大型柴油機曲軸油孔定位系統設計

郭金亮 趙云偉 魏召剛

摘 ? 要：該文依據柴油機曲軸油孔加工精度要求，開發了以可編程控制器為控制核心，以觸摸屏為人機交互裝置，以變頻器為動力頭行走驅動裝置，以旋轉編碼器為位移檢測裝置的控制系統，實現了曲軸油孔加工時的自動定位。在保證油孔定位精度滿足要求的前提下，大幅度降低了操作工人的勞動強度和技能要求，提高了生產效率。

關鍵詞：柴油機;曲軸油孔;定位

中圖分類號：TK426 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

曲軸是柴油機中造價相對較高的重要零部件之一，其使用壽命決定著柴油機整機的壽命。曲軸將連桿傳來的力轉化為扭矩，從而驅動發動機的其他附件工作。為減少連桿與曲軸軸頸相對運動產生的摩擦，在每個軸徑上都設有油道孔，以便將機油引入引出，用以潤滑軸徑表面。油孔潤滑供給能力的好壞，直接影響曲軸以及連桿的使用壽命，因此對曲軸油孔加工時有嚴格的精度要求。

1 曲軸油孔加工現狀

在傳統的曲軸結構設計時，曲軸連桿軸頸潤滑油主要來源于支承軸頸與連桿軸頸之間的潤滑油孔。該類油孔屬于在回轉面上傾斜加工的深孔，直徑較小，并且油孔分布很多，都在曲面或斜面上，這就給加工帶來很大難度。因此傳統加工方法需要多次安裝，甚至需要2套工裝夾具協作才能完成曲軸油孔的加工定位。這種方法除了因多次安裝定位造成誤差積累影響潤滑油孔加工質量外，還存在生產效率低、產品質量不穩定等問題。

對于曲軸油孔的加工，目前主要有2種方式。1）使用大型通用數控機床進行加工。2）使用簡單設備人工加工。第1種方式因大型柴油機曲軸長度太大導致加工過程復雜，需要多次變換工件姿態才能完成多個油孔的加工，因此數控設備的效率較低。而且數控機床成本較高，導致該方式性價比偏低。第2種方式采用簡單設備人工加工時，如何將2個不在一個平面上的直油孔按要求貫通將是一個非常難處理的工作。雖然理論上存在很多斜油孔定位的方法，但在實際應用中難以實施，因此依靠簡單設備人工加工是難以保證質量和效率的。

2 油孔定位系統方案設計

2.1 系統設計要求

依據大型柴油機曲軸制造工藝，系統設計要求如下：動力頭軸向定位自動控制、直油孔一鍵加工控制、斜油孔一鍵加工控制，且滿足各貫通孔的相對位置誤差在±0.01 mm，從而在保證曲軸油孔加工精度的基礎上，降低操作工人的勞動強度和技能要求。

2.2 系統設計方案

該文根據油孔加工的控制功能和精度要求設計了曲軸油孔定位系統。系統采用曲軸軸向固定、絲杠拖動動力頭軸向移動的方式控制油孔定位。曲軸在軸向位置固定不動，但是可以徑向旋轉，通過專用工裝控制加工面，調整到位后通過機械裝置抱緊。直油孔和斜油孔分別采用獨立的動力頭驅動槍鉆加工，在鉆孔時鉆頭伸出動力頭進行加工，當需要移位時鉆頭縮回動力頭內。直油孔和斜油孔的槍鉆鉆頭的角度在加工前根據曲軸具體類型和參數進行調整，完成后在下次加工時不需要重新調整。直油孔和斜油孔的動力頭安裝時靠在一起，相對位置固定不變，所以在校準時只需要一次尋零動作即可，減小了多次尋零造成的累計誤差。曲軸油孔軸向定位裝置示意圖如圖1所示。

2.3 加工過程

加工前，要保證動力頭在初始原點，如果不在則執行一鍵歸零命令，通過變頻器驅動動力頭移至絲杠驅動端原點位置（通過限位開關進行檢測標定）。加工時首先在觸摸屏上設置曲軸基礎數據（缸數、直油孔孔距、第一個油孔位置數據等），然后執行一鍵定位加工命令。加工時首先是直油孔，待所有直油孔全部加工完畢后，要將動力頭移至原點位置進行校準，然后再進行斜油孔加工。當所有油孔加工完成后，要將動力頭移至原點位置進行校準，為下次加工做準備，也就是設備復位的過程。通過這種控制方式可以有效避免直油孔和斜油孔交替加工過程中產生的累計誤差。

3 硬件選型及定位原理

在硬件設計時，綜合考慮控制要求、產品功能、安全、環保和成本等因素，采用以緊湊型可編程控制器（PLC）為控制核心，以觸摸屏（HMI）為人機交互裝置，以工業變頻器為動力頭行走驅動裝置，以旋轉編碼器為動力頭檢測定位裝置的技術路線。

3.1 硬件選型

3.1.1 可編程控制器

采用歐姆龍CPM2A-60CDR作為核心控制部件，進行邏輯運算、程序控制與通信控制等，可實現同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出等功能。其具備36路繼電器輸入和24路繼電器輸出;另帶有2路脈沖輸出，可以使用2路無加速和減速功能的單相輸出，也可以使用2路不同占空比的脈沖輸出或帶梯形加速和減速功能的脈沖輸出。利用可編程控制器的脈沖輸入輸出功能實現定位功能。

3.1.2 觸摸屏

采用MT4300C用于輸入曲軸數據、實時監控加工情況等。觸摸屏人機界面是在操作人員和機器設備之間做雙向溝通的橋梁。根據需求通過自由的組合文字、按鈕、圖形、數字等來輸入、監控、管理隨時可能變化的設備信息。

3.1.3 變頻器

富士FRN5.5G11S-4CX，屬于低噪聲、高性能、多功能變頻器。利用其動態轉矩矢量控制可在各種運行條件下實現對電動機的最佳控制，實現更高性能、更高精度的運行，速度控制精度可達到±0.02%，在電動機低速時脈動大大減小。

3.1.4 旋轉編碼器

采用歐姆龍E6B2-CWZ6C 600P/R，其屬于增量型、集電極開路輸出（NPN）型旋轉編碼器，附有逆接、負荷短路保護回路，增強了系統的可靠性。該編碼器分辨率為600P/R，絲杠導程為3 mm，編碼器每個脈沖位移為0.005 mm，完全滿足精度要求。

3.2 定位原理

系統采用的可編程控制器具有脈沖輸入輸出功能，從而利用脈沖控制實現對位置的準確控制。其在用作單相脈沖輸出時，可以有頻率范圍為10 Hz～10 000 Hz的固定占空比或頻率范圍為0.1 Hz～999.9 Hz的可變占空比（0～100%占空比）2種輸出。通過調節脈沖輸出占空比就可以調節變頻器的輸出電流和輸出電壓，從而調節電動機的轉速。

另外，系統中采用的變頻器具備直流制動模式，利用該模式可以實現精確定位。所謂直流制動，一般指當變頻器輸出頻率接近于零，電機轉速降低到一定數值時，變頻器向異步電動機定子繞組中通入直流，形成靜止磁場，此時電動機處于能耗制動狀態，轉子切割該靜止磁場而產生制動轉矩，使電動機迅速停止。直流制動可以用于要求準確停車的情況。

總之，系統利用可編程控制器、變頻器和旋轉編碼器構成半閉環控制，可以實現電動機直線速度和位移的計算，在電動機低速運行時可以逼近目標實現精確定位。系統工作時，在變頻器中預先設置好直流制動電壓、直流制動時間、直流制動頻率等參數，當旋轉編碼器檢測到動力頭接近目標位置時，變頻器切換至直流制動模式，配合可編程控制器的脈沖控制功能逼近目標，達到精確定位。曲軸油孔定位控制系統示意圖如圖2所示。

4 結語

隨著大型艦船設備的日益普及，對大型柴油機曲軸加工的質量和效率都有了更高的要求。該系統依據柴油機曲軸油孔工藝設計要求，開發了油孔專機定位系統。經過實際驗證，系統不僅能夠滿足所有控制功能及精度要求，而且相比數控機床節約了大量的造價成本，提高了生產效率，降低了操作工人的技能要求。另外，該設計還可為柴油機生產企業制造曲軸加工設備或相關機械設備的產品開發提供參考。

參考文獻

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