1 引言
發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門直接與高溫燃?xì)饨佑|，受熱嚴(yán)重而散熱困難，因此一般采用耐熱合金鋼制造，如奧氏體不銹鋼等。而這種鋼材的硬度相當(dāng)大，使用普通的沖床等設(shè)備對(duì)原料進(jìn)行剪切很難獲得滿意的精度。如果采用手工砂輪切割，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，單是切口損耗就是一個(gè)非常大的浪費(fèi)。為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型的精密剪切設(shè)備，能夠在產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率、工作環(huán)境等各方面都能帶來(lái)可觀的改進(jìn)。本文將主要其電氣控制方面的內(nèi)容做一簡(jiǎn)要介紹。
2 機(jī)床的基本構(gòu)成
本機(jī)床為專用機(jī)械，特別為氣門生產(chǎn)中的奧氏體棒料剪切下料所設(shè)計(jì)制造。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料，精確擋板定位剪切，完成從原料到位至成品分揀的全自動(dòng)化運(yùn)行。并且能夠?qū)崿F(xiàn)前后棒料原料之間的無(wú)間隔銜接，提高工作效率。除機(jī)座等必備部件之外，機(jī)床還有布料機(jī)構(gòu)、上料機(jī)構(gòu)、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)、分料機(jī)構(gòu)等。其中布料機(jī)構(gòu)和分料機(jī)構(gòu)由氣缸帶動(dòng)，上料機(jī)構(gòu)和進(jìn)料機(jī)構(gòu)由輪軸帶動(dòng)，采用摩擦輪傳動(dòng)，傳送可靠。夾緊機(jī)構(gòu)和剪切機(jī)構(gòu)由油缸帶動(dòng)，剪切主沖切頭高速運(yùn)行，可保證剪切質(zhì)量。整個(gè)機(jī)床結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，安裝要求可靠固定，能夠抵抗剪切時(shí)產(chǎn)生的巨大沖擊作用力。
3 電氣控制系統(tǒng)概述
本電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造，遵守國(guó)標(biāo)《gb/t5226.1-96》的有關(guān)規(guī)定，以及其它的國(guó)標(biāo)和機(jī)床行業(yè)特殊要求的有關(guān)說(shuō)明，采用位置傳感器、壓力傳感器檢測(cè)，plc程序控制。電氣控制系統(tǒng)主要分兩部分構(gòu)成，即動(dòng)力部分和運(yùn)動(dòng)控制部分。
在動(dòng)力部分中，因?yàn)殡姍C(jī)容量并不很大，對(duì)啟動(dòng)時(shí)的各參數(shù)要求也不很高，因此對(duì)除上料電機(jī)和進(jìn)料電機(jī)以外的電機(jī)采用傳統(tǒng)的“星三角”啟動(dòng)方式和直接啟動(dòng)控制方式，主回路為空開(kāi)、接觸器、熱繼電器方案。為保證工序的銜接良好，上料電機(jī)和進(jìn)料電機(jī)采用變頻調(diào)速。
在系統(tǒng)的運(yùn)行方式上，設(shè)有手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)三種工況，以分別適用于不同的操作條件。其中手動(dòng)工況為設(shè)備調(diào)試以及特殊工況下使用；半自動(dòng)工況下每次可以完成一整根棒料原料的加工；自動(dòng)工況下可以自動(dòng)續(xù)料，連續(xù)完成多根棒料原料的加工，為正常工作模式。
系統(tǒng)包括電氣控制柜1臺(tái)和操作臺(tái)1臺(tái)。電氣柜和操作臺(tái)的控制面板上裝有若干控制按鈕（旋鈕），并且在按鈕旁邊有相應(yīng)的文字說(shuō)明來(lái)解釋按鈕（旋鈕）的作用，如控制給電、停止、急停等?？刂泼姘迳线€裝有指示燈，燈點(diǎn)亮?xí)r，其相應(yīng)的文字說(shuō)明表示主機(jī)當(dāng)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，如電源有電、電機(jī)運(yùn)行等。
啟動(dòng)分為兩個(gè)按鈕，只要當(dāng)兩個(gè)同時(shí)按下時(shí)才起作用，防止誤啟動(dòng)。設(shè)“停止”按鈕，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以隨時(shí)按壓，此時(shí)plc停止輸出。
設(shè)“緊急停止”自鎖按鈕，按下時(shí)不僅停止輸出，并且整個(gè)控制系統(tǒng)斷電。在情況排除后，可旋轉(zhuǎn)該自鎖按鈕，使其解除工作狀態(tài)。
4 基于plc的控制系統(tǒng)
該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，觸摸屏的工作參數(shù)設(shè)定、傳感器的實(shí)時(shí)工況監(jiān)視、操作臺(tái)上的工況選擇按鈕組成plc的輸入部分，其中觸摸屏的參數(shù)輸入通過(guò)com口與plc的通訊實(shí)現(xiàn)?？刂谱冾l電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻器、控制油缸氣缸動(dòng)作的電磁閥以及實(shí)時(shí)工況指示燈組成了輸出部分。
圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
4.1 plc型號(hào)的選擇
由于三菱fx系列plc兼有整體式和模塊式可編程控制器的優(yōu)點(diǎn)，其功能強(qiáng)，響應(yīng)速度快，因此選取該系列產(chǎn)品。plc的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)各需要30多個(gè)，參照其標(biāo)準(zhǔn)配置點(diǎn)數(shù)，選用fx2n-64mr。該型號(hào)共有輸入點(diǎn)32個(gè)，輸出點(diǎn)32個(gè)。為節(jié)約點(diǎn)數(shù)，也為了留出必要的空點(diǎn)以方便將來(lái)設(shè)備升級(jí)，將若干邏輯關(guān)系簡(jiǎn)單的輸入輸出改為繼電器控制。這樣以來(lái)，實(shí)際使用的點(diǎn)數(shù)大約為58個(gè)（其中輸入點(diǎn)30個(gè)，輸出點(diǎn)28個(gè)）?？刂粕狭虾瓦M(jìn)料的變頻器采用三菱fr-s500系列產(chǎn)品,觸摸屏采用f940產(chǎn)品。
4.2 工序控制
每一根棒料原料所經(jīng)過(guò)的工序如圖2所示，各工序之間的銜接信號(hào)由行程開(kāi)關(guān)、壓力傳感器和光電編碼器等提供，前一工序的結(jié)束信號(hào)一般同時(shí)用作后一工序的起始信號(hào)，在必要時(shí)做相應(yīng)的延時(shí)處理。如壓料工序，由光電編碼器結(jié)合行程開(kāi)關(guān)對(duì)棒料是否到達(dá)，以及是否離開(kāi)壓料位置進(jìn)行判斷；夾緊、剪切和松開(kāi)工序由壓力傳感器和行程開(kāi)關(guān)判斷，在夾緊壓力達(dá)到額定值時(shí)壓力傳感器發(fā)訊，開(kāi)始剪切。剪切完畢后刀頭對(duì)應(yīng)的行程開(kāi)關(guān)發(fā)訊，夾緊油缸泄壓松開(kāi)。
圖2 單件棒料加工工序
由于棒料原料的料頭一般會(huì)存在一定的缺陷，不能直接用于后續(xù)加工。所以對(duì)料頭做特殊的處理上，即將盡可能少的料頭剪掉。因此設(shè)備要對(duì)馬上要剪切的部位做出判斷，以確定是否為料頭部分，如果是料頭部分，同時(shí)又在旋鈕中選擇了“剪料頭”，則對(duì)料頭進(jìn)行“剪料頭”工序。對(duì)原料的尾料部分也要做相應(yīng)的處理，在出料時(shí)增加“分料頭”工序。如果是開(kāi)機(jī)后的第一根原料，這一功能可以比較容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)中的后續(xù)原料，則有賴于參數(shù)的設(shè)定，通過(guò)對(duì)觸摸屏所設(shè)定的原料長(zhǎng)度和下料長(zhǎng)度的計(jì)算，可以預(yù)先知道每一根原料可以下料的根數(shù)，在完成這些根數(shù)之后的余料可以判定為料尾，而次料則可以認(rèn)定為下一個(gè)料頭。需要注意的是，在計(jì)算時(shí)必須考慮必要的夾持長(zhǎng)度。
系統(tǒng)具有自動(dòng)計(jì)數(shù)功能，每一次有效剪切都將做一數(shù)值上的累加，保存在plc上可斷電保持的數(shù)據(jù)寄存器中。當(dāng)累加到觸摸屏所設(shè)定的生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)暫停運(yùn)行，提示操作者是否繼續(xù)生產(chǎn)加工。
考慮到液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，在電磁閥的動(dòng)作上增加限制條件，即其只有在液壓泵電動(dòng)機(jī)正常后才能動(dòng)作，可通過(guò)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.3 速度控制
根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，下料長(zhǎng)度一般在60mm～280mm之間，又由于機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)效率及穩(wěn)定性方面都有要求，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)速度隨下料長(zhǎng)度的增加而增加。當(dāng)下料長(zhǎng)度較短時(shí)，上料電機(jī)及進(jìn)料電機(jī)以慢速運(yùn)行；反之則以快速運(yùn)行。上料工序分為兩段，由變頻器控制上料電機(jī)的速度，前段較快，后段較慢且與進(jìn)料電機(jī)同速。變頻器一般都會(huì)支持多段速調(diào)速，在此上料電機(jī)實(shí)際使用7段速而進(jìn)料電機(jī)使用6段速。具體速度搭配如表1所示，從速度1至速度7依次加快。
當(dāng)開(kāi)機(jī)時(shí)或參數(shù)改變時(shí)，觸摸屏確定的下料長(zhǎng)度傳至plc，程序判斷下料尺寸所處范圍，然后在合適工序期間觸發(fā)相應(yīng)的變頻器通路，調(diào)出相應(yīng)的速度。
該plc電氣控制系統(tǒng)是強(qiáng)弱電混合系統(tǒng)，因此在控制柜的元件布置和走線上應(yīng)有相應(yīng)的考慮。，接觸器、空氣開(kāi)關(guān)和變頻器等原件放置于電器柜中，而plc等放置于操作臺(tái)中，以減少電磁干擾。在plc的輸出點(diǎn)連接電磁閥時(shí)，并聯(lián)rc吸收裝置，以消除電磁噪聲。該機(jī)床實(shí)際應(yīng)用于大批量生產(chǎn)中，由于線路簡(jiǎn)化，操作方便，自動(dòng)化程度高，可在類似場(chǎng)合推廣使用。
5 結(jié)束語(yǔ)
該機(jī)床設(shè)計(jì)先進(jìn)，屬國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的產(chǎn)品，可完全替代昂貴的進(jìn)口產(chǎn)品。加工的成品端口質(zhì)量好精度高，端面傾斜度≤1°，端面圓度≤0.04d，塌邊長(zhǎng)度≤0.2d，下料長(zhǎng)度誤差±0.15mm。加工效率在20支/分鐘以上，可大大提高勞動(dòng)效率。另外在節(jié)能降耗方面也有很大的提高。據(jù)保守估計(jì)，使用該產(chǎn)品，僅計(jì)算降低刀口損耗方面的收益，一年就可以收回成本。
