专利名称：一种基于plc控制的全自动试样切割机及其切割方法
技术领域：
本发明涉及一种基于PLC控制的全自动试样切割机及其切割方法，属于机械加工 领域。
背景技术：
材料进行整形及分片的外圆切割技术已在微电子工业被广泛利用。在材料研究中 的试样制作对切割技术也提出了新的要求，传统的切割技术消耗大量的人力物力，而且在 样品加工后的平行度、平面度、垂直度及表面粗糙度的要求都不能保证，有时为了一个试样 的制作，花费大量的时间，严重影响科研项目的进程。目前在国内外圆切割机的控制实际大 都采用手动或半自动，半自动切割机工作的特点为采用加工过程计算机辅助控制，行程控 制采用行程限位开关，且对加工过程中出现的情况并没有完全考虑到，如随着进刀深度的 增加，切割片与试样的作用面积加大，切割力明显降低，且切屑不宜排除，导致切割片的过 快磨损和切割效率的降低。

发明内容
本发明目的是为了解决传统切割技术消耗人力大、试样切割精度和质量难以保证 的问题，提供了一种基于PLC控制的全自动试样切割机及其切割方法。本发明包括主轴、盘形切割刀、试样卡台、十字滑台、进刀机构和进样机构，主轴上 安装盘形切割刀，在十字滑台上设置试样卡台，它还包括摆动机构，在试样卡台上设置有摆 动机构，所述摆动机构能够带动试样做上下摆动。进刀机构包括进刀步进电机驱动器和进刀步进电机，进刀步进电机驱动器驱动进 刀步进电机动作，进而带动十字滑台纵向滑动，实现进刀或退刀操作；进样机构包括进样步进电机驱动器和进样步进电机，进样步进电机驱动器驱动进 样步进电机动作，进而带动十字滑台横向滑动，实现进样或退样操作。进刀模式为脉冲进刀或连续进刀。它还包括PLC控制器，PLC控制器控制主电机动作，由主电机带动主轴旋转，进而 带动盘形切割刀旋转来切割试样；PLC控制器控制进刀步进电机驱动器动作；PLC控制器控 制进样步进电机驱动器动作；PLC控制器控制摆动电机动作，使摆动机构上下摆动，进而实 现待切割的试样上下摆动。它还包括变频器，PLC控制器通过该变频器采集主电机的工作电流，并通过该变频 器驱动主电机工作。它还包括触摸屏，触摸屏用于人为设定工作参数，并将所述工作参数发送给PLC 控制器；所述触摸屏还用于接收PLC控制器发送的状态参数，并将所述状态参数显示输出。它还包括水泵，PLC控制器控制水泵工作，水泵用于提供以水为分散相的切削液。它还包括启动按钮、急停按钮、安全罩和安全罩开关，启动按钮通过PLC控制器来 控制加工的启停，急停按钮通过PLC控制器来控制加工的急停，安全罩是用于将盘形切割刀、试样卡台、十字滑台、进刀机构和进样机构与外界隔离的罩，安全罩开关用于检测安全 罩的开启或关闭状态，并将所述状态信息发送给PLC控制器。基于上述的一种基于PLC控制的全自动试样切割机的切割方法包括以下步骤步骤一、在触摸屏上根据试样的欲切割截面的大小、试样的切割难易程度从数据 库中选取相应工作参数，所述工作参数包括主轴转速、进刀速度、进刀深度、进样速度、进样 长度、进样次数、设置冷却水开/关，并确定选择进刀机构的工作方式为连续进刀或脉冲进 刀；步骤二、按一下启动按钮，启动试样切割程序；步骤三、判断急停按钮是否被启动，判断结果为是，则停止此次加工；判断结果为否，则执行第四步；步骤四、判断安全罩是否关闭，判断结果为否，则停止此次加工；判断结果为是，则执行步骤五；步骤五、如果步骤一设置的是需要开启冷却水，则由PLC控制器启动水泵工作；如 果步骤一设置的的是不需要开启冷却水，则不启动水泵；步骤六、由PLC控制器控制主电机启动，并达到步骤一设置的主电机转速；步骤七、由PLC控制器控制摆动机构工作，带动待切割的试样随摆动机构做上下 摆动；步骤八、由PLC控制器控制进刀机构按步骤一设置的进刀方式启动工作，开始对 试样进行切割；步骤九、PLC控制器采集变频器反馈的主电机的电流信号；步骤十、判断所述电流信号是否高于主电机额定电流；判断结果为是，由PLC控制器根据第一步的设置的工作参数控制变频器提高主电 机的转速或减小进刀速度，并继续切割；判断结果为否，保持当前主轴转速或进刀速度继续 切割；步骤十一、当进刀深度达到设定值后，由PLC控制器控制进刀机构复位；步骤十二、进刀机构复位后，由PLC控制器控制进样机构启动工作，并进样至设定 长度；步骤十三、判断进样次数是否小于等于N，判断结果为是，执行步骤八；判断结果为否，PLC控制器控制进样机构复位、关闭 主电机、关闭摆动机构、关闭水泵，完成试样的切割。本发明的优点以PLC自动控制为基础，以触摸屏作为人机交互界面，来进行参数 设定，使它能够根据预先设定的行进参数自动完成进刀(脉冲或连续)、退刀、进样、退样、 复位、摆动等动作，并能根据试样切割的难易程度所产生的主电机电流的大小来自动调节 刀片的旋转速度和进刀速度以及进刀模式。通过摆动机构带动试样一起做一定幅度的上下摆动，来改变盘形切割刀与试样的 作用线长度，且随着试样的上下摆动，盘形切割刀与试样的作用线位置也发生着变化。从 而，减小了试样与盘形切割刀的作用线长度和作用面积，即保证了切屑的及时排除，又保证 了切割力，降低了盘形切割刀的磨损率，提高了切割效率。对于较难切割的高韧性、大硬度试样可以采用脉冲进刀方式来提高切割效率，防止由于进刀过快而出现夹刀现象。


图1是本发明基于PLC控制的全自动试样切割机的原理示意图；图2是基于PLC控制的全自动试样切割方法的工作流程图；图3是试件上下摆动时切割方式示意图；图4是试件不上下摆动时切割方式示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的一种基于 PLC控制的全自动试样切割机，它包括主轴、盘形切割刀、试样卡台、十字滑台、进刀机构和 进样机构，主轴上安装盘形切割刀，在十字滑台上设置试样卡台，它还包括摆动机构，在试 样卡台上设置有摆动机构，所述摆动机构能够带动试样做上下摆动。进刀机构包括进刀步进电机驱动器和进刀步进电机，进刀步进电机驱动器驱动进 刀步进电机动作，进而带动十字滑台纵向滑动，实现进刀或退刀操作；进样机构包括进样步进电机驱动器和进样步进电机，进样步进电机驱动器驱动进 样步进电机动作，进而带动十字滑台横向滑动，实现进样或退样操作。进刀模式为脉冲进刀或连续进刀。它还包括PLC控制器，PLC控制器控制主电机动作，由主电机带动主轴旋转，进而 带动盘形切割刀旋转来切割试样；PLC控制器控制进刀步进电机驱动器动作；PLC控制器控 制进样步进电机驱动器动作；PLC控制器控制摆动电机动作，使摆动机构上下摆动，进而实 现待切割的试样上下摆动。它还包括变频器，PLC控制器通过该变频器采集主电机的工作电流，并通过该变频 器驱动主电机工作。变频器采集主电机的电流信号反馈给PLC控制器，PLC控制器根据变频器的反馈 的电流信号发出控制指令给变频器，由变频器控制主电机的转速；PLC控制器根据变频器 的反馈的电流信号发出控制指令给进刀步进电机驱动器，进而控制十字滑台的纵向滑动速 度，即进刀速度。它还包括触摸屏，触摸屏用于人为设定工作参数，并将所述工作参数发送给PLC 控制器；所述触摸屏还用于接收PLC控制器发送的状态参数，并将所述状态参数显示输出。所述设定工作参数，是指技术人员根据试样的欲切割截面的大小、试样的切割难 易程度从数据库中选取相应工作参数，所述工作参数包括主轴转速、进刀速度、进刀深度、 进样速度、进样长度、进样次数、设置冷却水开/关；所述状态参数为表示工作进度的主轴 转速、进刀速度、进刀位置、试样厚度、进样位置、进样次数、进样速度、冷却水开/关状态、 系统状态(是否正常工作、提示及警告)。由于增加了触摸屏，不但能够让工作人员随时了 解试样切割的状态和进度，还可以在切割试样的过程中根据实时状态随时更改工作参数的 设置。它还包括水泵，PLC控制器控制水泵工作，水泵用于提供以水为分散相的切削液。它还包括启动按钮、急停按钮、安全罩和安全罩开关，启动按钮通过PLC控制器来控制加工的启停，急停按钮通过PLC控制器来控制加工的急停，安全罩是用于将盘形切割 刀、试样卡台、十字滑台、进刀机构和进样机构与外界隔离的罩，安全罩开关用于检测安全 罩的开启或关闭状态，并将所述状态信息发送给PLC控制器。基于上述的一种基于PLC控制的全自动试样切割机的切割方法包括以下步骤步骤一、在触摸屏上根据试样的欲切割截面的大小、试样的切割难易程度从数据 库中选取相应工作参数，所述工作参数包括主轴转速、进刀速度、进刀深度、进样速度、进样 长度、进样次数、设置冷却水开/关，并确定选择进刀机构的工作方式为连续进刀或脉冲进 刀；步骤二、按一下启动按钮，启动试样切割程序；步骤三、判断急停按钮是否被启动，判断结果为是，则停止此次加工；判断结果为否，则执行第四步；步骤四、判断安全罩是否关闭，判断结果为否，则停止此次加工；判断结果为是，则执行步骤五；步骤五、如果步骤一设置的是需要开启冷却水，则由PLC控制器启动水泵工作；如 果步骤一设置的的是不需要开启冷却水，则不启动水泵；步骤六、由PLC控制器控制主电机启动，并达到步骤一设置的主电机转速；步骤七、由PLC控制器控制摆动机构工作，带动待切割的试样随摆动机构做上下 摆动；步骤八、由PLC控制器控制进刀机构按步骤一设置的进刀方式启动工作，开始对 试样进行切割；步骤九、PLC控制器采集变频器反馈的主电机的电流信号；步骤十、判断所述电流信号是否高于主电机额定电流；判断结果为是，由PLC控制器根据第一步的设置的工作参数控制变频器提高主电 机的转速或减小进刀速度，并继续切割；判断结果为否，保持当前主轴转速或进刀速度继续 切割；步骤十一、当进刀深度达到设定值后，由PLC控制器控制进刀机构复位；步骤十二、进刀机构复位后，由PLC控制器控制进样机构启动工作，并进样至设定 长度；步骤十三、判断进样次数是否小于等于N，判断结果为是，执行步骤八；判断结果为否，PLC控制器控制进样机构复位、关闭 主电机、关闭摆动机构、关闭水泵，完成试样的切割。参见图1，本实施方式的切割机以PLC控制器作为核心控制部件，进行试样自动切 割的全数字量控制。以触摸屏作为辅助控制的手段来完成相应的工作参数设置工作，同时 显示工作进度，所述工作进度包括主轴转速的大小、进刀速度的大小、进刀位置的状态、试 样厚度的数值、进样次数、进样速度的大小、系统状态、提示及警告等，并能在切割过程中可 以通过触摸屏根据需要随时改变工作参数，所述工作参数包括主轴转速、进刀速度、进刀深 度、进样速度等。通过PLC控制实现连续/脉冲进刀功能、试样摆动功能、自动进样及复位功能、主 轴电机的变频调速功能。
在试样切割过程中，能根据变频器反馈回的主电机电流的变化情况来自动调节主 轴电机的旋转速度或进刀速度。通过设置进刀连续/脉冲模式，对于较难切割的高韧性、大硬度试样可以采用脉 冲进刀方式来提高切割效率，防止由于进刀过快而出现夹刀现象。脉冲进刀即为间歇式进 刀方式，每进刀一定长度后，进刀都停歇一下，这样可以保证盘形切割刀能将切割轨迹内的 试样材料清除的更彻底。通过摆动机构带动试样一起做一定幅度的上下摆动，来改变盘形切割刀与试样的 作用线长度，且随着试样的上下摆动，盘形切割刀与试样的作用线位置也发生着变化。从 而，减小了试样与盘形切割刀的作用面积，即保证了切屑的及时排除，又保证了切割力，降 低了盘形切割刀的磨损率，提高了切割效率。图4所示的是没有设置摆动机构，试样不上下 摆动，则盘形切割刀与试样的作用线和试样的切割际线重合。图3所示是本实施方式设置 有摆动机构的装置，试样上下摆动，则盘形切割刀与试样的作用线比试样的切割际线短，有 利于切屑的及时排除。步骤一中切割前，要根据试样的切割截面的大小、试样切割的难易程度，从切割参 数选取表中选择相应的主轴转速和进刀速度；而在切割过程中，即步骤九中可以通过将变 频器内部的电流实时监测数据经RS485数据通信传回PLC控制器，PLC控制器再将这一数 据与当前转速下的额定电流相比较，如果电流增加值超过空载电流一定数值(如10 % )后， 则PLC将主电机转速提高一定数值(如10% )(在调整主轴电机转速的设置条件下)或将 进刀速度适当降低(如10% )(在调整进刀速度的设置条件下)。进、退刀和进、退样通过十字滑台的前后、左右移动来完成，进、退刀由接收PLC控 制器命令的进刀步进电机带动丝杠来完成，进、退样由接收PLC控制器命令的进样步进电 机带动丝杠来完成，进刀及进样位移精度取决于步进电机和丝杠的精度，进刀及进样位移 精度可以达到0. 02mm ；切割试样的厚度精度不仅取决于进样步进电机和丝杠的精度，还取 决于盘形切割刀的磨损状况；进刀及进样的行进速度与行程完全由步进电机根据预先设定 的参数来控制。切割过程中由水泵提供采用以水为分散相的切削液，对试样和切割片进行降温， 同时冲走切屑，并起到润滑作用。
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权利要求
一种基于PLC控制的全自动试样切割机，它包括主轴、盘形切割刀、试样卡台、十字滑台、进刀机构和进样机构，主轴上安装盘形切割刀，在滑台上设置试样卡台，其特征在于，它还包括摆动机构，在试样卡台上设置有摆动机构，所述摆动机构能够带动试样做上下摆动。
2.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的全自动试样切割机，其特征在于，进刀 机构包括进刀步进电机驱动器和进刀步进电机，进刀步进电机驱动器驱动进刀步进电机动 作，进而带动滑台纵向滑动，实现进刀或退刀操作；进样机构包括进样步进电机驱动器和进样步进电机，进样步进电机驱动器驱动进样步 进电机动作，进而带动滑台横向滑动，实现进样或退样操作。
3.根据权利要求2所述的一种基于PLC控制的全自动试样切割机，其特征在于，进刀模 式为脉冲进刀或连续进刀。
4.根据权利要求2所述的一种基于PLC控制的全自动试样切割机，其特征在于，它还包 括PLC控制器，PLC控制器控制主电机动作，由主电机带动主轴旋转，进而带动盘形切割刀 旋转来切割试样；PLC控制器控制进刀步进电机驱动器动作；PLC控制器控制进样步进电机 驱动器动作；PLC控制器控制摆动电机动作，使摆动机构上下摆动，进而实现待切割的试样 上下摆动。
5.根据权利要求4所述的一种基于PLC控制的全自动试样切割机，其特征在于，它还包 括变频器，PLC控制器通过该变频器采集主电机的工作电流，并通过该变频器驱动主电机工作。
6.根据权利要求5所述的一种基于PLC控制的全自动试样切割机，其特征在于，它还包 括触摸屏，触摸屏用于人为设定工作参数，并将所述工作参数发送给PLC控制器；所述触摸 屏还用于接收PLC控制器发送的状态参数，并将所述状态参数显示输出。
7.根据权利要求6所述的一种基于PLC控制的全自动试样切割机，其特征在于，它还包 括水泵，PLC控制器控制水泵工作，水泵用于提供以水为分散相的切削液。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种基于PLC控制的全自动试样切割机，其特征 在于，它还包括启动按钮、急停按钮、安全罩和安全罩开关，启动按钮通过PLC控制器来控 制加工的启停，急停按钮通过PLC控制器来控制加工的急停，安全罩是用于将盘形切割刀、 试样卡台、十字滑台、进刀机构和进样机构与外界隔离的罩，安全罩开关用于检测安全罩的 开启或关闭状态，并将所述状态信息发送给PLC控制器。
9.基于权利要求8所述的一种基于PLC控制的全自动试样切割机的切割方法，其特征 在于，该方法包括以下步骤步骤一、在触摸屏上根据试样的欲切割截面的大小、试样的切割难易程度从数据库中 选取相应工作参数，所述工作参数包括主轴转速、进刀速度、进刀深度、进样速度、进样长 度、进样次数、设置冷却水开/关，并确定选择进刀机构的工作方式为连续进刀或脉冲进 刀；步骤二、按一下启动按钮，启动试样切割程序；步骤三、判断急停按钮是否被启动，判断结果为是，则停止此次加工；判断结果为否，则执行第四步；步骤四、判断安全罩是否关闭，判断结果为否，则停止此次加工；判断结果为是，则执行步骤五； 步骤五、如果步骤一设置的是需要开启冷却水，则由PLC控制器启动水泵工作；如果步 骤一设置的的是不需要开启冷却水，则不启动水泵；步骤六、由PLC控制器控制主电机启动，并达到步骤一设置的主电机转速； 步骤七、由PLC控制器控制摆动机构工作，带动待切割的试样随摆动机构做上下摆动； 步骤八、由PLC控制器控制进刀机构按步骤一设置的进刀方式启动工作，开始对试样 进行切割；步骤九、PLC控制器采集变频器反馈的主电机的电流信号； 步骤十、判断所述电流信号是否高于主电机额定电流；判断结果为是，由PLC控制器根据第一步的设置的工作参数控制变频器提高主电机的 转速或减小进刀速度，并继续切割；判断结果为否，保持当前主轴转速或进刀速度继续切 割；步骤十一、当进刀深度达到设定值后，由PLC控制器控制进刀机构复位；步骤十二、进刀机构复位后，由PLC控制器控制进样机构启动工作，并进样至设定长度；步骤十三、判断进样次数是否小于等于N，判断结果为是，执行步骤八；判断结果为否，PLC控制器控制进样机构复位、关闭主电 机、关闭摆动机构、关闭水泵，完成试样的切割。
全文摘要
一种基于PLC控制的全自动试样切割机及其切割方法，属于机械加工领域，本发明为解决传统切割技术消耗人力大、试样切割精度和质量难以保证的问题。本发明包括主轴、盘形切割刀、试样卡台、十字滑台、进刀机构和进样机构，主轴上安装盘形切割刀，在十字滑台上设置试样卡台，它还包括摆动机构，在试样卡台上设置有摆动机构，所述摆动机构能够带动试样做上下摆动。它以PLC控制为基础，以触摸屏作为人机交互界面，来进行参数设定，使它能够根据预先设定的行进参数自动完成进/退刀、进/退样、复位、摆动等动作，并能根据试样切割的难易程度所产生的刀片速度的变化或主电机负载的变化来自动调节刀片的旋转速度和进刀速度以及进刀模式。
文档编号G01N1/04GK101961874SQ20101028619
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月19日 优先权日2010年9月19日
发明者常帅, 曾庆轩, 肖海英, 韩兆祥 申请人:哈尔滨工业大学