摘要：連杆裂解技術中，連杆大頭孔應力（lì）槽深（shēn）度的一（yī）致性對裂解質量而言至（zhì）關重要。通過研究設計出一種（zhǒng）用於電火花（huā）線切割機床加工連杆的機構，采（cǎi）用電壓電流檢測電路判斷電極絲初次碰到工件的位置，並（bìng）結合單片機計數功能保證連杆應力（lì）槽深度的一致性，且槽深不（bú）受連杆毛坯內孔尺寸、電極絲與連杆初始位（wèi）置（zhì）變（biàn）化（huà）的影響。此外，添加快（kuài）速輔（fǔ）助進給功能，加快空（kōng）行程運行速（sù）度。實驗證明該方法（fǎ）提高了連杆裂解加工的（de）質（zhì）量和效率。

      裂解技術在經濟性和質量方麵的優勢顯著，目前在連杆加工中已（yǐ）廣泛應用。在整個裂解工藝中，連杆大頭孔裂解槽的尺寸精度對裂解質量有著（zhe）重要影（yǐng）響[1]。在（zài）連杆裂解加工技術中，為了利於裂紋開啟、迅（xùn）速擴展並發生脆斷（duàn）性斷（duàn）裂，要求初始裂解槽的應力集中係數要大[2]。在一定程度上，裂紋深度與斷裂強度成反比，當斷裂紋大於臨界深度時裂（liè）紋失
穩； 但（dàn）由於裂解後需進行（háng）連杆大頭孔的精加工，故斷裂槽深度不能太深，否則在最後精鏜大頭（tóu）孔時（shí）會留下殘痕，因此槽深一般小於0.6 mm。此外，大頭孔中心兩側（cè）的裂解槽深應嚴格一（yī）致， 保證同時（shí）裂開，以獲得（dé）兩側一致的高質量斷裂麵。

      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（lā）削（xuē）加工時，拉刀會隨著時間而磨損（sǔn），使槽寬變（biàn）大，影響裂斷效果，故該方法已逐漸被淘汰。激光加工的優點是高效、質量好，但加工設備價格昂貴，使用維護成本高；在某些情（qíng）況下，切口處會殘留高硬度的再凝固硬質點（diǎn），影響後續精（jīng）鏜加工。電火花線切割加工彌補了上述缺陷（xiàn）與不足，在裂解槽加工中（zhōng）脫穎（yǐng）而出。

      然而，現有的連杆（gǎn）裂斷應力槽（cáo）線切割機床缺少（shǎo）快進功能，導致輔助進給工時較長（zhǎng），加工效（xiào）率（lǜ）低；此外，當連杆大頭孔尺寸存在誤（wù）差時，每次切出來的槽深不同，導致後續加工時廢品頻（pín）出，必須（xū）進行二次加工或直接報廢工件。為了（le）解決這些問題，本文設計了一種具有恒切（qiē）深控製功（gōng）能的電火花線切割機床控製係統，且兼具快速輔助進給功能，可保證槽深的一致性，提高加工效率。

      1 、控製係統的組成

     電火花線切割機床控製係統（tǒng）主要由脈衝電源、控製單元、檢測電路及運動單元組（zǔ）成。係統各（gè）部分（fèn）組成見圖（tú）1。其（qí）中，脈衝電源為加工工件和（hé）電極絲提供高頻能量；間隙電壓檢測電路（lù）是對工件和電極絲的加工間隙電（diàn）壓取值，判斷間隙狀（zhuàng）態，並將間（jiān）隙狀態反饋到控製單元[3]。控製單元采用（yòng）dsPIC 單片機（jī）控製電極絲向工件的快速進給，並接收來自於間隙電壓檢測電（diàn）路的信號（hào），對其進行分析，進而控製（zhì）電機轉（zhuǎn）動。

　　                    圖1 控製係統的組成

     2 、運動控製基本策略分析

     往複走絲電火花線（xiàn）切割加工時，交替出現的空載、短路和正常火花放電等3 種加工狀態使電極絲與工件的間隙（xì）狀態隨（suí）之（zhī）交替。其中，短路狀態對加工不利（lì），可能導致流過電極絲的電流（liú）超過其承受（shòu）範圍而被熔斷，所以在控製方案中需對加工狀態（tài）實時（shí）檢測，並對加（jiā）工中（zhōng）出（chū）現的短路現象及時進行處理（lǐ）。控製係統（tǒng）的基本（běn）策略見（jiàn）圖2。為（wéi）了便於（yú）連杆的放置和拆（chāi）卸，電極絲的初始位（wèi）置應與連杆留有一（yī）定的距離。在輔（fǔ）助時間裏，控製（zhì）器時刻檢測加工間隙（xì）狀態。當開始執行加工指（zhǐ）令時，電極絲快速從位置1移動（dòng）到（dào）位置2；在位置2 到位置3 之間，電極絲以工進速度進給（此時電極絲未和連（lián）杆（gǎn）接觸）；隨著進（jìn）給的繼續，當電極絲接觸到連杆時（位置4），間隙檢測電路會給單片機發出一個加（jiā）工開始的信號，單片機識別其為首次火（huǒ）花放電， 單片機控製器開始計數，直至發出期望的（de）脈衝數， 實現期（qī）望的槽深加工；然（rán）後快速返回初（chū）始位（wèi）置1。在切（qiē）割過程中，需（xū）對電火花線切割加工中的狀（zhuàng）態信號進（jìn）行檢測，如因短路原因執行（háng）了電極絲（sī）的回退操作，則需對（duì）回退的脈衝數進行補償。

      3 、檢測電路的設計

      控製係統中的電壓取樣電路能檢測電極絲的初始加工狀態和加工（gōng）短路狀態[4]。圖3 是間隙全值平均電壓檢（jiǎn）測電路。其中（zhōng），R1、C1、C2構成低（dī）通濾波電路。濾（lǜ）波電路近似於一個慣性環節，其滯後特性有助於加工的穩定。這（zhè）是因為加工中不斷隨機地出現（xiàn）空載、短路、火花放電等狀態，僅憑單個脈（mò）衝或某個狀態不能確定加工是否正常，隻有在連續觀察（chá）一係列狀態後，才（cái）能做出準確的（de）判斷。此外（wài），R2、R3為分（fèn）壓電阻。二（èr）極管VD1能（néng）在脈衝間隔期（qī）間阻止濾波電容向前級電路（lù）放電。

           
  
           圖2 電極絲運動軌跡                 圖3 電壓取樣（yàng）電路  圖3 電壓取（qǔ）樣電路

    
     短（duǎn）路狀態的檢（jiǎn）測電（diàn）路見（jiàn）圖4。U1為電壓比較（jiào）器，在電極絲與工件之（zhī）間采集到的電（diàn）壓U 從U1的正輸入端進入，設定值與U1的負輸入端相連；當采樣電路采得的間隙平均電（diàn）壓值U 比設（shè）定值（zhí）Vcc·R6R5 +R6小時，則認為是短路狀態。此時，比較器的1 腳輸出低電平，光耦（ǒu）U2的發光二極管有電流（liú）流過，光（guāng）敏三極管導通，端口shortcut 輸出（chū）低電平，給單片機短路（lù）外部中斷端口發送一個低電平信號。單片機接收到中斷信號後，進入短路中（zhōng）斷程序，控製運動（dòng）單元中的步進電機回（huí）退相應的步數。

      
  
                          圖4 短路狀態信（xìn）號采樣電路

      

     管導（dǎo）通，端口Start 給單片機相應的中斷發送一個低電平信號。單片機接收到開始加工的外部中斷信號後，內部計數器開始計數，直到與已設（shè）定（dìng）的槽深值相等時，則（zé）認為加（jiā）工到預定深度，單片機停止計數，並快速返回。

                             圖5 加工開始狀態的信號采樣電路

      4 、軟件程序的設計

     本設計選用步進電機，並利用步進電機驅動器驅動電（diàn）機工作。因為用於驅（qū）動步進電機的脈衝信號隻與（yǔ）頻率有關，與占（zhàn）空比（bǐ）無關，因此產生驅動步進電機的脈衝隻需一個定時計數器。采用dsPIC30F 單片機，讓定時計數器工（gōng）作在定時模（mó）式，每次進入計數溢出中斷時， 相（xiàng）應的（de）脈衝輸出端口電平翻轉，發出脈衝，並根據所采集到的間隙電壓狀態確定（dìng）該如
何記錄輸（shū）出脈（mò）衝。具體實施過程如下（xià）：根（gēn）據工廠的（de）實踐，應力槽深度為（wéi）0.4~0.6 mm。在單片機（jī）中設定計數器的值N，使其切割（gē）深（shēn）度為0.6 mm。剛開始單片機控製電極絲快速向工件進給， 並未（wèi）接觸到工件，單片機記錄脈衝數在變量A 中；當電極絲與連（lián）杆開始接觸（chù），記錄工進脈衝數在（zài）變量B 中，直到計數值B 與設定值（zhí）N 相等，單片機停止計數。步進電機開始（shǐ）回退，回退的步數為（A+B）；進而實（shí）現恒切深。當加工過程中發生短路時，電極絲回退一個固定（dìng）的距離（lí），所對應的脈衝數為C；在步進電機回退C步的（de）同時，變量B 減（jiǎn）去C。單片機程序流程見圖6。

                              圖6 運（yùn）動控製程序框圖

      5 、實驗

     利用電火花線（xiàn）切割機床對連杆做切割實驗，以此驗證（zhèng）恒切（qiē）深控製係統。實驗選用加（jiā）工電源電壓為90 V，電源頻率為10 kHz，占空（kōng）比為0.3。設定深度參數為8000，該值為（wéi）控製器的控製脈衝數。理論切割深度的計算表達式為：

     電（diàn）火（huǒ）花線切割加工的槽深尺（chǐ）寸見表1。定義槽深尺寸差為實際槽深與理論槽深的尺寸（cùn）差值，槽間尺寸差為槽與槽之間的尺寸（cùn）差值。從表1 可看出，切割出的槽深誤差較小，證明所（suǒ）設計的（de）具有恒切深控製功能的電火花線切割機床控製係統是可行的。

                                  表1 切割槽深數據（jù）                      μm

      6 、結語

     本文（wén）針對連杆裂解槽加工提出的特殊要求，應用disPIC 單片機開發了一套專用電火花線切割控製（zhì）係統，具有快速進給、回退功能，並利用間隙電壓檢測電路對加工狀態進行判別，檢測到的變化信號發送到單片機，由（yóu）單片機對其進行識別處理，發送相應的（de）脈衝信號給步進電機驅動器使電機動作，實現恒切（qiē）深功能。實驗證明本係統穩定可靠，達到預（yù）期設（shè）計要求（qiú）。