基于西門子機(jī)床耦合功能的雙旋輪旋壓機(jī)床設(shè)計(jì)

賈春雷 劉佳佳

（北京航空制造工程研究所，北京 100024）

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對機(jī)加產(chǎn)品提出了高精度、高復(fù)雜性的要求。數(shù)控技術(shù)就是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制自動(dòng)化要求而發(fā)展的，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的功能越來越強(qiáng)大，加工零件的形式也更加復(fù)雜。特別是在專用機(jī)床領(lǐng)域，對數(shù)控技術(shù)有特殊的要求。下面就西門子840D系統(tǒng)中機(jī)床坐標(biāo)軸耦合功能的原理和特點(diǎn)來說明其在旋壓機(jī)床中的應(yīng)用。

1 機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能的產(chǎn)生

一是提高加工效率，二是加工大型復(fù)雜對稱零件。隨著市場化的進(jìn)行，產(chǎn)品競爭日益激烈，設(shè)備的加工效率和加工質(zhì)量就成為生產(chǎn)環(huán)節(jié)至關(guān)重要的事情，為提高加工效率和節(jié)約成本，采用的一種方法是在同一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)加工多個(gè)工件，這就可以成倍地提高加工效率，并且由于是一臺(tái)設(shè)備，所以設(shè)備成本也會(huì)相應(yīng)降低，這就產(chǎn)生了西門子840D的MCS Coupling功能，即機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能。該功能可以在同一臺(tái)機(jī)床上定義功能完全相同的多個(gè)坐標(biāo)系。

2 機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能的原理

機(jī)床坐標(biāo)系耦合英文全稱為“Machine Coordinate System Coupling”，簡寫為“MCS Coupling”。是機(jī)床中相對獨(dú)立的幾個(gè)坐標(biāo)系為完成相同的動(dòng)作而使用的功能。如圖1所示兩個(gè)相互獨(dú)立的機(jī)床頭K1和K2：其中 K1 由 Y、Z、C、A、W 五個(gè)軸組成；K2 由 Y2、Z2、C2、A2、W2 組成。這兩個(gè)坐標(biāo)系中 Y、Y2，Z、Z2，C、C2，A、A2，W、W2共五對坐標(biāo)軸可以進(jìn)行耦合。

在坐標(biāo)系K1和K2中，Y、Y2相對于K1、K2是位于兩個(gè)相對獨(dú)立的坐標(biāo)系，兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)軸在機(jī)械上具有間接聯(lián)系，在機(jī)械加工時(shí)我們需要Y、Y2之間具有位移和速度同步功能，即Y、Y2同時(shí)以同樣大小的速度運(yùn)動(dòng)，并保證Y和Y2運(yùn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)坐標(biāo)位置的差在設(shè)定的范圍內(nèi)，如果兩者間的誤差超過設(shè)定的值，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)計(jì)者的要求進(jìn)行處理。這種功能稱為坐標(biāo)系耦合同步功能，即機(jī)床上由于功能需要建立的幾個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系中的幾個(gè)坐標(biāo)軸，在運(yùn)動(dòng)時(shí)通過誤差跟隨、檢測和補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸之間的位置和速度同步。

3 機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能的具體用法

（1）在西門子機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能中兩個(gè)耦合軸可以以1∶1或者1∶-1的方式耦合，即兩個(gè)耦合軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)速度方向可以相同也可以相反。

（2）在機(jī)床坐標(biāo)系耦合中，有主動(dòng)軸（CC_Master）和從動(dòng)軸（CC_Slave）之分，主動(dòng)軸可以有1個(gè)或者多個(gè)從動(dòng)軸，并且從動(dòng)軸不能作為主動(dòng)軸使用。作為從動(dòng)軸有下面約束：!從動(dòng)軸不能是一個(gè)PLC軸；"從動(dòng)軸不能作為控制軸；#從動(dòng)軸不能在JOG模式下通過它的主動(dòng)軸進(jìn)行單獨(dú)操作。

（3）西門子MCS耦合功能對軸的要求：!從動(dòng)軸和主動(dòng)軸必須都是旋轉(zhuǎn)軸或者直線軸；"機(jī)床主軸不能作為MCS耦合軸使用；#主動(dòng)軸和從動(dòng)軸不能是轉(zhuǎn)換軸。

（4）西門子機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能中的坐標(biāo)軸在機(jī)床數(shù)據(jù)（Axis Machine Data）MD63540中定義，并且耦合軸的激活和失效是通過系統(tǒng)開放的編程語言實(shí)現(xiàn)的。

耦合命令：

去耦命令：

（5）為了在去耦狀態(tài)或者1∶-1耦合狀態(tài)下對機(jī)床頭進(jìn)行碰撞保護(hù)，在機(jī)床數(shù)據(jù)中可以設(shè)定碰撞保護(hù)功能，并通過機(jī)床數(shù)據(jù)或者PLC程序激活。主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間可以有位置上的偏移，并且可以根據(jù)需要設(shè)定碰撞保護(hù)。機(jī)床坐標(biāo)系耦合的碰撞保護(hù)功能配置如圖2。

例子：主動(dòng)軸PMaster=X，從動(dòng)軸PSlave=X2。碰撞保護(hù)設(shè)定CC_CILLISION_WIN=10 mm，X和X2在零件程序中的起始點(diǎn)分別是X=0，X2=20，那么對于語句N50 G0 X100 X2=90在去耦狀態(tài)下系統(tǒng)會(huì)通過碰撞保護(hù)設(shè)定進(jìn)行報(bào)警處理。

4 在雙旋輪數(shù)控旋壓機(jī)中的應(yīng)用

旋壓機(jī)床是用來成形薄壁空心回轉(zhuǎn)零件的一種金屬壓力專用加工機(jī)床，在航空航天、船舶、兵器、汽車、食品以及輕工機(jī)械等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。機(jī)床借助旋輪等工具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加壓于隨芯模沿同一軸線旋轉(zhuǎn)的金屬毛坯，使其產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形而成為所需回轉(zhuǎn)體零件。

旋壓成形具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：!無屑加工、柔性好、成本低廉；"復(fù)雜構(gòu)件的旋壓成形減少了零件之間的連接，零件數(shù)量減少，加工精度大為提高；#避免母線焊縫帶來的缺陷，提高了構(gòu)件的強(qiáng)度和疲勞性能。同時(shí)旋壓成形是大長徑比薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件的唯一有效的加工方法。

雙旋輪數(shù)控旋壓機(jī)是指具有兩個(gè)旋輪的旋壓機(jī)床，雙旋輪在加工中通常聯(lián)動(dòng)動(dòng)作，一般也可以單獨(dú)動(dòng)作，作為單旋輪旋壓機(jī)使用，其用途廣泛，旋壓成形區(qū)間大，在軍工等行業(yè)應(yīng)用非常廣泛。圖3是雙旋輪旋壓機(jī)床旋輪、工件和旋轉(zhuǎn)芯模分布及工作示意圖。

如圖4所示，在雙旋輪強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)中可以應(yīng)用機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能，旋輪的徑向移動(dòng)由分布在主軸SP兩側(cè)的X、X2伺服軸驅(qū)動(dòng)，并受機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的限制，旋輪的縱向移動(dòng)由分布在SP兩側(cè)的兩個(gè)伺服軸Y、Y2驅(qū)動(dòng)，X與Y兩個(gè)軸和X2與Y2兩個(gè)軸各組成一組運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，且在雙旋輪同步加工時(shí)要求X、X2之間以及Y、Y2之間的位置和速度同步，并且監(jiān)視兩個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)對應(yīng)軸的位置和速度誤差，在這種情況下應(yīng)用西門子840D的機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能較為合適。

5 編程舉例

設(shè)主動(dòng)軸PMaster1=X，PMaster2=Y，從動(dòng)軸PS-lave1=X2，Pslave2=Y2

例1：

例2：

6 結(jié)語

采用西門子機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能的雙旋輪強(qiáng)力旋壓機(jī)，通用性和實(shí)用性更加廣闊，特別是在旋制高精度薄壁空心回轉(zhuǎn)體、復(fù)雜曲母線形狀零件時(shí)，可以顯著提高零件的加工效率和精度。

［1］王成和，劉克璋，等.旋壓技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

［2］日本塑性加工協(xié)會(huì).旋壓成形技術(shù)［M］.陳敬之譯，陳適先校.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［3］陳子銀，陳為華.數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.