（机械制造及其自动化专业论文）基于ipcplc的q300a型金相试样切割机控制系统的研究.pdf

摘要 金相试样切割机主要用于金相试样的截取，在机械制造行业中应用极为广泛。目 前，国内的金相试样切割机切割范围较小，自动化程度低，不能够直接对较大零件进 行取样。国外的金相切割机虽然性能良好，切割范围广，但是价格非常昂贵。为了满 足行业需求，促进我国金相事业的发展，对大型金相试样切割机的研究势在必行。在 认真体会金相切割技术的原理和金相试样取样的特殊要求后，研究设计了q - - 3 0 0 a 型 金相试样切割机的控制系统。 本文根据q 3 0 0 a 型金相试样切割机的机械结构和工作原理，采用机电一体化系 统设计思想，设计了金相试样切割机的控制系统。该系统是以可编程控制器( p l c ) 为控制核心，工控机( i p c ) 做输入和显示模块。i p c 作为上位机提供良好的人机界 面，进行全系统的监控和管理，p l c 作为下位机，执行可靠有效的现场控制。通过 o m r o nh o s tl i n k 单元及串行总线将上位机和下位机互联，组成1 ：l 上位链接系统， 利用、，i s u a lb a s i e6 0 的m s c o m m 通讯控件实现了可靠的串口数据通信。 采用变频调速技术对三相异步电动机进行调速，以适应切割不同材质工件的要 求。通过光电传感器对切割片转速进行实时采样，利用p l c 的高速计数功能和模拟 量p i d 控制功能，实现了切割片转速的p i d 闭环调节，提高了转速控制精度，保证 了取样质量。通过步进电机驱动器实现了p l c 对三台步进电机的控制，x 向电机和 y 向电机使工作台能够根据设定的转速前后、左右平稳进给，z 向电机用来驱动切割 片进给，其进给速度可根据被切工件的尺寸来设定。p l c 控制一台变频器和三台步进 电机驱动器，使工作台、悬臂和切割片协调动作，完成切割任务。设计的切割机控制 系统具有自动和手动两种控制方式，在自动控制方式下有四种切割模式：恒速切割、 进三退一切割、逐层切割和连续切割，提高了切割机的切割能力。运用v b 6 0 开发 平台设计了上位机显示和输入界面，为系统提供了一种简易实用、安全可靠的人机交 互界面。此外，对控制系统采取了电气设备保护和电路抗干扰措施，提高了系统的安 全性和可靠性。在系统安装调试完成后，进行了大量的切割试验，实践证明能达到预 期的成果。 。 该控制系统设计新颖、性能可靠，扩大了金相切割机切割范围( 最大切割直径可 达0 1 6 0 m m ，最大切割宽度达到3 0 0 m m ) ，实现了切割的自动化，降低了劳动强度， 提高了工作效率，具有很高的应用价值和推广价值。 关键词：金相试样切割机；p l c ；i p c ；v b 6 0 ；串行通信；变频调速 s t u d yo nt h ec o n t r o ls y s t e mo fq 3 0 0 am e t a h o g r a p h i c s a m p l ec u t t i n gm a c h i n eb a s e do ni p c - p l c 。a u t h o r q j nh o n g - x i n g t u t o r l ij i - g a n g m a j “m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n a b s 仃a c t 髓em c t a l l o g r a p h i cs a m p l ec u t t i n gm a c h i n ew h i c hi sw i d e l yu s e di nt h em a c h i n e m a n u f a c t u r ep r o f e s s i o ni sm a i n l yu s e dt 0c u tt h em c t a l l o g r a p h cs a m p l e b u ta tp r e s e n t , t h e c u r i n gs c o p eo fd o m e s t i cm c t a l l o g r a p h i cs a m p l ec u t t i n gm a c h i n ei s s m a l la n dt h e a u t o m a t i c i t yi sl o w i tc a n n o td i r e c t l yc a r r yo nt h es a m p l et ot h eb i gc o m p o n e n t s a l t h o u g h t h eo v e r s e a sm c t a l l o g r a p h i cs a m p l ec u t t i n gm a c h i n e sp e r f o r m a n c 姥i sg o o da n dc u r i n g s c o p ei sb r o a d , b u tt h ep d i se x t r e m e l ye x p e n s i v e i no r d e rt om e e tt h ep r o f e s s i o n a ln e e d a n dp r o m o t eo n fm e t a l l o g r a p h ye n t e r p r i s ed e v e l o p m e n t , r e s e a r c h i n g0 nt h el a r g e - s c a l e m c t a l l o g r a p h i cs a m p l ec u t t i n gm a c h i n ei si m p e r a t i v e a f t e re a r n e s t l yr e a l i z i n gt h e p r i n c i p l eo ft h em e t a l l o g r a p h yc u t t i n gt e c h n o l o g ya n dt h es p e c i a lr e q u e s to ft h ec u t t i n g m c t a l l o g r a p h i cs a m p l e , t h eq - 3 0 0 am c t a l l o g r a p h i cs a m p l ec u t t i n gm a c h i n ec o n t r o l s y s t e mi sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s ma n dt h ew o r kp r i n c i p l eo fl a r g p s c a l em c t a l l o g r a p h l c s a m p l ec u t t i n gm a c h i n e ，t h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e dw i t ht h et h o u g h to f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a li n t e g r a t i o n t h eh e a r to ft h ec o n 订o ls y s t e mi sp r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ( x p c ) w o f l 西a st h ei 琊l i ta n dt h e d e m o n s t r a t i o nm o d u l e i p ci sa l s oc a l l e dh o s t c o m p u t e r , w h i c hp r o v i d e s a p e r s o n - m a c h i n ei n t e r c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n dc m l i c so nt h em o n i t o r i n ga n dt h e m a n a g e m e n ta b o u te n t i r es y s t e m p l ci sa l s oc a l l c ds l a v ec o m p u t e r ，w h i c he x e c u t e sa r e l i a b l ee f f e c t i v e l yc o n t r o lo nt h es p o t o m r o nh o s tl i n ku n i ta n dt h es e r i a ll i n ea r eu s e d i nt h el ：1i n t e r c o n n c c t i o ns y s t e mo f 口ca n dp l c t h em s c o m mc o n n e c t i o nm o d u l eo f v i s u a lb a s i c6 0i sa p p l i e dt ot h er e l i a b l es e r i a lp o r td a t ac o m m u n i c a f i o m f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n gt e c h n o l o g yi sa d o p t e dt o c o n t r o lt h et h r e ep o s t u r e a s y n c h r o n i s mm o t o rt oa t t a i ns t e p l e s st i m i n gf o ra d a p t i n gt or e q u e s to fc u t t i n gd i f f e r e n t m a t e r i a l s t h em a t es p e 圮do ft h eg r i n d i n gw h e e lc a r r i e so nr e a l t i m es a m p l et h r o u g ht h e p h o t o e l e c t r i cs e n s o rw h i c hu d l i z e st h ef u n c t i o n so fl l i g hs p e e dc o u n to fp l ca n dp i d c o n t r o lo f a n a l p g u e v a r i a b l e a sar e s u l t ，t h e p i dc l o s e d l o o p c o n t r o l o f t h ev e l o c i t y o f t h e g r i n d i n gw h e e lc o i n e 8t r u e ，t h ec o n t r o lp r e c i s i o no ft h ev e l o c i t yi si m p r o v e d ，t h ef l e x i b i l i t y o fc u t t i n gd i f f e r e n tm a t e r i a l si sb o o s t e du pa n dt h es a m p l eq u a l i t yi sg u a r a n t e e d t h e c o n t r o lo ft h r e es t e pm o t o r sh a sc o m et r u eb yp l ct h r o u g ht h r e es t e pm o t o rd r i v e r s x d i r e c t i o ns t e pm o t o ra n dyd i r e c t i o ns t e pm o t o rc a nm a k et h ew o r k i n gp l a t f o r mm o v e s m o o t h l ya c c o r d i n gt ot h ef r o n to rr e a ra n dt h er i g h to rl e f to fs e t t i n gs p e e d zd i r e c t i o n s t e pm o t o ri su t i l i z e dt om o v eg r i n d i n gw h e e l t h es p e e dc 孤b e s e ta c c o r d i n gt os j t _ e 8o f t h e c u ts a m p l e p l cc o n t r o l so l l e 订a j i 瓤l u c 盯a n dt h r e es t e pm o t o rd r i v e r ss ot h a tt h ew o r k t a b l e , t h ec a n t i l e v e ra n dg r i n d i n gw h e e lc a r lm o v l i np h a s ea n dt h et a s ko f c u t t i n gi sc o m p l e t e d t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ec u t t i n gm a c h i n eh a sb e e nd e s i g n e di nt w ok i n d so fc o n t r o lw a y ： a u t o m a t i co p e r a t i o na n dm a n u a lo p e r a t i o n t h ea u t o m a t i co p e r a t i o nh a sf o u rk i n d so f c u t t i n gm o d e s ：c u to f fw o f k p i e c co n c e ，c u to f fw o r l q ，i e e ew i t ha d v a n c i n gt h r e es t e p sa n d l 略l z e a t i n go n es t e p ，c u to f fw o r k l f i e e el a y e rb yl a y e r , c u to f fw o r k p i e e ei ns e r i e s t h e c u t t i n ga b i l i t yo ft h ec u t t i n gm a e l a i n ew a se n l m e e c t , s ot h a tc u t t i n gm a c h i n ec a na no f f v a r i o u ss i z e so fp a r t se f f i c i e n t l y v b 6 0d e v e l o p m e n tp l a t f o r mi 8u t i l i z e dt od e s i g ni p c d i s p l a ya n di n l , 1 1 ti n t e r f a c ew h i e l ap r o v i d e st h es y s t e m 谢t l las i m p l e ，p r a c t i c a l ，s a f ea n d r e l i a b l ep e r s o n - m a c h i n ei n t e r c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e i na d d i t i o n , t h ee o n l r o ls y s t e mh a s a d o p t o dt h ee l e c t r i c a le q u i p m e n tp r o t e c t i o na n dt h ee l e c t r i cc i r c u i ta a t i j a m m i a gm e a 嗣玎es o t h a ti t ss e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yh a v eb e e ne n h a n c e d m a s s i v ec u t t i n ge x p e r i m e n t sh a v eb e e n c a r r i e do u ta t t e rf i n i s h i n gt h ei n s t a l l i n ga n dd e b u g g i n go fs y s t e m t h ep r a c t i c ep r o v e st h a t t h em e t a l l o g r a p h i es a m p l ec u t t i n gm a c h i n ec a na c h i e v et h ed e s i r e d 门删t t h ec o n t r o ls y s t e mo fm c t a i l o g r a p h i es a m p l ec u t t i n gm a c h i n eh a san o v e ld e s i g n a n dar e l i a b l ef t m e t i o n i t sc u t t i n gs c o p ei se x p a n d e d ( m a x i m u mc u t t i n gd i a m e t e ri s m 1 6 0 m m , m a x i m u mc u t t i n gw i d t hi s3 0 0 r a m ) i tr e a l i z e st h ec u t t i n ga u t o m a t i o n , r o d u e t 治 t h el a b o u l a n de l l h a n c e st h ew o r ke f f i c i e n c y , s oi th a s9 0 0 dv a l u e so fp r a c t i c a l i t ya n d s p f e a d k e yw o r d l ：m e t a l l o g r a p h i es a m p l ec u t t i n gm a c h i n e ；p l c ；i p c ；v b 6 o ；s e r i a l e o m m t m i e a t i o n ；f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑些盎些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：李知里 签字日期： 刀年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑a 垦垒些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑j 垦壅些盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名孝f 遗 签字日期： 0 7 年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名李牺刚 ! i i i - 字i i i i ：纠年6 月；日 电话： 邮编： 基于i p c - p l c 的q 3 0 0 a 型金相试样切割机控制系统的研究 1 引言 金属材料是机械制造业领域中常用的材料，在各种机床、矿山机械、冶金设备、 动力设备、农业机械、石油化工、交通运输等机械设备中，金属制品约占8 0 9 0 这 主要是由于金属材料具备制造机器的物理、化学和机械性能【l 】，并且可以用较简便的 工艺方法加工成机械零件。金属材料的力学性能不仅与其化学成分有关，也与它的金 相组织结构密切相关。因此，金相分析是机械、冶金、航空航天、汽车、工模具等制 造行业中，保证产品质量、查清事故原因的重要手段，是研究新材料、新工艺和提高 产品质量的重要方法 2 1 。要进行金相分析，就必须制备金相试样。通常，光学金相试 样制备要经过以下几个步骤：取样、镶嵌、磨光和抛光【”每个步骤都必须细心操作， 因为任何阶段上的失误都可能影响以后的步骤，不正确的制样可能造成假相，从而得 出错误的结论。 金相试样取样作为制样过程的首道工序是金相研究中至关重要的一步。目前， 大部分单位采用的制样方法还停留在手工阶段，手工制样不但步骤繁琐，而且还需要 熟练的技巧和丰富的经验。随着科学技术的进步，用微机控制的制样设备已经问世， 对各种材料有效制样技术的数据库已经开始建立，用机械代替人工制样已成为现实， 而且制样速度快、质量高。金相取样设备作为机械设备的一个分支，正在由手动向半 自动化和自动化方向发展【4 】。但是，国内的金相试样切割设备切割范围一般在 0 1 0 0 m m 以下，不能够直接对较大工件进行取样，所以对大型金相试样切割机的研究 十分必要。 本课题采用机电一体化技术i s ，根据q - 3 0 0 a 型金相试样切割机的机械结构和工 作原理，设计了一款基于i p c p l c 串行通信实现的切割机控制系统，扩大了切割的 范围，使得切割机的最大切割直径达到0 1 6 0 m m ，最大切割宽度达到3 0 0 m m ，并且 能够根据工件的尺寸选择不同的切割方式，根据工件的材料调节砂轮片的切割速度， 以满足较大的工件和型材的截取或下料，并能够保证较小工件的切割效率。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 2 1 课题研究的背景及意义 2 概述 目前，国内的金相试样切割机切割范围一般在0 1 0 0 m m 以下，自动化程度偏低， 不能够直接对较大工件进行取样，难以满足应用需要【6 j 。国外的金相切割机虽然性能 良好，切割范围广，但是价格非常昂贵，试验室配置要求过高p 】。所以，本课题对大 型金相试样切割机的研究是十分必要的。 本课题的研究将扩大金相切割机的切割范围，最大切割直径可达0 1 6 0 m m ，最大 切割宽度达到3 0 0 m m ，实现切割过程的自动化，解决金相切割行业中实验成本高、 试验周期长的问题，预期成果不仅具有应用的可能性，而且具有重要的理论意义和实 用价值将会带来极大的经济效益j 2 2 金相试样切割机的研究概况 2 2 1 国内金相试样切割机研究概况 2 0 世纪5 0 年代，国内开始对金相试样切割机进行研究和设计，并形成了一些产 品，而且目前仍在使用。这些切割机多数为手工操作，生产效率低，安全性差。由于 冷却条件差，切割的试样易发生过热、过烧，真实性差，不能保持试样原始组织状态， 己满足不了由于科技进步对产品质量更高的要求。 2 0 世纪9 0 年代后，国内已出现新型的切割机，如：上海日用电机厂生产的q - 3 a 型试样切割机，韶关市四方科技设备公司生产的s g 5 0 型试样切割机。上海理化仪器 公司生产的s j 9 0 - a 型金相试样切割机【7 j ，莱州蔚仪试验器械公司生产的q - 1 0 0 b 型试 样切割机，河北农大机电新技术公司生产的q - 1 0 0 型金相试样切割机等。虽然各有优 缺点，但一般切割直径小适用范围窄。 ( 1 ) 山东莱州蔚仪试验器械制造有限公司生产的q - 1 0 0 b 型自动金相试样切割 机，如图l 所示，具有超大切割室，可移动式。t ”型工作台，可切割长方形、大型 试样，分体式快键虎钳，有利于夹持各种异型工件。砂轮片规格3 5 0 2 5 3 2 m m ，允 许切割最大试样直径0 1 0 0 m m 或切割1 0 0 m m x 2 0 0 m m 的工件。液晶显示各种切割数 据，双向进给方式，增加了切割深度和切割长度，七级切割速度设定。 ( 2 ) 河北农大机电新技术公司生产的q - 1 0 0 型金相试样切割机【，j ，如图2 所示， 电机功率为2 5 k w ，可以安装0 2 5 0 m m 或0 3 0 0 m m 的砂轮片，电机和砂轮轴支撑架 安装在同一滑扳上，手摇手轮或步进电机驱动滑板，从而实现手动或自动进退刀运动。 采用内置式全方位循环冷却系统，使冷却液双向多孔喷射在砂轮片两侧，并利用砂轮 片的旋转离心力将冷却液带入试样切口内，保证试样切割时不受热。设计了进三退一 的程序，控制进刀过程，即切割3 m m 后，退回i m m 的往复运动形式。特点是：砂轮 片不易走斜和弯曲；试样切口光滑、平直；砂轮片不易磨损和破裂；冷却液更容易进 入切口内，增加冷却效果；组织无变形和过热等现象。设计了无级调速进刀系统，可 2 基于i p c p l c 的q 一3 0 0 a 型金相试样切割机控制系统的研究 切割超硬材料快速退刀提高了工作效率。采用全封闭自动切割方式，保证操作者安 全工作。防护罩两端设有开合式窗口，使得切割工件长度无限制，并防止冷却液飞溅。 如果采用直径0 3 0 0 m m 砂轮片，最大切割直径为0 8 0 m m 田10 - 1 0 0 8 型盒相试样切i 机 f i g iq - 1 0 0 bm c t a l l o g r a p h i c s a m o e c u i n gm a c h i n e 上述切割机各有优缺点，但一般切割直径小， 安全性差等原因，而未能得到广泛的应用。 2 2 2 国外金相试样切割机研究概况 田20 - 1 0 0 型金相试样切割机 f i g 2q - 1 0 0m e t a l l o g r a p h i c s m l p l ec u t t i n gm a c h i n e 操作方式复杂，由于生产效率低、 目前，国外生产金相设备的厂家主要有丹麦的司特尔( s t r u e r s ) 公司和美国的标 乐( b u e h l e r ) 公司，他们除生产磨抛光机外也生产自动金相试样切割机。2 0 世纪8 0 年代末，这两家公司相继推出了e x o t o m 型和o s o i l l a m e t 型切割机【1 0 , i i 】，它们的共同 特点是切割片在旋转的同时还有一个来回摆动的动作，这样在切割过程中，切割片与 材料的接触面积最小，因而切割所需压力小，切割片的消耗也少，且冷却液易达到切 割面，因而切割造成的温升对金相组织影响f i t d , 1 2 1 。 近年来，两家公司不断开发研制，推出了一系列新产品 1 3 - i 习： ( 1 ) 丹麦司特尔公司生产的e x o t o m 1 5 0 型金相试样切割机，如图3 所示，它配 备了独特的e x c i c u t 振动切割技术，通过切割片的振动，可以在整个切割过程中始终 将切割片与工件之间的接触区域保持为最小。最大切割直径可达0 1 6 0 m m ，具有四种 不同的自动切割方式，自动调整切割速度和压力，易于切割高硬度材料，切割标准材 料时则速度更快。司特尔公司生产的d i s c o t o m 5 0 型金相切割机具有砂轮轴的无级 调速系统，只需使用同一砂轮片即可切割不同类型的材料( 软到铝金属，硬到淬火钢) ， 提高了砂轮片的适应能力。由于试样与切割片之间的接触部位在不断变化，因此冷却 效果得到很大改善。d i s c o t o m 5 0 可以对直径达1 0 5 m m 或截面达9 0 x 1 4 0 m m 的试样 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 进行切割，操作简单、定位迅速、切割方便。手工试样定位和自动切割的有机结合确 保了强大的试样处理能力。此外，司特尔公司还生产u n i t o m 、d i s c o t o m - 6 、l a b o t o m 3 等型号的切割机。 ( 2 ) 美国标乐有限公司生产的a b r a s i m a t i c , - 2 型切割机，配备有3 k w 电机和 0 2 5 4 m m 的切割片，可切割直径0 7 6 m m 的试样。它将电机、底座及操作杆安装在同 一轴线上，通过手动进行切割试件，切割过程采取弧形进刀方式。o s c i l l a m e t 型砂轮 切割机，配备有2 2 k w 电动机和0 3 0 5 t m n 的切割片，可切割长度达3 2 0 m m 或 9 5 r a m x l 0 2 m m 的大块试样。该机通过砂轮摆动使接触面积减至最小，以保证获得无 过烧并提高切割能力，砂轮片可以垂直方向定位，还可切割曲轴。此外，标乐公司还 生产有s a m p l m e t 2 、d e l t a 等系列的切割机。图4 所示为d e l t a 型金相切割机。 田3e x o t a - - 1 5 0 型金相试样切喇机 f i & 3e x o t o m - 1 5 0m e t a l l o g r a p h i c ，s m n p l e c u t t i n g m a c h i n e 田4d e l t a 型盒相试样切割机 f i g 4d e l t am e t a l l o g r a p h i c s a m p l ec i l 咖gm a c h i n e 国外产品外形美观，切割精度高，但有的机型切割试样的长度受到限制，且冷却 效果较差，造成切割质量下降。上述两家公司的产品价格昂贵，每台价值均在1 0 0 0 0 美元以上，国内有几个家研究所和汽车厂引入，耗资巨大且配件消耗和材料仍需进口， 不适合我国国情。 。 2 3 金相试样切割机面临的技术难题 我国金相试样切割技术的研究开发虽然已有几十年的历史，取得了一定的成绩， 但至今没有成熟的品牌产品。制约我国金相试样切割技术发展的因素主要有以下几个 方面： ( 1 ) 目前我国还没有金相试样切割机国家标斛1 们。金相试样切割机切割质量没 有统一的测试指标，各个生产研制单位大多是根据企业标准对金相试样切割机测试检 4 基于i p c p l c 的q - 3 0 0 a 型金相试样切割机控制系统的研究 验。判定标准不一，影响了新机型的开发研制。 ( 2 ) 缺乏既懂金相知识，又懂机械设计及自动控制的复合型人才，从而增加了 我国金相取样设备的研究和开发的难度。 ( 3 ) 冶金、机械、汽车、拖拉机、兵器、航天航空、轴承、工模具、电子等制 造行业中所需的材料类型多样化，由于各种材料的物理、化学等性能不一【2 】，使切割 机在试验参数测定，确定最佳性能指标等方面有很大难度。 ( 4 ) 金相试样切割机的机理研究和系统的理论欠缺，研究手段相对落后。金相 试样切割机的设计和开发，不仅要适合我国广大金相工作者对金相试样切割机各种性 能的要求，提高制样质量和自动化程度，同时应考虑到金相工作者不同知识层次的需 要，使设备力求操作简单，安全可靠，而且应考虑尽量降低成本，提高性能价格比， 使金相试样切割机在各种规模、各种类型的实验室得到应用和普及，促进我国金相事 业的发展。 目前，就金相试样切割机设计而言，仍面临许多亟待突破的技术难题，主要表现 在以下几个方面： ( 1 ) 切割方式的研究 先进的金相试样切割机，需要有先进的理论作指导。目前，有关金相试样切割机 的理论著作过于老化，新理论和学术研究性文章比其它机械技术理论偏少，且深度不 够，学术价值低。这些给新机型的开发研制带来了困难，理论研究是今后有待深入探 讨的关键内容之一。 ( 2 ) 冷却方式的研究 多数试样切割方法最主要的缺点是：切割时产生高温。这样会造成金相组织发生 变化，给金相分析造成困难。因此，进行金相取样时必须进行充分冷却。通常，使用 的冷却液为水，冷却试样靠自来水压力注射，冷却程度的好坏直接关系到试样的切割 质量【l 删。目前，还没有人对试样切割的冷却方式进行专门研究。 ( 3 ) 缺乏足够的理论数据 截取金相试样关键在于保证其原有的组织状态。现在广泛应用的切割机多采用设 定速度切割，切割时的恒定速度常常造成试样表面过热、过烧，达不到制样要求。目 前还没有砂轮片转速、进给速度与截取试样材质、硬度等对应关系的理论数据，难以 确定切割时的最佳切割速度，成为切割机发展亟待解决的又一个关键问题。 此外，夹具、传动装置等关键部件的设计与制造应进一步采用新技术、新材料、 新工艺，不断提高制样质量和使用可靠性。 2 4 课题的主要研究内容 本课题依据q - 3 0 0 a 型金相试样切割机的机械结构和工作原理，设计了一款以工 控机( i p c ) 和可编程控制器( p l c ) 为核心的大型金相试样切割机控制系统。该切 割机能切割工件的最大直径达到0 1 6 0 m m ，最大切割宽度达到3 0 0 m m ，并且能够根 据工件的尺寸选择不同的切割方式，根据工件的材料调节切割片的进给速度，满足尺 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 寸较大工件的截取，并保证硬度较高工件的切割效率。 根据金相试样切割机的特殊要求，主要做了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 研究了q - 3 0 0 a 型金相试样切割机的机械结构和工作原理【1 。”，确定了控制 系统的具体方案。 ( 2 ) 采用可编程控制器( p 【c ) 作为控制系统的核心，执行可靠有效的现场控 制；工控机( 口c ) 做输入和显示模块，提供良好的人机界面，进行全系统的监控和 管理，提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 研究了工控机和p l c 的特点，搭建了l ：l 的上位链接系统，利用v i s u a lb a s i c 6 0 的m s c o m m 通讯控件成功解决了工控机和p l c 的串行通信问题，使p l c 和口c 优势互补，提高了控制系统的可操作性。 ( 4 ) 采用变频调速器对三相异步电机进行调速，光电传感器对砂轮片转速进行 实时采样，利用p l c 的高速计数功能和模拟量p i d 控制的功能，实现了砂轮片转速 的闭环调节，提高了速度控制精度，使用户能够根据工件硬度的不同选择不同的切割 速度。 ( 5 ) 编写控制程序，实现了p l c 对变频器和三个步进电机驱动器的协调控制。 设计了手动和自动控制方式，自动控制方式下有四种切割模式：恒速切割、进三退一 切割、逐层切割、连续切割，能够根据工件尺寸的不同选择不同的切割模式。 ( 6 ) 利用v b 6 0 设计了友好的人机交互界面，系统能够完成切割参数设定和控 制信息显示功能。 ( 7 ) 对切割机电气控制系统采取了安全保护和抗干扰措施。 ( 8 ) 在切割机控制系统安装调试完成后，进行了大量的切割试验，对试验数据 进行了详细分析，得出了试验结论。 6 基于i p c p l c 的q - 3 0 0 a 型金相试样切割机控制系统的研究 3 金相试样切割机机械结构及工作原理 课题组设计的q - 3 0 0 a 型金相试样切割机是典型的机电一体化产品，它是由机械 结构和电气控制两大部分构成。本文主要研究对象是金相试样切割机的i p c p l c 控 制系统，在设计控制系统之前必须了解切割机的机械结构和运行原理，因此我们首先 对切割机的机械部分和工作原理作一下简单的介绍。 3 1 金相试样切割机的机械结构 3 1 1 机械结构概述 q 3 0 0 a 型金相试样切割机与以往台式结构的小型切割机不同，它采用了立式结 构。为了适应切割大型工件的切割要求，该切割机专门配备了直径0 5 0 0 m m 的砂轮 片。切割机机械部分主要由机体、传动装置、进给机构、快速卡具、冷却系统等五大 部分组成。其中，机体包括底座、外壳、推拉门、观察窗口和散热孔等；传动装置包 括主电机、传动轴、立柱、悬臂和夹板等；进给机构包括工作台、蜗轮蜗杆机构和两 套丝杠螺母机构等；快速卡具包括挡板、推拉杆和压紧手柄等；冷却系统包括冷却液 箱、水泵和喷液管等。图5 和图6 所示为q - 3 0 0 a 型金相试样切割机内部机械结构。 田5 内部结构示意固( a ) f 嘻5d i 姆m o f i n t e r i m s m j c a m ( | ) 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 烈冉丝杠 3 1 2 传动装置 田6 内部结构示意田( b ) f i g 6 d i a 驴m o f i n f e r i o r 咖咖c o ) 传动装置是切割机的动力传输机构【j ，由异步电机、步进电机、传动轴、立柱、 悬臂和夹板等组成。主电机输出的动力通过两级带传动驱动砂轮片旋转。砂轮片的最 高转速为3 0 0 0 r m i n 。 带传动是机械行业常用的传动方式，它是一种柔性传动机构，能够缓冲和吸振， 运行平稳，噪声小，可通过增减带长适应不同的中心矩要求【1 9 - 2 7 。此外，当砂轮片堵 转后带传动可以打滑，防止电机的烧毁，也防止破坏其它零件，对系统具有保护作用 【嚣删。 3 1 3 进给机构 ( 2 - 3 0 0 a 型金相试样切割机的工作运行都涉及到工作台和切割片的进给。工作台 的进给是由丝杠螺母来完成的，切割片的进给是由蜗轮蜗杆机构来完成的。 ( 1 ) t 作台迸给机构 丝杠螺母机构将步进电机的旋转运动变为工作台的纵向和横向直线进给运动。纵 向导杠座固定于底板上，横向导轨通过螺母和导向块安装在纵向丝杠和导杠上，两根 导杠和纵向丝杠安装在纵向导杠座内，纵向丝杠位于中间，导杠对称分布于纵向丝杠 两边，导杠与导杠座固定，起导向和支撑的作用，纵向丝杠由滚动轴承支撑。横向丝 8 基于1 1 c - p l c 的q 3 0 0 a 型金相试样切割机控制系统的研究 杠安装在横向导轨中间，并由滚动轴承支撑，螺母与工作台相连，工作台由横向导轨 支撑。纵向丝杠的一端装有手轮，一端装有带轮，横向丝杠的一端通过轴承位于轴承 座内，一端装有带轮，纵向、横向步进电机的输出轴也装有带轮，步进电机通过齿形 带传送动力，驱动纵向丝杠和横向丝杠旋转，纵向丝杠螺母带动横向导轨前后移动， 横向丝杠螺母带动工作台左右移动，从而实现了工作台的纵向和横向进给【3 1 3 3 1 。 切割机进给机构中选用滚珠丝杠副螺旋传动。滚珠丝杠副由滚珠丝杠、滚珠螺母 和滚珠以及反向器组成。滚珠丝杠副的运动机理为在滚珠丝杠和滚珠螺母滚道之间填 入滚珠作为中间传动物，当丝杠或螺母传动时，滚珠沿着滚道一反回器滚道不断循 环，从而实现周而复始的滚动运动，使丝杠和螺母之间的相对运动由滑动变为滚动， 降低了摩擦力，减小了摩擦损失，提高传动效率和传动精度【m 筇1 。 ( 2 ) 切割片进给机构 。 蜗轮蜗杆传动用来传递空间交错轴间的运动和动力，交错角一般为9 0 。蜗轮 蜗杆传动具有传动比大、结构紧凑、工作平稳、噪声小以及不需要其它辅助机构即可 获得反行程自锁等优点，广泛应用于机械设备的传动系统中洲。 切割片的进给是由悬臂带动作上下摆动进给运动，它主要是由蜗轮蜗杆机构来完 成的。悬臂与蜗轮通过轴套均固定于一级传动轴上，悬臂与蜗轮可同角度旋转，蜗杆 安装在用于支撑一级传动轴的两块夹板上，蜗杆通过联轴器与步进电机输出轴相连， 这样由步进电机驱动蜗杆转动，蜗杆的转动又使与它啮合的蜗轮旋转，蜗轮又带动悬 臂上下摆动，悬臂带动砂轮片实现摆动式进给。 3 1 4 快速卡具 快速卡具的主要作用是定位和夹紧待切工件，卡具的定位精度及结构直接影响试 样的切割质量和装卡效率。试样在切割过程中受到砂轮片的径向力和摩擦力作用，所 以试样的夹具应装夹可靠，否则在切割时，不能保证试样的垂直度，而且砂轮片易损 坏造成危险。夹具具有自锁功能、结构简单、装夹方便等特点 3 6 - 3 9 1 。 根据工件的形状不同，快速夹具能改变装夹方式：当被切割工件为棒料时，夹具 采用横向装夹方式，如图7 所示。当被切割工件为板材时，夹具采用竖直装夹方式， 如图8 所示，增加一个l 型板，l 型板通过螺栓螺母固定在t 型槽工作台上，夹具则 竖起来通过螺栓螺母固定在l 型板上对工件进行装夹。 操作时，推动杆项紧工件，然后顺时针转动偏心轴手柄，偏心轴压住压块上端， 同时压块倾斜，卡住推拉杆，并带动推拉杆一起前进，压紧工件，实现对工件的夹紧。 此结构的夹紧行程只是所用偏心轴夹紧行程的一部分，但因为是在推拉杆接触到工件 后进行夹紧，所以所需夹紧行程很小，能够满足要求。在工作结束后，逆时针转动偏 心轴手柄，松开压块，压块在弹簧的作用下复位，推拉杆又可以自由拉动。整个操作 过程简单、省时、省力。偏心轴和压块示意图见图9 所示。 9 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 圈7 横向差卡方式 f i g 7p a 咖io f c m e , s w 证d 平 田8 竖直差卡方式 f i g 8p a t t e mo f v e n i c e jc l a m p 3 1 5 冷却系统 田9 蕾心轴和压块 f i g 9 e c c e a t n c 蛐d b f i q u e t t i n g 为了保证试样的切口不发生烧伤，使金相组织不发生改变，在切割过程中必须对 试样进行冷却。冷却液除了冷却试样和砂轮片之外还能带走切屑，防止其划伤试样的 截面。冷却系统采用内置循环方式，由水箱、冷却泵、出水管、回水管、过滤网罩、 过滤网等组成。在砂轮片旋转进行切割时，冷却泵开始工作，把水箱中的冷却液泵出， 通过出水管喷射到工件和砂轮片上，冷却液在高速旋转的砂轮离心力的作用下，流向 试样的切口上，使得砂轮片和试样同时冷却。