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       摘要：連桿裂解技術(shù)中，連桿大頭孔應(yīng)力槽深度的一致性對(duì)裂解質(zhì)量而言至關(guān)重要。通過研究設(shè)計(jì)出一種用于電火花線切割機(jī)床加工連桿的機(jī)構(gòu)，采用電壓電流檢測電路判斷電極絲初次碰到工件的位置，并結(jié)合單片機(jī)計(jì)數(shù)功能保證連桿應(yīng)力槽深度的一致性，且槽深不受連桿毛坯內(nèi)孔尺寸、電極絲與連桿初始位置變化的影響。此外，添加快速輔助進(jìn)給功能，加快空行程運(yùn)行速度。實(shí)驗(yàn)證明該方法提高了連桿裂解加工的質(zhì)量和效率。

      裂解技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量方面的優(yōu)勢顯著，目前在連桿加工中已廣泛應(yīng)用。在整個(gè)裂解工藝中，連桿大頭孔裂解槽的尺寸精度對(duì)裂解質(zhì)量有著重要影響[1]。在連桿裂解加工技術(shù)中，為了利于裂紋開啟、迅速擴(kuò)展并發(fā)生脆斷性斷裂，要求初始裂解槽的應(yīng)力集中系數(shù)要大[2]。在一定程度上，裂紋深度與斷裂強(qiáng)度成反比，當(dāng)斷裂紋大于臨界深度時(shí)裂紋失
穩(wěn)； 但由于裂解后需進(jìn)行連桿大頭孔的精加工，故斷裂槽深度不能太深，否則在最后精鏜大頭孔時(shí)會(huì)留下殘痕，因此槽深一般小于0.6 mm。此外，大頭孔中心兩側(cè)的裂解槽深應(yīng)嚴(yán)格一致， 保證同時(shí)裂開，以獲得兩側(cè)一致的高質(zhì)量斷裂面。

      裂解槽的加工方法有拉削加工、激光加工及電火花線切割加工等。拉削加工時(shí)，拉刀會(huì)隨著時(shí)間而磨損，使槽寬變大，影響裂斷效果，故該方法已逐漸被淘汰。激光加工的優(yōu)點(diǎn)是高效、質(zhì)量好，但加工設(shè)備價(jià)格昂貴，使用維護(hù)成本高；在某些情況下，切口處會(huì)殘留高硬度的再凝固硬質(zhì)點(diǎn)，影響后續(xù)精鏜加工。電火花線切割加工彌補(bǔ)了上述缺陷與不足，在裂解槽加工中脫穎而出。

      然而，現(xiàn)有的連桿裂斷應(yīng)力槽線切割機(jī)床缺少快進(jìn)功能，導(dǎo)致輔助進(jìn)給工時(shí)較長，加工效率低；此外，當(dāng)連桿大頭孔尺寸存在誤差時(shí)，每次切出來的槽深不同，導(dǎo)致后續(xù)加工時(shí)廢品頻出，必須進(jìn)行二次加工或直接報(bào)廢工件。為了解決這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種具有恒切深控制功能的電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)，且兼具快速輔助進(jìn)給功能，可保證槽深的一致性，提高加工效率。

      1 、控制系統(tǒng)的組成

     電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)主要由脈沖電源、控制單元、檢測電路及運(yùn)動(dòng)單元組成。系統(tǒng)各部分組成見圖1。其中，脈沖電源為加工工件和電極絲提供高頻能量；間隙電壓檢測電路是對(duì)工件和電極絲的加工間隙電壓取值，判斷間隙狀態(tài)，并將間隙狀態(tài)反饋到控制單元[3]。控制單元采用dsPIC 單片機(jī)控制電極絲向工件的快速進(jìn)給，并接收來自于間隙電壓檢測電路的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　                    圖1 控制系統(tǒng)的組成

     2 、運(yùn)動(dòng)控制基本策略分析

     往復(fù)走絲電火花線切割加工時(shí)，交替出現(xiàn)的空載、短路和正常火花放電等3 種加工狀態(tài)使電極絲與工件的間隙狀態(tài)隨之交替。其中，短路狀態(tài)對(duì)加工不利，可能導(dǎo)致流過電極絲的電流超過其承受范圍而被熔斷，所以在控制方案中需對(duì)加工狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測，并對(duì)加工中出現(xiàn)的短路現(xiàn)象及時(shí)進(jìn)行處理。控制系統(tǒng)的基本策略見圖2。為了便于連桿的放置和拆卸，電極絲的初始位置應(yīng)與連桿留有一定的距離。在輔助時(shí)間里，控制器時(shí)刻檢測加工間隙狀態(tài)。當(dāng)開始執(zhí)行加工指令時(shí)，電極絲快速從位置1移動(dòng)到位置2；在位置2 到位置3 之間，電極絲以工進(jìn)速度進(jìn)給（此時(shí)電極絲未和連桿接觸）；隨著進(jìn)給的繼續(xù)，當(dāng)電極絲接觸到連桿時(shí)（位置4），間隙檢測電路會(huì)給單片機(jī)發(fā)出一個(gè)加工開始的信號(hào)，單片機(jī)識(shí)別其為首次火花放電， 單片機(jī)控制器開始計(jì)數(shù)，直至發(fā)出期望的脈沖數(shù)， 實(shí)現(xiàn)期望的槽深加工；然后快速返回初始位置1。在切割過程中，需對(duì)電火花線切割加工中的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行檢測，如因短路原因執(zhí)行了電極絲的回退操作，則需對(duì)回退的脈沖數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

      3 、檢測電路的設(shè)計(jì)

      控制系統(tǒng)中的電壓取樣電路能檢測電極絲的初始加工狀態(tài)和加工短路狀態(tài)[4]。圖3 是間隙全值平均電壓檢測電路。其中，R1、C1、C2構(gòu)成低通濾波電路。濾波電路近似于一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其滯后特性有助于加工的穩(wěn)定。這是因?yàn)榧庸ぶ胁粩嚯S機(jī)地出現(xiàn)空載、短路、火花放電等狀態(tài)，僅憑單個(gè)脈沖或某個(gè)狀態(tài)不能確定加工是否正常，只有在連續(xù)觀察一系列狀態(tài)后，才能做出準(zhǔn)確的判斷。此外，R2、R3為分壓電阻。二極管VD1能在脈沖間隔期間阻止濾波電容向前級(jí)電路放電。

           
  
           圖2 電極絲運(yùn)動(dòng)軌跡                 圖3 電壓取樣電路  圖3 電壓取樣電路

    
     短路狀態(tài)的檢測電路見圖4。U1為電壓比較器，在電極絲與工件之間采集到的電壓U 從U1的正輸入端進(jìn)入，設(shè)定值與U1的負(fù)輸入端相連；當(dāng)采樣電路采得的間隙平均電壓值U 比設(shè)定值Vcc·R6R5 +R6小時(shí)，則認(rèn)為是短路狀態(tài)。此時(shí)，比較器的1 腳輸出低電平，光耦U2的發(fā)光二極管有電流流過，光敏三極管導(dǎo)通，端口shortcut 輸出低電平，給單片機(jī)短路外部中斷端口發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)。單片機(jī)接收到中斷信號(hào)后，進(jìn)入短路中斷程序，控制運(yùn)動(dòng)單元中的步進(jìn)電機(jī)回退相應(yīng)的步數(shù)。

      
  
                          圖4 短路狀態(tài)信號(hào)采樣電路

      

     管導(dǎo)通，端口Start 給單片機(jī)相應(yīng)的中斷發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)。單片機(jī)接收到開始加工的外部中斷信號(hào)后，內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到與已設(shè)定的槽深值相等時(shí)，則認(rèn)為加工到預(yù)定深度，單片機(jī)停止計(jì)數(shù)，并快速返回。

                             圖5 加工開始狀態(tài)的信號(hào)采樣電路

      4 、軟件程序的設(shè)計(jì)

     本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)，并利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。因?yàn)橛糜隍?qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)只與頻率有關(guān)，與占空比無關(guān)，因此產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖只需一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器。采用dsPIC30F 單片機(jī)，讓定時(shí)計(jì)數(shù)器工作在定時(shí)模式，每次進(jìn)入計(jì)數(shù)溢出中斷時(shí)， 相應(yīng)的脈沖輸出端口電平翻轉(zhuǎn)，發(fā)出脈沖，并根據(jù)所采集到的間隙電壓狀態(tài)確定該如
何記錄輸出脈沖。具體實(shí)施過程如下：根據(jù)工廠的實(shí)踐，應(yīng)力槽深度為0.4~0.6 mm。在單片機(jī)中設(shè)定計(jì)數(shù)器的值N，使其切割深度為0.6 mm。剛開始單片機(jī)控制電極絲快速向工件進(jìn)給， 并未接觸到工件，單片機(jī)記錄脈沖數(shù)在變量A 中；當(dāng)電極絲與連桿開始接觸，記錄工進(jìn)脈沖數(shù)在變量B 中，直到計(jì)數(shù)值B 與設(shè)定值N 相等，單片機(jī)停止計(jì)數(shù)。步進(jìn)電機(jī)開始回退，回退的步數(shù)為（A+B）；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒切深。當(dāng)加工過程中發(fā)生短路時(shí)，電極絲回退一個(gè)固定的距離，所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)為C；在步進(jìn)電機(jī)回退C步的同時(shí)，變量B 減去C。單片機(jī)程序流程見圖6。

                              圖6 運(yùn)動(dòng)控制程序框圖

      5 、實(shí)驗(yàn)

     利用電火花線切割機(jī)床對(duì)連桿做切割實(shí)驗(yàn)，以此驗(yàn)證恒切深控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)選用加工電源電壓為90 V，電源頻率為10 kHz，占空比為0.3。設(shè)定深度參數(shù)為8000，該值為控制器的控制脈沖數(shù)。理論切割深度的計(jì)算表達(dá)式為：

     電火花線切割加工的槽深尺寸見表1。定義槽深尺寸差為實(shí)際槽深與理論槽深的尺寸差值，槽間尺寸差為槽與槽之間的尺寸差值。從表1 可看出，切割出的槽深誤差較小，證明所設(shè)計(jì)的具有恒切深控制功能的電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)是可行的。

                                  表1 切割槽深數(shù)據(jù)                      μm

      6 、結(jié)語

     本文針對(duì)連桿裂解槽加工提出的特殊要求，應(yīng)用disPIC 單片機(jī)開發(fā)了一套專用電火花線切割控制系統(tǒng)，具有快速進(jìn)給、回退功能，并利用間隙電壓檢測電路對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行判別，檢測到的變化信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別處理，發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)恒切深功能。實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。