溫度、壓力、液位的實時監測，并且進行溫度和壓力的數據處理，如圖5所示。

圖5 主程序

3.2 自動加工程序

自動加工程序控制裂斷機床完成的是裂斷加工和脹套復位兩個過程。自動加工程序，如圖6所示。當按下手動加工按鈕，X0觸點閉合，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，到達下限位X3觸點，主油缸上推，到達上限位X2觸點閉合，左、右油缸復位。

圖6 自動加工程序

3.3 手動加工程序

手動加工程序是在機床調試過程中使用，當按下“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，各個油缸實現相應地動作，并且按鈕具有互鎖的功能，如圖7所示。

圖7 手動加工程序

4 控制系統人機界面的設計

觸摸屏是人和機器交互的工具，裂斷機床采用的人機界面是威綸通觸摸屏，人機界面應包括過程量（溫度、壓力、液位）監控和機床動作控制，如圖8所示。同時觸摸屏能實現“參數設置模式”“加工模式”“手動模式”“操作指南”，“參數設置”畫面，可以更改機床的極限壓力、設置自動加工過程中，油缸的動作時間。“加工模式”實現機床的自動加工，“手動模式”可以控制各個油缸的動作。

圖8 自動加工界面

5 工藝實驗驗證機床性能

加工實驗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量、脹斷力和加載速度的影響，為了更好對的加工不同連桿的加工效果，將兩者的加工參數設置成相同。詳細加工參數及加工條件如表1所示。

表1 連桿裂斷加工參數

根據企業對連桿質量的檢測標準通過測量連桿合裝后的三個尺寸d1、d2、d3判斷連桿圓度誤差的質量，如圖9所示。評判依據如下：△d為斷裂前后測量數值的差值。該值過大會導致后續加工余量不足，產生廢品，取△d小于0.2 mm合格，如圖9所示。

圖9 連桿變型量的測量圖

實驗分成兩組（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，加工后隨機從160根連桿里抽取10根連根進行測量，重復三次，統計出數據，如表2所示。

表2 改進前后連桿變形量對比

通過實驗可以發現，不管是大連桿和小連桿都滿足工藝要求，并沒有出現連桿錯位的現象，錯位現象（如圖10所示），說明該設計是合理可行的。

6 結束語

根據電氣設計方案完成機床電器元件布局及接線，通過觸摸屏和PLC之間的通信，對機床動作進行調試，驗證了可行性。通過對系統壓力的實時監測和調整，保證系統的壓力穩定可靠，最終證明雙工位裂斷機床的設計，既保證了機床的加工工藝精度，又提高了加工效率。

[1]鄧偉輝，張永俊.連桿漲斷加工技術現狀與展望[J].機電工程技術，2008（04）：13-17.

[2]寇淑清，楊慎華，趙慶華，等.發動機連桿裂解加工初始裂紋槽幾何參數研究[J].哈爾濱工業大學學報，2007（09）：1487-1490.

[3]鄭黎明.發動機連桿裂解加工關鍵技術研究與裝備開發[D].長春：吉林大學，2012.

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

[5]肖成軍，張永俊，吳濤.連桿裂斷機床控制系統研究[J].機電工程，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

非傳統制造技術及裝備重點實驗室（201605030007）

杜軒宇（1993-），男，廣東韶關人，碩士研究生，研究方向：特種加工方向。