双工位倒立式电火花线切割机床研制

黎毅锋，李海成，苏国康，张永俊

（ 广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006 ）

连杆是汽车发动机的重要传动部件之一，借助连杆和曲轴能将发动机活塞的往复运动转换成旋转输出，再通过变速箱、传动轴等驱动轮胎运动[1]。连杆裂断工艺是在连杆大头孔内对称切出两条应力槽[2]，再在大头孔内自内向外施加扩张裂断力将连杆大头孔裂断为杆盖和杆身两个部分。 该工艺具有工序精简、三维定位等优势，已开始逐渐取代传统的连杆分体加工工艺。 应力槽加工是连杆裂断加工的重要工序之一。 加工应力槽时，传统方法采用拉刀加工，但刀具损耗严重，且难以保证稳定质量；现在大多数改用激光加工，效率更高但设备昂贵[3]。为此，广东工业大学创新发明了一种应力槽电火花线切割设备[1，4]，并在企业得到成功应用。 为进一步提高加工效率和方便装夹，本研究进一步发展了新一代倒立式双工位切槽设备， 使加工效率成倍提高、工人操作更加方便。

1 机床结构设计

早期设计的机床结构如图1 所示，连杆自上而下放入两根切槽杆中[4]，其优点是结构简单。 但在实际使用中发现，当放置小规格连杆时，由于孔小，易撞击到切槽杆端部的导轮，且运动部件如丝杠导轨等均安装于下方，易受工作液侵蚀生锈。 本研究在重新设计机床时， 将支撑并驱动切槽杆上下运动、左右开合的导轨及丝杠等均布置在上方，避免其受工作液影响，且专门设计了双工位，将机床加工效率至少提高一倍。 从理论上说，可布置更多工位，以数倍地提高加工效率。

1.1 机床机械总体结构

机床由床身、卷丝筒、夹具、固定支撑板、活动支撑板及其上切槽装置构成（图2）。 其中，卷丝筒、夹具直接固定在机床台面上，固定支撑板以直立的方式固定于台面上，活动支撑板通过导轨与固定支撑板相连且可由电机驱动上下运动，两组切槽装置布置在活动支撑板上。

1.2 切槽部件

切槽装置布置在活动支撑板上，主要由两组功能相同的切槽杆外加若干导轮构成。 每一组切槽杆都有左、右两根杆，通过导轨滑块联结在活动支撑板上。 两根杆由电机驱动带左、右螺纹的丝杠做相向或相背运动，在丝杠相背向外运动时，切槽杆两侧钼丝对连杆大头孔内侧进行切槽，在其相向运动时，两根切槽杆回退，等待下一次切割。

1.3 夹具

如图3 所示，夹具有两个，分别对应两组切槽部件， 均固定在床身台面上且位于切槽杆正下方。弹簧通过V 型块施加作用力于连杆小头端，使连杆大头孔内表面紧贴定位销， 以实现连杆的定位夹紧。 安装夹具时，必须使切槽杆位于连杆大头孔正中间，以保证切割出的两根应力槽完全对称。 夹具底部安装板的材质为工程硬塑料，可将连杆与机床床身绝缘，避免两个工位连杆在切割时产生电流串扰，影响加工效果。

考虑到如果工件位置安装不正确，切槽杆下降未进入连杆大头孔， 而是出现撞击连杆的意外情况，将夹具设计为可翻转结构即前端悬空，即使出现切槽杆撞击连杆的意外情况，夹具能将翻转并触发报警开关，切槽杆停止下降。

此外，从图2 可见，由于导轮布置合理巧妙，活动支撑板上下运动时并不会引起丝线长度变化，同理切槽杆分离或靠近，丝线长度也不受影响。

2 分时输出电源设计

2.1 分时输出电源

机床使用自行开发的分时输出电源[5]，该电源采用MiniSTM32 控制板作为控制单元，将经过整流后的0～120 V 直流电通过图4 所示的双路斩波模块进行分时输出，具体为：1、3、5…将脉冲送往第一工位，2、4、6…将脉冲送往第二工位，通过控制电源输出脉冲交替分配到第一和第二工位，实现用一个电源对两个工位分别供电且互不影响，极大地简化了结构、降低了成本。 通过触摸屏COM2 口实现与STM32 通讯， 基于台达 Modbus 协议 选择“Delta Controller RTU”，实现对高频电源加工电压、死区时间、脉冲宽度、脉间倍数的调节。

2.2 电源部分器件改进

由于前一代机床放电火花小、 电阻发热量大，新设计机床的电源输出正负极间并联电阻要能承受大电压、小电流，使电源在空载时输出工整的矩形波，考虑到经济性选择了阻值1.5 kΩ、功率20 W的无感电阻； 正极输出串联电阻则要能承受大电流，需电阻阻值足够小、功率足够大，以便在加工过程中发生短路时能及时消耗短路电流，防止电源销毁，同时防止正常加工过程中消耗过多电能而降低加工效率，经试验选择了阻值20 Ω、功率800 W 的无感电阻，并用散热铜箔包裹其表面，同时利用散热风扇吹其表面以散热降温，防止因长期加工散热不及时而导致电阻阻值下降甚至销毁。

3 控制系统

电气控制系统包括电源控制、运动控制和辅助控制，主控制器采用三菱PLC，显示和操作采用台达DOP-B07S411 触摸屏。 PLC 通过发送控制指令可以控制线切割变频器实现对运丝桶、水泵的启停和对运丝桶转速的控制，同时在上丝和换向时关断高频电源，停止进给。

3.1 间隙检测模块设计

结合机床加工要求，选择使用间隙平均电压法进行检测，间隙检测模块如图5 所示，由分压模块、RC 滤波模块、阈值比较判断模块组成。 本文采用间隙平均电压测量法[6-7]，通过分压模块，将由高频脉冲电源发出的 0～120 V 脉冲电压降至 0～5 V， 然后经过滤波模块，将低频干扰滤除，送入比较器中，通过与预先设置好的阈值电压进行比较，将比较结果送入PLC 的AD 模块，得出当前加工状态。

3.2 电流检测模块选择

电流检测模块采用HBC25LSP 传感器。 由于分时输出电源最高输出不超过5 A 的电流，从经济性角度选择量程为10 A 的霍尔传感器， 当连接导线电流为0 A 时，输出2.5 V 基准电压，最大输出基准电压为4.5 V。 将测量结果同时送入AD 模块，以此进行调节补偿。

3.3 PLC 伺服控制系统设计

控制系统主控制器选用FX3U-64M 型号PLC，通过AD 模块采集检测回来的电压值和电流值，PLC 根据电压值输出对应频率的脉冲，控制步进电机以合适的速度进给、停止或回退。 同时根据电流值进行进给补偿，减缓电机因PLC 单一判据反应不及时而带来的抖动问题。 针对PLC 控制系统，编写了控制软件和操作界面。

3.4 双工位分时伺服控制的实现

由于采用的是一根钼丝对两个工件同时加工，为避免两个工件加工时电信号相互串扰，夹具采用了不导电的硬质塑料作为工件支撑面，使两个工件之间相互绝缘。 在第一个时间周期，对一工位工件和钼丝之间施加脉冲、检测电信号、进行伺服控制；在第二个周期， 对二工位工件和钼丝之间施加脉冲、检测电信号、进行伺服控制。 两个工位的伺服控制在时间上错开、在位置上隔离，因此较易实现分时伺服控制。

3.5 人机交互界面设计

为实现对PLC 进行操作控制与运行监控，采用DOP-Soft 触摸屏软件对人机交互界面进行设计。该设计分为手动调试界面设计与自动加工界面设计两部分。 其中，手动调试界面主要作用于机床的手动调试操作，在此不详细叙述；自动加工界面设计如图6 所示，通过对加工距离、大电机速度、大电机距离参数设置，机床能对工件进行自动加工和电机状态实时监控。 此外，利用COM2 口的Modbus 通讯功能，实现对电源参数的设定与控制，同时通过监测AD 模块的电流值，实时显示当前加工电流。在设计自动加工界面时，还考虑了对水泵与运丝桶的控制以及通过调节变频器输出频率来实现对运丝桶的速度控制。

4 双工位连杆切槽实验

为了验证机床的机械和电气性能，本研究进行了初步工艺实验。 实验结果表明：机床机械运行平稳，电源输出波形正常，加工时示波器显示出典型的放电波形。 每一个加工周期为20 s，由于采用双工位，相当于加工一根连杆时间约为10 s，效率较单工位提升一倍， 完全满足连杆裂断工艺要求，加工效率达到激光切割水平且应力槽宽度更窄；采用0.12 mm 钼丝，宽度小于0.15 mm，更有利于后续裂断加工，加工样件见图7。

5 结束语

针对前期连杆应力槽电火花线切割机床实际应用中存在的不足，研制了新一代的双工位倒立式线切割机床，设计的机械结构降低了工人放置工件的难度、减轻了工人劳动强度，通过双工位设计，成倍提高了效率；研制的分时输出电源，很好地满足了双工位线切割机床加工要求， 降低了设备成本；开发的基于三菱PLC 的伺服控制系统， 稳定可靠，加工的样件达到预期要求。 后续工作将进一步优化结构，改进伺服控制系统，提高效率，并通过生产实践验证设备的可靠性。