杜轩宇，张永俊，彭世康，黄 榕，刘祥发

（广东工业大学机电工程学院，广东广州，510006）

双工位连杆裂断机床控制系统研究

杜轩宇，张永俊，彭世康，黄 榕，刘祥发

（广东工业大学机电工程学院，广东广州，510006）

针对单工位连杆裂断机床，加工效率较低的问题，对连杆裂断机床结构、液压系统进行分析，提出了一种双工位连杆裂断机床。通过优化液压系统的控制策略，改进了连杆裂断的工艺流程，减少该机床连杆的加工时间。在三菱PLC为基础的控制系统上，增加了油箱液位检测、油箱液压油温度检测和液压压力检测，具有实时监控、自动运行、故障报警的功能。通过实验对比，改进后的机床不仅加工效率提高，而且连杆裂断的质量达到加工要求。

双工位；连杆裂断；PLC控制系统

随着汽车工业的发展，汽车行业对发动机需求越来越大。连杆作为发动机的关键零件，需要尽可能提高加工效率以满足需求。为此，出现了连杆裂断技术。连杆裂断技术是对杆身和连杆盖结合面进行无屑断裂的加工技术，具有加工工序少、设备投资小、制造成本低、产品质量好、装备精度高、承载能力强等诸多优点。

为了进行连杆裂断技术加工，需要相应的连杆裂断设备。目前，美国福特公司、通用公司、Tri-Way Machine公司、MTS公司，德国Ex-cell-o公司、Alfing Kessler Tools公司、Mauser公司，加拿大三通机械工具公司，日本丰田公司、本田公司、YASUNAGA公司等都具备连杆裂断设备的研制能力[1，2]。国内，吉林大学最早开始进行连杆裂断设备的研制，并研制成功CSE-400及CSE-600两种型号的定向裂断机床[3]。广东工业大学于2009年研制了双油缸连杆裂断机床[4]，并于2015年研制了三油缸连杆裂断机床控制系统[5]。

现在市面上的机床都采用单工位结构设计，工人装夹的时间占到机床加工的大部分时间，而双工位机床拥有两个工位可以交替加工，缩短了工人装夹时间，从而提高了机床加工效率。

1 双工位连杆裂断机床总述

1.1 机床结构

双工位连杆裂断机床由机床主体结构、机床液压系统和机床电气控制系统三大部分组成。机床主体结构由连杆夹紧机构、裂断执行机构、复位机构和工位切换机构组成（如图1所示）。连杆夹紧机构根据“一面两孔”的定位准则设计，连杆放入胀套，依靠自身重力放在夹具上，在连杆大头端左边有两个连接油缸的顶销，当收到夹紧信号时两个顶销会顶住连杆的左端，保证连杆在裂断过程中，裂断后的端盖不会断裂飞出。裂断执行机构，采用“楔形块”的方式进行断裂加工，当主油缸向下动作时，动胀套和静胀套分开，水平方向上产生一个力使连杆裂断。复位机构由油缸和滑台构成，裂断执行完成，右油缸推动右滑台向左运动，使动胀套和静胀套合拢。

图1 机床主体结构

1.2 连杆裂断工艺流程

（1）两个工位同时放入连杆，首先单个工位开始工作，按下启动按钮，加工开始。

（2）单个工位裂断加工过程：左油缸电磁阀得电，左油缸动作，将两个顶杆推出，夹紧连杆，持续时间1.2 s；右油缸电磁阀得电，右油缸拉动右滑台，持续动作时间1.2 s，消除连杆和胀套之间的间隙；然后主油缸电磁阀得电，主油缸开始向下运动，实现连杆断裂。

（3）单个工位脹套复位过程：主油缸电磁阀得电，主油缸上推，到达上限位，右油缸电磁阀得电右油缸左推，脹套合拢，中间继电器得电，工位切换。

以上加工工艺流程的控制流程，如图2所示。

图2 控制流程图

2 机床控制系统

由于液压系统在工作中会发生油温过高的现象、油箱漏油的现象，在使用过程中需要对这些变量进行检测。当油温过高时需要打开冷却风机，油箱液位过低时要打开报警通知机床使用者处理。故控制系统不仅需要检测、控制开关量还需要通过检测模拟量输出开关量，故整个控制系统，如图3所示。

图3 控制系统构成图

2.1 裂断机床主电路设计

裂断机床的主电路采用熔断器、交流接触器、热继电器构成液压泵电机和风机电机的保护电路，主电机采用直接启动方式。

2.2 裂断机床控制电路的设计

为了检测液压系统的压力和液压系统的油温采用FX-2n 4ad模块进行A/D转换，温度传感器采用两线式4~20 ma传感器，量程为-50~100度，压力传感器采用两线式4~20 ma传感器，量程为0~25 MPa，分别用4AD模块的CH1和CH3通道。PLC接线图，如图4所示。

图4 PLC接线图

3 裂断机床控制系统的PLC程序设计

连杆裂断机床的程序主要包括三部分：主程序、自动加工程序、手动程序。PlC程序通过gx developer编写，采用步进和梯形图程序混合编写的方式。

3.1 主程序

主程序主要是对温度、压力、液位的实时监测，并且进行温度和压力的数据处理，如图5所示。

图5 主程序

3.2 自动加工程序

自动加工程序控制裂断机床完成的是裂断加工和胀套复位两个过程。自动加工程序，如图6所示。当按下手动加工按钮，X0触点闭合，延迟500 ms后，左油缸伸出，1.2 s后，右油缸缩回，1.2 s后主油缸大流量下拉，到达下限位X3触点，主油缸上推，到达上限位X2触点闭合，左、右油缸复位。

图6 自动加工程序

3.3 手动加工程序

手动加工程序是在机床调试过程中使用，当按下“左油缸左拉”“左油缸右推”“主油缸上推”“主油缸下拉”“右油缸右拉”“右油缸左推”按钮时，各个油缸实现相应地动作，并且按钮具有互锁的功能，如图7所示。

图7 手动加工程序

4 控制系统人机界面的设计

触摸屏是人和机器交互的工具，裂断机床采用的人机界面是威纶通触摸屏，人机界面应包括过程量（温度、压力、液位）监控和机床动作控制，如图8所示。同时触摸屏能实现“参数设置模式”“加工模式”“手动模式”“操作指南”，“参数设置”画面，可以更改机床的极限压力、设置自动加工过程中，油缸的动作时间。“加工模式”实现机床的自动加工，“手动模式”可以控制各个油缸的动作。

图8 自动加工界面

5 工艺实验验证机床性能

加工实验中采用激光加工得到的V型槽的连杆加工，连杆胀断主要受到切槽质量、胀断力和加载速度的影响，为了更好对的加工不同连杆的加工效果，将两者的加工参数设置成相同。详细加工参数及加工条件如表1所示。

表1 连杆裂断加工参数

根据企业对连杆质量的检测标准通过测量连杆合装后的三个尺寸d1、d2、d3判断连杆圆度误差的质量，如图9所示。评判依据如下：△d为断裂前后测量数值的差值。该值过大会导致后续加工余量不足，产生废品，取△d小于0.2 mm合格，如图9所示。

图9 连杆变型量的测量图

实验分成两组（一组为d1为50 mm大连杆，一组为d1为45 mm小连杆），各有160根连杆，加工后随机从160根连杆里抽取10根连根进行测量，重复三次，统计出数据，如表2所示。

表2 改进前后连杆变形量对比

通过实验可以发现，不管是大连杆和小连杆都满足工艺要求，并没有出现连杆错位的现象，错位现象（如图10所示），说明该设计是合理可行的。

6 结束语

根据电气设计方案完成机床电器元件布局及接线，通过触摸屏和PLC之间的通信，对机床动作进行调试，验证了可行性。通过对系统压力的实时监测和调整，保证系统的压力稳定可靠，最终证明双工位裂断机床的设计，既保证了机床的加工工艺精度，又提高了加工效率。

[1]邓伟辉，张永俊.连杆涨断加工技术现状与展望[J].机电工程技术，2008（04）：13-17.

[2]寇淑清，杨慎华，赵庆华，等.发动机连杆裂解加工初始裂纹槽几何参数研究[J].哈尔滨工业大学学报，2007（09）：1487-1490.

[3]郑黎明.发动机连杆裂解加工关键技术研究与装备开发[D].长春：吉林大学，2012.

[4]陈东，王力，李树军，等.连杆裂断机床的研制[J].制造技术与机床，2012（09）：143-146.

[5]肖成军，张永俊，吴涛.连杆裂断机床控制系统研究[J].机电工程，2015（07）：939-941.

Research on the ControlSystem of Double Position Connecting Rod Breaking Machine

DU Xuan-yu，ZHANG Yong-jun，PENG Shi-kang，HUANG Rong，LIU Xiang-fa
（Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China）

Aiming at the problem of low machining efficiency of single position connecting rod breakingmachine，the structure and hydraulic system of connecting rod breaking machine are analyzed.By optimizing the control strategy of the hydraulic system，the technological process of connecting rod fracture is improved，and the processing time of the connecting rod is reduced.On the basis of the MITSUBISHIPLC control system，the utility model has the functions of oil tank liquid level detection，oil tank hydraulic oil temperature detection and hydraulic pressure detection，and has the functions of real-timemonitoring，automatic operation and fault alarm.The experimental results show that the improved machine not only improves the machining efficiency，but also meets the processing requirements.

double position；connecting rod breaking；PLC control system；

TH122

A

1672-545X（2017）04-0194-04

2017-01-14

非传统制造技术及装备重点实验室（201605030007）

杜轩宇（1993-），男，广东韶关人，硕士研究生，研究方向：特种加工方向。