大型柴油机曲轴油孔定位系统设计
郭金亮 赵云伟 魏召刚
摘 ? 要：该文依据柴油机曲轴油孔加工精度要求，开发了以可编程控制器为控制核心，以触摸屏为人机交互装置，以变频器为动力头行走驱动装置，以旋转编码器为位移检测装置的控制系统，实现了曲轴油孔加工时的自动定位。在保证油孔定位精度满足要求的前提下，大幅度降低了操作工人的劳动强度和技能要求，提高了生产效率。
关键词：柴油机;曲轴油孔;定位
中图分类号：TK426 ? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
0 引言
曲轴是柴油机中造价相对较高的重要零部件之一，其使用寿命决定着柴油机整机的寿命。曲轴将连杆传来的力转化为扭矩，从而驱动发动机的其他附件工作。为减少连杆与曲轴轴颈相对运动产生的摩擦，在每个轴径上都设有油道孔，以便将机油引入引出，用以润滑轴径表面。油孔润滑供给能力的好坏，直接影响曲轴以及连杆的使用寿命，因此对曲轴油孔加工时有严格的精度要求。
1 曲轴油孔加工现状
在传统的曲轴结构设计时，曲轴连杆轴颈润滑油主要来源于支承轴颈与连杆轴颈之间的润滑油孔。该类油孔属于在回转面上倾斜加工的深孔，直径较小，并且油孔分布很多，都在曲面或斜面上，这就给加工带来很大难度。因此传统加工方法需要多次安装，甚至需要2套工装夹具协作才能完成曲轴油孔的加工定位。这种方法除了因多次安装定位造成误差积累影响润滑油孔加工质量外，还存在生产效率低、产品质量不稳定等问题。
对于曲轴油孔的加工，目前主要有2种方式。1）使用大型通用数控机床进行加工。2）使用简单设备人工加工。第1种方式因大型柴油机曲轴长度太大导致加工过程复杂，需要多次变换工件姿态才能完成多个油孔的加工，因此数控设备的效率较低。而且数控机床成本较高，导致该方式性价比偏低。第2种方式采用简单设备人工加工时，如何将2个不在一个平面上的直油孔按要求贯通将是一个非常难处理的工作。虽然理论上存在很多斜油孔定位的方法，但在实际应用中难以实施，因此依靠简单设备人工加工是难以保证质量和效率的。
2 油孔定位系统方案设计
2.1 系统设计要求
依据大型柴油机曲轴制造工艺，系统设计要求如下：动力头轴向定位自动控制、直油孔一键加工控制、斜油孔一键加工控制，且满足各贯通孔的相对位置误差在±0.01 mm，从而在保证曲轴油孔加工精度的基础上，降低操作工人的劳动强度和技能要求。
2.2 系统设计方案
该文根据油孔加工的控制功能和精度要求设计了曲轴油孔定位系统。系统采用曲轴轴向固定、丝杠拖动动力头轴向移动的方式控制油孔定位。曲轴在轴向位置固定不动，但是可以径向旋转，通过专用工装控制加工面，调整到位后通过机械装置抱紧。直油孔和斜油孔分别采用独立的动力头驱动枪钻加工，在钻孔时钻头伸出动力头进行加工，当需要移位时钻头缩回动力头内。直油孔和斜油孔的枪钻钻头的角度在加工前根据曲轴具体类型和参数进行调整，完成后在下次加工时不需要重新调整。直油孔和斜油孔的动力头安装时靠在一起，相对位置固定不变，所以在校准时只需要一次寻零动作即可，减小了多次寻零造成的累计误差。曲轴油孔轴向定位装置示意图如图1所示。
2.3 加工过程
加工前，要保证动力头在初始原点，如果不在则执行一键归零命令，通过变频器驱动动力頭移至丝杠驱动端原点位置（通过限位开关进行检测标定）。加工时首先在触摸屏上设置曲轴基础数据（缸数、直油孔孔距、第一个油孔位置数据等），然后执行一键定位加工命令。加工时首先是直油孔，待所有直油孔全部加工完毕后，要将动力头移至原点位置进行校准，然后再进行斜油孔加工。当所有油孔加工完成后，要将动力头移至原点位置进行校准，为下次加工做准备，也就是设备复位的过程。通过这种控制方式可以有效避免直油孔和斜油孔交替加工过程中产生的累计误差。
3 硬件选型及定位原理
在硬件设计时，综合考虑控制要求、产品功能、安全、环保和成本等因素，采用以紧凑型可编程控制器（PLC）为控制核心，以触摸屏（HMI）为人机交互装置，以工业变频器为动力头行走驱动装置，以旋转编码器为动力头检测定位装置的技术路线。
3.1 硬件选型
3.1.1 可编程控制器
采用欧姆龙CPM2A-60CDR作为核心控制部件，进行逻辑运算、程序控制与通信控制等，可实现同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出等功能。其具备36路继电器输入和24路继电器输出;另带有2路脉冲输出，可以使用2路无加速和减速功能的单相输出，也可以使用2路不同占空比的脉冲输出或带梯形加速和减速功能的脉冲输出。利用可编程控制器的脉冲输入输出功能实现定位功能。
3.1.2 触摸屏
采用MT4300C用于输入曲轴数据、实时监控加工情况等。触摸屏人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁。根据需求通过自由的组合文字、按钮、图形、数字等来输入、监控、管理随时可能变化的设备信息。
3.1.3 变频器
富士FRN5.5G11S-4CX，属于低噪声、高性能、多功能变频器。利用其动态转矩矢量控制可在各种运行条件下实现对电动机的最佳控制，实现更高性能、更高精度的运行，速度控制精度可达到±0.02%，在电动机低速时脉动大大减小。
3.1.4 旋转编码器
采用欧姆龙E6B2-CWZ6C 600P/R，其属于增量型、集电极开路输出（NPN）型旋转编码器，附有逆接、负荷短路保护回路，增强了系统的可靠性。该编码器分辨率为600P/R，丝杠导程为3 mm，编码器每个脉冲位移为0.005 mm，完全满足精度要求。
3.2 定位原理
系统采用的可编程控制器具有脉冲输入输出功能，从而利用脉冲控制实现对位置的准确控制。其在用作单相脉冲输出时，可以有频率范围为10 Hz～10 000 Hz的固定占空比或频率范围为0.1 Hz～999.9 Hz的可变占空比（0～100%占空比）2种输出。通过调节脉冲输出占空比就可以调节变频器的输出电流和输出电压，从而调节电动机的转速。
另外，系统中采用的变频器具备直流制动模式，利用该模式可以实现精确定位。所谓直流制动，一般指当变频器输出频率接近于零，电机转速降低到一定数值时，变频器向异步电动机定子绕组中通入直流，形成静止磁场，此时电动机处于能耗制动状态，转子切割该静止磁场而产生制动转矩，使电动机迅速停止。直流制动可以用于要求准确停车的情况。
总之，系统利用可编程控制器、变频器和旋转编码器构成半闭环控制，可以实现电动机直线速度和位移的计算，在电动机低速运行时可以逼近目标实现精确定位。系统工作时，在变频器中预先设置好直流制动电压、直流制动时间、直流制动频率等参数，当旋转编码器检测到动力头接近目标位置时，变频器切换至直流制动模式，配合可编程控制器的脉冲控制功能逼近目标，达到精确定位。曲轴油孔定位控制系统示意图如图2所示。
4 结语
随着大型舰船设备的日益普及，对大型柴油机曲轴加工的质量和效率都有了更高的要求。该系统依据柴油机曲轴油孔工艺设计要求，开发了油孔专机定位系统。经过实际验证，系统不仅能够满足所有控制功能及精度要求，而且相比数控机床节约了大量的造价成本，提高了生产效率，降低了操作工人的技能要求。另外，该设计还可为柴油机生产企业制造曲轴加工设备或相关机械设备的产品开发提供参考。
参考文献
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