基于SIMOTION的深孔鉆機(jī)床設(shè)計(jì)與開發(fā)

賀旭光，朱勁，王曉年

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

在深孔鉆機(jī)床領(lǐng)域，刀具品種規(guī)格更加多樣化，長則4 000 mm、短則100 mm，粗則Φ30 mm，細(xì)則Φ5 mm，這對機(jī)床的整體性能提出了更高的要求，無論是機(jī)械精度、抗震、抗變形能力還是電氣響應(yīng)速度、控制精度都要符合加工設(shè)備的加工要求。

之前的運(yùn)動控制領(lǐng)域中，普通電機(jī)驅(qū)動器具備很強(qiáng)的運(yùn)動控制功能，但是它的邏輯控制性能和運(yùn)算功能較弱，而普通PLC提供了較全面的邏輯控制功能，但是不能滿足運(yùn)動控制的需求;因此傳統(tǒng)的應(yīng)用方式是將PLC與伺服控制器配合使用，這樣存在高速數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)同步和精確控制等方面的問題。西門子公司推出新一代的運(yùn)動控制平臺SIMOTION。SIMOTION是為運(yùn)動控制起主導(dǎo)作用的機(jī)器而設(shè)計(jì)的，本身集成了邏輯控制與運(yùn)動控制，可以獨(dú)立完成以往PLC加電機(jī)調(diào)速器的所有功能，主要應(yīng)用在控制要求復(fù)雜，控制精度高和控制相應(yīng)快的運(yùn)動領(lǐng)域［1］。

本文在分析某型汽車發(fā)動機(jī)過油孔特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于西門子新一代控制驅(qū)動器SIMOTION開發(fā)出一套汽車發(fā)動機(jī)過油孔深孔鉆機(jī)床，提高過油孔加工環(huán)節(jié)的加工速度，以滿足整條發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線的加工節(jié)拍要求。

1 系統(tǒng)控制要求

該發(fā)動機(jī)需要九個(gè)互相貫通的過油孔，其中發(fā)動機(jī)表面六個(gè)深孔，孔深196 mm，一個(gè)左右貫通的深孔長達(dá)969 mm，在內(nèi)部與上面六個(gè)過油孔相通，另外兩個(gè)過油孔分別在工件左右兩側(cè)，孔深分別為456.5 mm和367.5 mm。根據(jù)工件加工特點(diǎn)，將深孔鉆機(jī)床設(shè)計(jì)成三面十軸，其中左右各兩個(gè)軸，上面六個(gè)軸，左右分別有一個(gè)軸在同一個(gè)進(jìn)給直線上相向運(yùn)動，最終打通工件（如圖1所示），上滑臺刀具打孔最終與Φ27 mm孔相通;各個(gè)方向分別有一臺伺服電機(jī)作為進(jìn)給軸。

發(fā)動機(jī)加工車間整條生產(chǎn)線每個(gè)環(huán)節(jié)最高加工時(shí)間3.5 min，因此，為了與整條缸體生產(chǎn)線節(jié)拍保持一致，滿足整條生產(chǎn)線要求，過油孔加工環(huán)節(jié)必須控制在3.5 min內(nèi)完成，為保證機(jī)械設(shè)備安全，進(jìn)給軸進(jìn)給速度要控制在180 mm/min之內(nèi)，進(jìn)給過程分三個(gè)階段:入孔階段（V1=120 mm/min），鉆孔階段（V2=180 mm/min），出孔階段（V3=150 mm/min）;上滑臺由于加工斜孔，無法安裝鉆套，于是有一個(gè)接近工件階段（28 mm位移，進(jìn)給速度:V5=300 mm/min）;返回速度V4=4 000 mm/min。

2 鉆孔方案設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示，HMI、控制驅(qū)動器、被控對象組成網(wǎng)絡(luò)，各設(shè)備之間通過ProfiBus-DP總線通信。

由于時(shí)間控制方式的定位功能是開環(huán)的，在以時(shí)間控制實(shí)現(xiàn)定位時(shí)會有累積誤差，因此不能達(dá)到精確的位置控制功能要求，而SIMOTION有強(qiáng)大的位置控制功能，根據(jù)SIMOTION在運(yùn)動控制中的優(yōu)越性，結(jié)合實(shí)際需求，選擇絕對控制方式實(shí)現(xiàn)鉆孔定位。

圖1 深孔鉆機(jī)床加工示意圖

左右進(jìn)給軸伺服電機(jī)都拖動兩個(gè)主軸，每把刀的刀長可以小范圍調(diào)節(jié)，因此27 mm刀和14 mm刀的前端差可以改變，加工方案以27 mm主軸為基準(zhǔn)，同時(shí)不能與上滑臺主軸刀具發(fā)生干涉。機(jī)械要求上滑臺入孔深度20 mm，出孔深度15 mm;左滑臺入孔深度30 mm，出孔深度16 mm;右滑臺入孔深度30 mm，出孔深度20 mm。

2.1 左右滑臺27 mm刀具之間不能撞刀

刀尖為錐形結(jié)構(gòu)，為了保證27 mm深孔徹底貫通，因此要有10 mm左右的重合距離，共970 mm。在左右滑臺同時(shí)進(jìn)給的前提下，只有一個(gè)滑臺加工完成后先退刀，另一個(gè)滑臺繼續(xù)進(jìn)給到目的位置后退刀。上滑臺預(yù)鉆孔在工件靠右部位，相對于左滑臺，同等條件下右滑臺退刀過程中容易與上滑臺刀具發(fā)生干涉，為了右滑臺爭取更多退刀時(shí)間，需要右滑臺先退刀，為了保證安全性，設(shè)計(jì)當(dāng)右滑臺退刀時(shí)，左滑臺刀頭與右滑臺刀頭之間有5 mm冗余距離。

左滑臺入孔距離L11=30 mm，鉆孔距離L12待定，出孔距離L13=16 mm;右滑臺入孔距離Lr1=30 mm，鉆孔距離Lr2待定，出孔距離Lr3=20 mm;左滑臺入孔時(shí)間t11=L11/V1=15 s，t12=L12/V2，t13=L13/V3=6.4 s，tr1=Lr1/V1=15 s，tr2=Lr2/V2，tr3=Lr3/V3=8 s;根據(jù)實(shí)際需求不難得到如下關(guān)系:

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

右滑臺退刀點(diǎn)進(jìn)給量:

右滑臺退刀時(shí)，如果左滑臺處于出孔階段，可得到此時(shí)左滑臺進(jìn)給總距離:

約束條件:

左滑臺處于出孔階段:

經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)不能得到完全滿足（1）、（2）、（3）、（4）、（5）的Ll2和Lr2。

右滑臺退刀時(shí)，如果左滑臺處于鉆孔階段，可得到此時(shí)左滑臺進(jìn)給總距離:

時(shí)間最短的必要條件是L1+Lr≤950，要達(dá)到最優(yōu)化，取:

由（1）、（2）、（6）、（7）不難計(jì)算出 L12=451 mm，Lr2=423 mm。

此方案是左、右滑臺的最優(yōu)加工方案，左、右滑臺進(jìn)給時(shí)間（取二者最大）:

左滑臺進(jìn)給量:L1max=L11+L12+L13=497 mm

右滑臺進(jìn)給量:Lrmax=Lr1+Lr2+Lr3=473 mm

左右滑臺進(jìn)給軸VS曲線圖如圖3、4所示。

圖3 左滑臺進(jìn)給軸V（mm/min）－S（mm）曲線圖

2.2 左右滑臺27 mm刀具不能與上滑臺刀具撞刀（27 mm孔與8 mm孔相互導(dǎo)通）

上滑臺接近距離Lt1=28 mm，入孔距離Lt2=20 mm，鉆孔距離Lt3=160 mm，出孔距離Lt4=15 mm;

為了追求時(shí)間最短化，上滑臺刀頭與左右滑臺27 mm刀頭干涉的臨界點(diǎn)是工件左部第一個(gè)8 mm刀具與左滑臺27 mm刀具交叉點(diǎn)，與左滑臺零坐標(biāo)相距98 mm（如圖1所示），為了保證安全性，我們?nèi)?0 mm冗余，左滑臺27 mm主軸返回到此點(diǎn)左側(cè)10 mm處作為臨界點(diǎn)，左滑臺27 mm刀頭從最大進(jìn)給點(diǎn)返回到此點(diǎn)所用時(shí)間 t2=（L1max－88）/V4=6.135 s。

圖4 右滑臺進(jìn)給軸V（mm/min）－S（mm）曲線圖

上滑臺從鉆套處進(jìn)給到最大進(jìn)給點(diǎn)（剛好與27 mm主軸孔相交）的VS曲線圖如圖5所示，運(yùn)動時(shí)間:t3=Lt1/V5+Lt2/V1+Lt3/V2+Lt4/V3=74.934s;

上滑臺返回時(shí)間:t4=Ltmax/V4=3.345 s;

上滑臺相對于左右滑臺運(yùn)動滯后時(shí)間:t5=t1+t2－t3=102.9 s，此時(shí)左滑臺位置:S=L11+（t4－t11）*V2=293.7 mm，因此當(dāng)左滑臺位置在293.7 mm且向前運(yùn)動時(shí)，上滑臺開始進(jìn)給，就不會出現(xiàn)上滑臺刀頭與左右滑臺27 mm刀頭發(fā)生干涉，總時(shí)間可以達(dá)到最優(yōu)，最優(yōu)總時(shí)間:t=t1+t2+t4=181.18 s。

圖5 上滑臺進(jìn)給軸VS曲線圖

2.3 時(shí)間節(jié)拍要滿足要求（加工時(shí)間盡量短，不能超過210 s）

按照此方案運(yùn)行，加工總時(shí)間為181.18 s，完全滿足工藝要求的210 s以內(nèi)，經(jīng)實(shí)踐測試，實(shí)際運(yùn)動時(shí)間與理論計(jì)算時(shí)間幾乎相同，誤差小于0.01 s，在允許范圍內(nèi)。

3 運(yùn)行結(jié)果與分析

機(jī)床實(shí)際運(yùn)行的位移曲線如圖6所示（橫坐標(biāo)t指監(jiān)控時(shí)間，并非進(jìn)給軸實(shí)際運(yùn)行時(shí)間）。

對右滑臺達(dá)到最大進(jìn)給量時(shí)左滑臺位置進(jìn)行放大（如圖7所示），發(fā)現(xiàn)此時(shí)左滑臺位置為476.956 mm，距離右滑臺刀尖仍有10 mm左右距離，符合設(shè)計(jì)要求。

對左滑臺返回到98 mm時(shí)刻上滑臺位置進(jìn)行放大（如圖8所示），發(fā)現(xiàn)此時(shí)上滑臺位置為222.71 mm，此位置小于223 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本方案三個(gè)進(jìn)給伺服電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動軌跡符合加工要求，在各階段進(jìn)給速度下，主軸加工正常，機(jī)械共振等性能滿足要求，沒有出現(xiàn)異常，現(xiàn)已交付最終客戶使用。邏輯控制部分設(shè)計(jì)嚴(yán)密，各設(shè)備之間的互鎖考慮到了各種危險(xiǎn)因素存在的可能性，加工工件過程中不會出現(xiàn)撞刀等情況。在安全性最高的前提下，節(jié)省了76.255s，使加工時(shí)間最小化，提高了機(jī)床工作效率，增加了企業(yè)生產(chǎn)率，得到了客戶的好評。

［1］張楊，高明輝.SIMOTION在數(shù)字化對接系統(tǒng)中的多軸同步控制應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2010，23:114 －116.

［2］侯維巖，費(fèi)敏銳.PROFIBUS協(xié)議分析和系統(tǒng)應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006，12.

［3］廖常初.西門子人機(jī)界面（觸摸屏）組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008，06.

［4］ SIMOTION D manual［M］.SIEMENS AG A＆D，2008，.

［5］穆海濤.數(shù)控深孔鉆加工斜孔的技巧［J］.金屬加工，2011（1）:33.

［6］王星.不銹鋼深孔加工技術(shù)探討［J］.機(jī)械工人（冷加工），2005（6）:55－58.