基于机电一体化技术的自动精密切割机设计

金相试样切割机是用于产品质量检验和材料科学研宄的专用设备，主要用于工矿企业、大专院校、科研院所的金相试验室截取金相试样，也可用在加工领域中型材的切断或开口。要求切口截面与工件轴线垂直度好，截面光滑平整、切口无过热、过烧，保持工件原有的组织状态和硬度，切口宽度小。

近年来，国内外在金相试样切割机研宄方面做了大量工作。从现有资料上看，国外的切割机有多种形式，特别是近年来生产的切割机自动化程度高，适用范围广，外形美观，但价格均超过1万美元，而且在国内缺少与之配套的附件，不适合我国国情。国内近年来也研制了多种切割机，切割方式均采用砂轮切割，切割范围窄，切割精度都比较低，只能实现纵向进给，不能实现横向进给，在自动化方面普遍低于国外同类产品。本研宄项目结合国内实际情况和国际发展动态，采用机电一体化技术对现有国产M处放大2零件的旋压成形加工经几次试车加工发现，若采用1次旋压成形加工，产品挤压变形大，产生的热量过大，使产品在拐角处拉破，导致产品报废。后来采用3次旋压成形加工，均为在数控车床上编程连继全自动加工出，取得了很好的效果。

5所示，具体过程如下。

将铝合金毛坯的前端面旋转压成形，并把其余部分旋压成喇叭形状。

第2次旋压，用旋压头将铝合金毛坯与模芯靠近，使其前端内表面与模芯相贴紧。

第3次旋压，旋压头从前端面开始向后走，进给走向与模芯母线一致，相似于采用靠模仿形进行滚压，将铝合金毛坯均匀地旋压成形为灯罩零件。

将旋压成形加工分为3个工步可以减小工件成形过程中的变形程度，从而减小旋压的压力和所产生的温度，并且热量能在加工过程中得到很好的散发。在旋压时，前2次旋压的铝合金厚度为0.6mm，而第3次旋压才将其挤压到0. 4mm的厚度。

在每次旋压成形加工中，采用的工件转速n和旋压头进给速度f相对较大，取n= /=250mm/min，这样，才不会使铝合金毛坯和旋压头在同一处连续磨檫而产生大量热量。

3结语利用数控车床和自己研制的旋压工具头对薄壁工件灯罩实施数控编程旋压成形加工，经过生产证明：工艺路线和加工方法是合理的，大大提高了材料的利用率，降低了加工成本，具有较大的灵活性，使生产周期缩短，保证了工件设计精度要求，且加工质量稳定可靠。

劳动部教材办公室。数控加工工艺学。北京：中国劳动社会保障出版社，20⑴。

袁锋。数控车床培训教程。北京：机械工业出版社，2006.刘华明。金属切削刀具设计简明手册。北京：机械工业出版社，2005.艺的教学和研宄工作。

责任编辑周守清切割机进行改进，重点是实现对试件的高精度切割，并能实现试样的横向进给，提高金相制样的自动化程度，扩大切割范围。此项目的研制成功，填补了我国的自动精密切割机的空白缩短了我国金相制样设备行业与工业发达国家在这一领域的差距。

1系统功能要求及设计思想该研究项目的基本思想是将机电一体化技术应用到自动精密切割机中，在设计过程中采用计算机辅助设计，应用CAD技术对金相试样切割机进行设计，在对金相制样设备的机械结构进行设计中，寻求设备的*佳参数，力求简化结构，布局合理，设计出综合性能优良的金相试样精密切割机。根据自动金相试样切割机的发展状况，针对现阶段金相试样切割机存在的问题及不足，结合我国机械加工行业的实际水平，对高性能、能切割多种材料的小型精密切割机的设计目标是：该小型自动精密切割机应能实现以下功能。

能够实现横向精密微位移和自动进给，定位精度可达到5Mm.能实现手动和自动切割，自动化程度高，操作安全可靠。

能自动显示切割进给速度、主电机转速等切割参数。

可以根据试件材料的特点，调节切割速度和主电机转速。

能设置切割片数，实现一次装夹多次自动进给切割。

2机械部分设计该精密切割机设计为台式结构，机械结构示意图见。该切割机体积小，切割精度高，能实现自动横向进给，能切割1mm厚的薄片。

砂轮切割片固定不动，主电机和轴支撑架安装在工字钢底座上，由3根三角带进行动力传输，主电机经带轮速后带动切割片转动，主轴*高转速为4000r/min，可以由变频器来控制主轴转速。

纵向步进电机通过电机架安装在滑板上，蜗轮与纵向滚珠丝杠配装在一起，蜗杆通过轴承座安装在滑板上，蜗杆一端安装手轮，另一端与纵向步进电机相连接。纵向螺母安装在滑板中的滑块上。摆杆通过轴承座安装在滑板上，连杆一端与滑块、另一端与摆杆相铰接。在电路上有一个功能转换开关，可实现手动操作与自动操作的切换。

当进行手动切割时，手摇手轮驱动蜗杆和蜗轮转动，带动纵向滚珠丝杆转动，并使纵向螺母带动滑块作前后直线运动，滑块带动连杆，连杆带动摆杆摆动，实现摆动切割工作。

当选择自动方式时，步进电机经蜗杆驱动蜗轮带动纵向丝杠转动，同样使滑块带动连杆一起前后移动，连杆带动摆杆摆动，实现进3退1的摆动切割工作。

摆动切割方式可使切割机结构紧凑，并使砂轮切割片受力点汇集于中心，可以改善切割片受力状况，延长使用寿命。

将整个纵向进给部分放在一个滑板上，通过滑板带动整个纵向进给机构移动，实现横向进给。每当纵向进给结束后，发出指令，启动横向步进电机，带动横向滚珠丝杠转动，从而带动横向螺母连同滑板一起实现横向进给。横向进给量和进给次数，可以由操作者在控制面板上预置。

整个切割过程在封闭状态下进行，纵向进给设有2个限位开关，以防过行程。

该机配有电镀金刚石砂轮切割片和普通磨料砂轮切割片，能实现对各种试样进行精密切割。整个切割过程是在封闭状态下进行的，无尘屑外泄、污染小、安全性好。

为适应各种形状试样的切割，该切割机配有多种多功能夹具，装卡方便，定位可靠。此外，该切割机还配有冷却水泵和推拉式水箱，使该切割机可方便地更换冷却液，使切削液可以循环使用，达到清洁、节省、环保。冷却时使用塑料喷管，直接喷向切割片的切割部位，使被切割材料及时得到可靠的、充分的、均匀的冷却，确保被切割金属的金相组织不发生改变。

3自动控制系统设计自动精密切割机的自动控制系统是切割机的核心部分，在机电一体化系统中，控制系统起着极其重要的作用。机与电的有机结合、信息的获取与处理、机器的智能化都离不开控制系统，控制系统己经成为现代机械工业中必不可少的重要组成部分。硬件是微机控制系统的物质基础，它在软件的协调下运行，实现对生产过程或被控对象参数的检验，并完成对生产过程或被控对象的控制任务。系统硬件包括：主机，外部设备，传感器，功率放大和执行机构，开关量输入和输出通道，接口电路和电源等。

因为单片机有体积小、价格低、接口能力强、抗干扰好等优点，所以该控制系统采用单片机为控制核心，选用了ATMEL公司生产的8位flash单片机AT89C52和可编程逻辑器件PLD1016代替原有设备中步进电机的控制部分，用软件实现脉冲的发生及其步进电机所需各相脉冲的分配并且实现细分。系统能预置切割速度，预置自动进给量，切割开始时，数码管将显示上次的切割速度，根据具体情况，可对切割速度进行调节。显示电路采用中断方式的独立式按键接口电路。

由于切割机的整个工作过程均在全封闭的状态下进行，为了能使操作者及时了解切割过程中的相关状态参数，控制系统可通过测定步进电机的脉冲数，从而得出纵向位移量，并将己切割量进行量化和显示。

该控制系统分几大模块进行设计，单片机控制系统模块、步进电机细分模块、电机驱动模块、键盘显示模块、直流电源模块、变频调速模块。

用了在线可编单片机控制系统框图程逻辑器件（PLD）和D/A转换器，可编程逻辑器件（PLD）将单片机产生的调速脉冲信号转换成三相细分数字信号，每相为8位数字信号，也就是说可实现256细分，然后D/A转换器将8位数字信号转换成模拟信号，模拟信号为阶梯状电压细分波形，这样就实现了细分功能。

本系统中的功率驱动模块用的是同频恒流斩波驱动电路。因为丝杠每转1圈，进给机构向前移动1个导程，即5mm，经计算8细分后，步进电机每接受一个电脉冲，则旋转1.5X5/（360X8）个步距角，转换成直线位移即2.6m，可以满足精密切割机的5Mm的精度要求。所以本系统拟实现8细分以改善电机运行性能。

由于显示位数比较多，速度显示采用动态显示。

4外观设计及面板设计设计兼顾了切割机实用性和其外形的美观，使其符合人机工程学的工业设计要求。

该切割机设计为台式结构，长600mm，宽580mm，尚440mm，前面是控制面板，主要实现自动进给功能，侧面有手轮可以实现切割纵向手动进给，该机还配有冷却水泵和水箱，可以实现冷却液的循环使用，水箱设计为推拉式，可以方便地更换冷却液，该机外型美观大方，操作简单方便，切割参数通过控制面板上的LED数码显示，其外形见。

该切割机控制面板预置显示的按钮均采用薄膜按键，不但结构简单而且节省空间，外形美观。由于LED显示器结构简单价格便宜，寿命较长，所以，所有显示均采用LED数码管显示。

5结语经试验验证，该精密切割机设计新颖，采用机电一体化技术，适合国情，符合国际发展动态，能对各种试样进行精密切割，技术先进，具有很高的性能价格比，能实现金相制样的高质量，同时提高制样的自动化程度，扩大了切割领域。

该切割机还能实现切割试样的横向微量进给，可将试件按一定的长度切割成片状，定位精度可达到5 m，尤其适合于岩样的制作。该产品的推广应用，不但能扩大国产切割机的切割领域还可提高生产效率，降低劳动强度，节约生产成本。有利于提高我国金相试样制备行业水平，促进我国金相技术的发展。

动化。电一体化方向的研宄和应用。

责任编辑周守清