基于840Dsl的汽車后橋端面銑削機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

吳冬春，崔海斌，孫啟林，馬俊慶

(1．鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院 ，江蘇 鹽城 224051；2．江蘇高精機(jī)電裝備有限公司，江蘇 鹽城 224053；3.大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116000)

基于840Dsl的汽車后橋端面銑削機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

吳冬春1，崔海斌2，孫啟林2，馬俊慶3

(1．鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院 ，江蘇 鹽城 224051；2．江蘇高精機(jī)電裝備有限公司，江蘇 鹽城 224053；3.大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116000)

目前，汽車生產(chǎn)行業(yè)中汽車后橋端面銑削加工大都采用固定位置加工，這種方式存在對工件焊接工藝要求高，對焊接工件自適應(yīng)能力低，加工合格率低等問題。該系統(tǒng)采用西門子840Dsl雙通道數(shù)控系統(tǒng)，利用直線測量探頭測量計算工件的銑削位置調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)，構(gòu)建的系統(tǒng)自適應(yīng)能力和加工合格率都得到了較大提高。在系統(tǒng)中嵌入HMI專用二次界面，結(jié)合加工程序的參數(shù)化編程，簡化機(jī)床的功能操作和維護(hù)。文章通過結(jié)合現(xiàn)行開發(fā)的基于840Dsl雙通道控制的汽車后橋端面銑加工組合機(jī)床系統(tǒng)，主要介紹帶有測量探頭的工件測量計算模型以及整個系統(tǒng)的軟件控制實現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)。

汽車后橋；840Dsl；調(diào)整補(bǔ)償；HMI二次界面

0 引言

目前，國內(nèi)汽車后橋兩側(cè)端面銑削加工大部分采用位置固定式加工方式，這種加工方式下，銑削刀具位置是固定不變的，而待加工工件都是焊接生產(chǎn)[1]，這就決定了待加工工件本身尺寸都是存在較大的離散性，采用這種位置固定式的加工方式，雖然保證了工件整體尺寸的精度，但是不能保證工件端部厚度尺寸的合格率，使得機(jī)床對不同尺寸工件自適應(yīng)能力低，端部厚度尺寸加工合格率低。

針對實際生產(chǎn)中后橋兩側(cè)端面銑削加工采用固定位置工作方式中存在的端部法蘭盤厚度加工合格率低，對工件尺寸離散性自適應(yīng)能力低的缺陷，我們提出在銑削刀具側(cè)增加直線測量探頭，用以檢測待加工工件的原始尺寸，反饋給控制器，由控制算法計算出當(dāng)前待加工工件理論銑削深度，按照工藝要求計算出實際銑削加工的位置，實現(xiàn)工件的測量反饋加工，極大地提高了機(jī)床對焊機(jī)工件的自適應(yīng)能力以及工件端部法蘭盤厚度加工的合格率。

1 工件的安裝和定位

新型汽車后橋臥式雙面數(shù)控銑專用機(jī)床，機(jī)床整體防護(hù)安裝在整體鑄造的床身上，左右兩個下滑臺安裝在整體鑄造床身上，夾具墊塊安裝在整體鑄造床身上，機(jī)床中間固定安裝一套液壓夾具，臥式裝夾一個后橋工件，采用液壓夾緊和氣動夾緊，機(jī)床兩側(cè)銑平面為專用銑刀盤，左右各布置兩個個數(shù)控移動工作臺，自動直線測量探頭安裝在主軸內(nèi)側(cè)，測量時由氣動推桿退出測頭進(jìn)行測量，測量完畢測頭縮回。本專用機(jī)床外形美觀、結(jié)構(gòu)緊湊、自動化程度高、加工效率高。機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 汽車后橋端面銑削專用機(jī)床結(jié)構(gòu)

加工工件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，工件的尺寸是基于工件的定位點測量得到的數(shù)據(jù)。

圖2 工件結(jié)構(gòu)示意圖

將一個已加工后的合格工件做三維坐標(biāo)檢測，得到該工件的尺寸數(shù)據(jù)。并且將此工件作為參考工件，對機(jī)床測量探頭測量數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)換標(biāo)定，建立測量探頭數(shù)據(jù)和三坐標(biāo)測量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)測頭數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以工件定位點為基準(zhǔn)測得的工件尺寸數(shù)據(jù)。工件測量示意圖如圖3所示，可得測量探頭的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工件尺寸的計算公式(1)。

Lmeas=Lref+(Mref-Mp)

(1)

其中：

Lmeas—表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到的待加工工件的定位點到端面的尺寸；

Lref—表示參考工件的在三維坐標(biāo)下測得的定位點到端面的尺寸；

Mref—表示測量探頭在測量點處測得的參考工件端面的實測數(shù)據(jù)；

Mp—表示測量探頭在測量點處測得的待加工工件端面的實測數(shù)據(jù)。

圖3 工件尺寸計算示意圖

圖4所示為參考工件在進(jìn)給Z軸坐標(biāo)上的絕對機(jī)床坐標(biāo)位置示意圖。工件端面在進(jìn)給Z軸上的絕對機(jī)床坐標(biāo)位置也隨著待加工工件尺寸變化，其計算公式(2)如下所示

Zstartmill=Zrefmill-(Mref-Mref′)-(Mref′-Mp)

=Zrefmill-(Mref-Mp)

(2)

其中：

Zstartmill—表示待加工工件的端面在進(jìn)給Z軸坐標(biāo)上的絕對機(jī)床坐標(biāo)位置；

Zrefmill—表示參考工件的端面在進(jìn)給Z軸坐標(biāo)上的絕對機(jī)床坐標(biāo)位置；

Mref—表示測量探頭在測量點處測得的參考工件端面的實測數(shù)據(jù)；

Mref′—表示測量探頭在測量點處測得的參考工件沒有銑加工前的端面的實測數(shù)據(jù)；

Mp—表示測量探頭在測量點處測得的待加工工件端面的實測數(shù)據(jù)；

由此可以得到待加工工件端部理論銑削深度計算公式(3)如下所示：

ΔLmill=Lmeas-Lset=Lref+(Mref-Mp)-Lset

=(Lref-Lset)+(Mref-Mp)

(3)

其中：

ΔLmill—表示待加工工件端部理論計算得到的銑削深度；

Lset—表示標(biāo)準(zhǔn)合格工件在三維坐標(biāo)下測得的定位點到端面的尺寸；

圖4 參考工件加工坐標(biāo)位置示意圖

待加工工件是由不同部件焊接聯(lián)合而成，焊接工藝決定了工件尺寸存在離散性，即工件兩端焊接的部件在測量時，計算得到的理論銑削深度ΔLmill存在一個范圍。當(dāng)該值超出合理范圍，判別待加工工件焊接不合格，對于判定焊接合格的待加工工件，需要考慮理論銑削深度ΔLmill較大時，端部強(qiáng)度減弱，而ΔLmill較小時，工件端部存在不能完全加工到位。綜合考慮以上因素，在加工中設(shè)定一個微小加工調(diào)整量Zadj，其是由工件尺寸精度和強(qiáng)度因素影響決定。

待加工工件在進(jìn)給Z軸坐標(biāo)上的最終加工時的絕對機(jī)床坐標(biāo)位置計算公式(4)如下所示：

Zmillpos=Zstartmill+ΔLmill+Zadj

=Zrefmill-(Mref-Mp)+(Lref-Lset)+(Mref-Mp)+Zadj

=Zrefmill+(Lref-Lset)+Zadj

(4)

其中：

Zmillpos—表示待加工工件在進(jìn)給Z軸坐標(biāo)上的最終加工時的絕對機(jī)床坐標(biāo)位置；

ΔLmill—表示待加工工件端部銑削深度理論計算值；

Zadj—表示綜合考慮加工尺寸精度和端面強(qiáng)度以及工件端部焊接角度因素得到的數(shù)據(jù)；

從上述得出的待加工工件在進(jìn)給Z軸坐標(biāo)上的最終加工時的絕對機(jī)床坐標(biāo)位置公式(4)中可以得知，對于參考工件，其Zrefmill和Lref是確定值，而Lset也是確定值，因此待加工工件的加工位置是一個固定位置加上一個Zadj調(diào)整量補(bǔ)償值。

2 機(jī)床控制系統(tǒng)組成

整個機(jī)床控制系統(tǒng)采用西門子840Dsl[2]數(shù)控系統(tǒng)，其以NCU數(shù)控單元作為整個系統(tǒng)的控制核心。系統(tǒng)配置獨立的智能可回饋電SLM電源模塊，主軸功率驅(qū)動模塊，雙軸進(jìn)給功率驅(qū)動模塊，人機(jī)界面用PCU單元和MCP操作面板，分布式遠(yuǎn)程IO模塊，直線測量模塊以及氣閥集中控制模塊。整個控制系統(tǒng)由3層網(wǎng)絡(luò)DriveCLiQ[3]，Ethernet和Profibus-DP連接構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。系統(tǒng)的邏輯控制功能，諸如液壓系統(tǒng)控制、氣動系統(tǒng)控制、排屑等輔助設(shè)備由系統(tǒng)內(nèi)部的PLC-317-2DP[4]可編程邏輯控制器實現(xiàn)。

機(jī)床的加工要求左右兩側(cè)加工互不干擾，可以獨立也可以協(xié)同加工，因此數(shù)控系統(tǒng)必須配置雙通道控制功能，每個通道控制機(jī)床一側(cè)的進(jìn)給軸以及主軸運動。

圖5 機(jī)床控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為三部分：HMI二次人機(jī)界面設(shè)計、S7-300PLC的邏輯程序設(shè)計、NC加工程序設(shè)計。三部分程序通過840Dsl數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部CP通信處理單元實現(xiàn)相互之間數(shù)據(jù)交換，完成三部分軟件協(xié)同對整個控制系統(tǒng)的動作控制。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接示意圖

3.1 HMI二次人機(jī)界面設(shè)計[5-6]

HMI二次人機(jī)界面是面向機(jī)床實際操作人員的，在數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)的機(jī)床操作專用界面，因此HMI專用人機(jī)界面顯得尤為重要。在人機(jī)界面中配置Wincc Flexible與SINUMERRIK PLC以及SINUMERRIK NC連接，實現(xiàn)HMI與NC系統(tǒng)變量和PLC變量數(shù)據(jù)連接。在加工程序中采用GUD變量參數(shù)化編程，在HMI人機(jī)界面中設(shè)置GUD變量參數(shù)，需要建立userdatabase.ddb用戶變量數(shù)據(jù)庫文件，建立Wincc Flexible和系統(tǒng)GUD數(shù)據(jù)變量之間的數(shù)據(jù)連接。系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接如圖6所示。

3.2 PLC邏輯程序設(shè)計

PLC程序是基于西門子的軟件開發(fā)環(huán)境Step7設(shè)計完成的。機(jī)床的系統(tǒng)設(shè)計中，直線測量模塊測量數(shù)據(jù)通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)傳送給PLC，PLC按照工件的計算模型實時得出各個測量點測量尺寸，并將該計算得到的測量尺寸通過SINUMERIK PLC連接將數(shù)據(jù)傳送給HMI專用人機(jī)界面顯示給操作人員當(dāng)前的工件狀況。同時還需要將該測量尺寸數(shù)據(jù)發(fā)送給NC系統(tǒng)中的GUD全局用戶變量，用于NC中加工算法使用計算出調(diào)整補(bǔ)償量。而PLC與NC數(shù)控系統(tǒng)之間的GUD數(shù)據(jù)傳送[7-9]必須通過專用通訊功能函數(shù)FB5和FB3來實現(xiàn)的，其代碼實現(xiàn)如下：

CALL"GETGUD","FB5_Read_GUD_L11"

Req:=#read_start//功能塊使能信號，上升沿有效

Addr:=#String_Value_L11//讀取的GUD變量字符串名稱

Area:=B#16#0//讀取的GUD變量所在區(qū)域

Unit:=B#16#1//讀取的GUD變量所在單元

CnvtToken:=TRUE//是否將GUD地址轉(zhuǎn)換為10字節(jié)的NC地址

VarToken:="PLC_WR_GUD".Value_Ptr_L11_FB5//存放該GUD變量所在NC中地址

Error:=#Error_Value_L11_FB5//存放讀GUD過程的錯誤標(biāo)志

Done:=#Done_Value_L11_FB5//存放讀GUD過程的完成標(biāo)志

State:=#FB5_Error_Code//存放讀GUD過程的狀態(tài)標(biāo)志

RD:=#Measr_L11//存放讀取的GUD變量數(shù)據(jù)

CALL"PUT","DB_FB3_Write_GUD_L"

Req:=#write_start//功能塊使能信號，上升沿有效

NumVar:=7

Addr1:="PLC_WR_GUD".Value_Ptr_L11_FB5//要寫的GUD變量地址

Error:=#Error_Value_1_FB3//存放寫GUD過程的錯誤標(biāo)志

Done:=#Done_Value_1_FB3//存放寫GUD過程完成標(biāo)志

State:=#FB3_Error_Code//存放寫GUD過程狀態(tài)標(biāo)志

SD1:="DB_MeasureData".NC_use_11_L_Real//要寫的GUD變量的數(shù)值

測量數(shù)據(jù)是整個控制系統(tǒng)的重要的數(shù)據(jù)，對于在讀寫GUD變量時出現(xiàn)Error錯誤標(biāo)志，程序設(shè)計中不可忽略，必須通過PLC和NC之間的數(shù)據(jù)接口，禁止NC的繼續(xù)執(zhí)行，并發(fā)出用戶報警信息。對于在Profibus-DP總線通訊中出現(xiàn)故障時[10]，必須處理通訊故障模塊OB82,OB86,OB122，保證即使網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障，PLC仍然處于運行狀態(tài)，避免PLC進(jìn)入stop狀態(tài)。

3.3 NC加工程序設(shè)計

汽車后橋端面銑專用機(jī)床在加工過程中，通過直線測量模塊檢測待加工工件的實際尺寸數(shù)據(jù)，計算與設(shè)定尺寸的偏差，通過計算得到的偏差值獲取加工調(diào)整補(bǔ)償量，機(jī)床根據(jù)該調(diào)整補(bǔ)償量加工工件。

圖7 測量加工控制流程原理圖

從公式4中可以看到，整個機(jī)床加工的最重要部分就是計算加工調(diào)整補(bǔ)償量Zadj。在整個測量加工控制系統(tǒng)中，調(diào)整補(bǔ)償量具有非線性，其與工件的理論銑削深度，工件加工端面的角度以及工件設(shè)計尺寸公差密切相關(guān)，具有多因素耦合，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜的特點，因此建立實際計算公式計算調(diào)整補(bǔ)償量并不可取。在實際加工中，采用生產(chǎn)經(jīng)驗數(shù)據(jù)查表法來獲取加工調(diào)整補(bǔ)償量。機(jī)床整體的測量控制流程圖如圖7所示。在圖7所示的測量加工控制流程示意圖中的虛線框中所示為獲取加工調(diào)整補(bǔ)償量Zadj的流程，其具體的程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖8所示：

圖8 測量控制算法程序流程圖

4 加工結(jié)果分析

汽車后橋端面銑機(jī)床的具體實現(xiàn)如圖9所示。在實際加工測試中，隨機(jī)選取了75個待加工工件進(jìn)行加工測試，采用調(diào)整補(bǔ)償實現(xiàn)全部測試工件的合格加工。選取其中代表性的5個工件的測量數(shù)據(jù)和算法計算的實際調(diào)整補(bǔ)償量數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 實際工件加工前后測量數(shù)據(jù)表

工件測試加工中，對于種類5和種類2，兩側(cè)理論的銑削深度在合法銑削深度[0.65,1.95]區(qū)間范圍內(nèi)，用普通的不帶測量反饋的機(jī)床加工也是能夠合格的，占試件總數(shù)78.7%，種類1，3和4，兩側(cè)理論銑削深度中至少有一側(cè)超出合法銑削深度區(qū)間，此時若使用不帶測量反饋機(jī)床加工只能保證工件兩側(cè)法蘭盤相對于定位點的尺寸合格，但是法蘭盤厚度小于最小厚度，工件加工不合格，該類型試件占總數(shù)的21.3%。

對于種類1,3和4類型工件，從表1中工件加工后的尺寸數(shù)據(jù)和端部厚度的測量數(shù)據(jù)，可以得知，工件在經(jīng)過設(shè)計好的測量加工控制流程加工后，工件的尺寸數(shù)據(jù)是在工件設(shè)計公差±0.8范圍內(nèi)的，并且工件的端部厚度也是滿足設(shè)計的最小厚度5mm的設(shè)計要求的，實現(xiàn)對該類型工件的合格加工，相比于普通機(jī)床，工件合格率提高21.3%。

圖9 汽車后橋端面銑機(jī)床實物圖

表1中的數(shù)據(jù)顯示出，在計算出的端部理論銑削深度較大或是較小時，通過調(diào)整補(bǔ)償量很好的控制了銑削深度過大而端部厚度強(qiáng)度不足，銑削深度過小而端部不能完整加工到位的情況，實現(xiàn)了機(jī)床對焊接工件尺寸分散性的極大適應(yīng)性，很好的提高了工件加工的合格率。

5 結(jié)束語

針對當(dāng)前汽車后橋兩側(cè)端面銑削加工方式對焊接工件尺寸分散性適應(yīng)能力低和加工合格率低的狀況，提出的基于840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的汽車后橋端面銑加工組合機(jī)床雙通道控制系統(tǒng)，設(shè)計可靠性高，對工件分散性具有極好的自適應(yīng)能力，加工合格率得到了很大的提高。同時在840Dsl系統(tǒng)中嵌入HMI二次人機(jī)界面，顯示整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)和機(jī)床專用操作界面，極大地提高了設(shè)備操作人員與設(shè)備的交互性和可操作性，便于維護(hù)人員對自動線設(shè)備的維護(hù)。參數(shù)化的編程方式很好的提高了程序的通用性和維護(hù)性。目前，該系統(tǒng)已在相關(guān)企業(yè)實際投入使用，加工效果和客戶反映較好。

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(編輯 李秀敏)

Design and Realization of the Automobile Rear Axle Milling Machine Based on 840Dsl

WU Dong-chun1，CUI Hai-bin2，SUN Qi-lin2,MA Jun-qing3

(1. School of Electrical Engineering,Yancheng Institute of Technology ,Yancheng Jiangsu 224051,China；2. Jiangsu Gaojing Mechanical&Electrical Equipment Co.Ltd, Yancheng Jiangsu 224053,China)

Presently, the production of automobile rear axle flange milling process mostly used fixed manufacturing position, which method has high requirements on the workpiece welding process, low adaptive capacity, low processing qualified rate and other issues. Siemens 840D solution line dual-channel control system is adapted in the system, in which the straight-line measurement probe is used as the important component, by which the actual milling position compensation parameters is calculated. The adaptive capacity and the manufacture passing rate has been greatly enhanced. The operation and maintenance of the machine functions has been simplified by the ways of developing HMI and the NC process program with the user defined parameters. This paper mainly introduces the module of the workpiece measurement and calculation and the method of the system control realizing in the system.

automobile rear axle;840Dsl; adjustment compensation; developing HMI

1001-2265(2014)07-0053-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.015

2014-03-07；

2014-04-11

吳冬春(1975—)，男，江蘇鹽城人，鹽城工學(xué)院講師，碩士，主要研究領(lǐng)域為逆變焊機(jī)、電力電子及其自動化等,(E-mail)wudc1975@163.com。

TH16；TG65

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