雙旋輪普通臥式旋壓機(jī)數(shù)控化改造關(guān)鍵技術(shù)研究

孫晉美，張霞，張興波

(青島理工大學(xué)琴島學(xué)院，山東青島 260016)

相對于普通旋壓機(jī)，數(shù)控旋壓機(jī)具有勞動(dòng)強(qiáng)度小、生產(chǎn)效率高、控制水平先進(jìn)、加工能力強(qiáng)、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。對普通旋壓機(jī)進(jìn)行數(shù)控化改造已成為必然的趨勢。一臺(tái)完整的數(shù)控旋壓機(jī)包括由微機(jī)控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、由機(jī)械部分組成的執(zhí)行系統(tǒng)以及使兩者聯(lián)系的伺服系統(tǒng)三部分。雙旋輪普通臥式旋壓機(jī)數(shù)控化改造重點(diǎn)主要包括機(jī)械改造和數(shù)控及進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。此次雙旋輪臥式旋壓機(jī)的數(shù)控改造并不依據(jù)具體的旋壓工藝，而是力求通過合理的機(jī)械改造和采用先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)將其改造為高通用性、高效率、控制精度和自動(dòng)化程度都較高的萬能旋壓機(jī)床。

1 數(shù)控系統(tǒng)的選型

改造后的萬能旋壓機(jī)將既可以進(jìn)行普旋加工，實(shí)現(xiàn)單輪單獨(dú)工作;又可以進(jìn)行強(qiáng)旋加工，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)旋輪同步工作，旋壓出錐形、筒形、曲母線形及葫蘆形等特殊形狀的零件;橫向重復(fù)定位精度為±0.005 mm，縱向重復(fù)定位精度為±0.01 mm，主軸端面跳動(dòng)不大于0.02 mm，主軸徑向跳動(dòng)不大于0.03 mm，縱向?qū)к壷本€度不大于0.03mm (全長)。對數(shù)控系統(tǒng)的基本要求為:CNC 可同時(shí)控制5 個(gè)軸(2 個(gè)進(jìn)給軸X，2 個(gè)進(jìn)給軸Z，1 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸C);PLC 可處理I/O為1 024/1 024 個(gè)以上;用戶程序存儲(chǔ)容量要求在256 kB 以上;CNC 系統(tǒng)必須有較快的運(yùn)算速度，以滿足X-Z 軸聯(lián)動(dòng)的實(shí)時(shí)計(jì)算，要求至少32 位CPU。

西門子SINUMERIK 840D 是西門子公司推出的高性能數(shù)控系統(tǒng)，具有良好的開放性，整個(gè)系統(tǒng)分成NCU、MMC、PLC 三部分，各自具有獨(dú)立的CPU 單元［1］:MMC CPU 與PC 兼容可提供8～16 MB 內(nèi)存空間并具有1GB 硬盤供用戶使用，其運(yùn)行于Windows環(huán)境下的系統(tǒng)軟件允許用戶方便添加自己的操作界面或新功能;NCU CPU 鏈接數(shù)字伺服SIMODRI VE611-D，最多可同時(shí)控制31 根軸，控制精度可以達(dá)到0.001 mm，進(jìn)給速度范圍0.01～10 000 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速范圍0.1～99 000 r/min，進(jìn)給倍率0～120%，快速進(jìn)給倍率200%;PLC CPU 利用總線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，PLC 采用STEP 7 編程語言，分別具有128 個(gè)計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器，1 024 個(gè)標(biāo)志位，I/O 點(diǎn)采用模塊化結(jié)構(gòu)最多可擴(kuò)展至1 024/1 024。數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)在三部分內(nèi)分別獨(dú)立完成，通過三者的協(xié)同工作共同完成整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的控制功能。840D 與SIMODRIVE 611D 數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和SIMATIC S7 可編程控制器一起，構(gòu)成一個(gè)全數(shù)字控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)品質(zhì)和控制精度優(yōu)異。因此，選用西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)作為改造后萬能旋壓機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)。

2 旋壓機(jī)橫、縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

旋壓機(jī)旋壓加工過程中旋輪的運(yùn)動(dòng)由旋壓機(jī)橫、縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，旋壓機(jī)橫、縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)是數(shù)控改造的重點(diǎn)。目前主要有軸向柱塞馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)絲杠驅(qū)動(dòng)和推力油缸驅(qū)動(dòng)3 種方案來實(shí)現(xiàn)［2］。軸向柱塞馬達(dá)分為直軸式和斜軸式兩大類:直軸式低速穩(wěn)定性和換向靈敏性較好，但工作承受壓力小;斜軸式耐沖擊性和抗振性較好，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本高。推力油缸驅(qū)動(dòng)具有反應(yīng)靈敏、平穩(wěn)性好、功率大的特點(diǎn)，但由于液壓系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，使得旋壓加工過程中不可避免地產(chǎn)生彈性退讓，影響加工質(zhì)量。電機(jī)絲杠驅(qū)動(dòng)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，以較小的轉(zhuǎn)矩得到較大的推力，并且電機(jī)絲桿傳動(dòng)摩擦阻力小、傳動(dòng)效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、低速不爬行，故障率低、工作壽命長。隨著伺服電機(jī)的不斷發(fā)展和滾珠絲杠制造水平的不斷提高，電機(jī)絲杠驅(qū)動(dòng)控制精度更高、工作速度更快、動(dòng)態(tài)性能更好，越來越成為機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的首選。綜上考慮，旋壓機(jī)橫向進(jìn)給系統(tǒng)采用伺服電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)與滾珠絲杠相連，帶動(dòng)支撐旋輪的旋輪座作橫向運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給結(jié)構(gòu);采用伺服電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)與滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)相連帶動(dòng)旋輪作縱向進(jìn)給的縱向進(jìn)給結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明該方案結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)件數(shù)少，易于實(shí)現(xiàn)，如圖1 所示，如與螺距校正機(jī)構(gòu)和消隙機(jī)構(gòu)配合使用，還可實(shí)現(xiàn)精密位移的進(jìn)給。

圖1 機(jī)床橫、縱向進(jìn)給結(jié)構(gòu)示意圖

3 旋輪擺動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在旋壓機(jī)加工曲母線形、葫蘆形等特殊形狀零件時(shí)，旋輪在加工過程中要不斷改變工作角度，產(chǎn)生擺動(dòng)。

該擺動(dòng)具有來回?cái)[動(dòng)角度會(huì)隨道次的不同而變化，擺動(dòng)角度小于90°，擺動(dòng)起始位置不變、終端位置變化等特點(diǎn)。考慮采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)擺盤的時(shí)變往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如圖2 所示。

具體結(jié)構(gòu)是將旋輪裝置與蝸輪固連，并使旋輪的頂點(diǎn)位于蝸輪的中心，伺服電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)與蝸桿相連，渦輪為從動(dòng)件。在擺動(dòng)的過程中，CNC 裝置能夠更好地控制旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以實(shí)現(xiàn)不同旋壓工藝要求的旋輪角度的改變，而旋輪頂點(diǎn)的位置卻不改變。該結(jié)構(gòu)可以使控制系統(tǒng)根據(jù)反饋回來的CNC信號嚴(yán)格控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)量來實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)角度的精確控制。

圖2 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

4 旋輪同步運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

旋壓機(jī)根據(jù)實(shí)際加工需要，有時(shí)只有一個(gè)旋輪投入工作;有時(shí)則需要兩個(gè)旋輪同步工作，不僅要速度同步還要位置同步。這可以通過西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)的MCS Coupling 功能來實(shí)現(xiàn)。MCS Coupling 功能即機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能，此功能可使同一機(jī)床上兩個(gè)或兩個(gè)以上的相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)相同的運(yùn)動(dòng)部件同步運(yùn)動(dòng)，通過誤差跟隨、檢測和補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)部件之間的位置和速度同步。具體方法:(1)在每一組運(yùn)動(dòng)部件上建立相互獨(dú)立的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸稱為耦合軸，可通過機(jī)床數(shù)據(jù)(Axis Machine Data)MD63540 定義坐標(biāo)軸，同一坐標(biāo)系的耦合軸不能耦合;(2)設(shè)置主動(dòng)軸和從動(dòng)軸，主動(dòng)軸可以有多個(gè)從動(dòng)軸，耦合軸性質(zhì)須相同，轉(zhuǎn)換軸不能作耦合軸;(3)設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)耦合軸耦合時(shí)的速度方向，速度方向可以相同(1∶1)也可以相反(1∶-1)，根據(jù)工作需要確定;(4)根據(jù)耦合、去耦合指令編寫程序。具體格式如下:

需同步工作時(shí)，可令一個(gè)旋輪的橫、縱向進(jìn)給為主動(dòng)軸，另一個(gè)旋輪的橫、縱向進(jìn)給作從動(dòng)軸，設(shè)主動(dòng)軸分別為PMaster1=X，PMaster2=Z，從動(dòng)軸分別為Pslave1=X1，Pslave2=Z1?？勺鞒绦?

5 旋壓機(jī)人機(jī)界面的二次開發(fā)

改造后的數(shù)控旋壓機(jī)可以用西門子840D 系統(tǒng)提供的通用人機(jī)界面功能實(shí)現(xiàn)加工、編程、設(shè)置、監(jiān)控和診斷等操作，也可根據(jù)實(shí)際需要對人機(jī)界面進(jìn)行二次開發(fā)。西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)提供了3 種用于開發(fā)人機(jī)界面的方法［3］:使用Toolbox 和擴(kuò)展用戶接口，使用專業(yè)組態(tài)軟件WinCC Flexible，利用HMI 編程包和OEM 軟件開發(fā)包。3 種方法特點(diǎn)如表1 所示。

表1 3 種界面開發(fā)方法特點(diǎn)比較

下面通過HMI 編程包和OEM 軟件開發(fā)包詳細(xì)介紹HMI 二次開發(fā)過程:(1)根據(jù)旋壓機(jī)實(shí)際工作需要，繪制旋壓機(jī)HMI 總體框圖。(2)在VB 環(huán)境下進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以菜單作為界面的區(qū)分單位，以窗體作為界面的構(gòu)成單位。為便于程序的引用和調(diào)用，應(yīng)按照窗體的序列來設(shè)置屬性。為使界面設(shè)計(jì)簡潔實(shí)用，應(yīng)充分利用VB 的各種控件，可使用幀控件將控件分組以進(jìn)一步分割窗體;設(shè)計(jì)時(shí)首先設(shè)計(jì)幀控件，然后再設(shè)計(jì)幀內(nèi)控件。(3)利用VC ++創(chuàng)建動(dòng)態(tài)鏈接庫。機(jī)床操作界面內(nèi)所有文本內(nèi)容不是在VB 環(huán)境下寫入的，而是通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫鏈接進(jìn)來的。動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)是用作共享函數(shù)庫的可執(zhí)行文件。DLL 中的代碼在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)加載，可允許幾個(gè)不同的進(jìn)程同時(shí)共享DLL。但DLL 文件不能單獨(dú)運(yùn)行，而只能被其他程序調(diào)用。在創(chuàng)建DLL 時(shí)前應(yīng)先創(chuàng)建一個(gè)RC 源文件，RC 文件中的文本應(yīng)與軟鍵標(biāo)簽、對話框等控件一一對應(yīng)。除此之外，在開發(fā)DLL 時(shí)，還應(yīng)先創(chuàng)建一個(gè)EXE 應(yīng)用程序作為主工程 (Project)，再創(chuàng)建一個(gè)DLL 作為主工程的子工程(Subproject)，最終通過主工程調(diào)用DLL。(4)將設(shè)計(jì)好的操作界面嵌入到西門子840D 系統(tǒng)。借助OEM 開發(fā)包，用VB、VC ++編程調(diào)用西門子840D 系統(tǒng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)操作界面和控制函數(shù)的嵌入。最后，利用NCDDE 服務(wù)器提供的DDE 鏈接實(shí)現(xiàn)HMI 信息與數(shù)控系統(tǒng)變量和數(shù)據(jù)的傳遞，如圖3 所示，便得到了真正意義上的操作系統(tǒng)。

圖3 HMI 與840D 通信示意圖

6 結(jié)束語

數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控裝置的選取和設(shè)計(jì)是機(jī)床數(shù)控化改造的核心，但不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控改造的要求，還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)械和電氣改造才能獲得預(yù)期的目的。文中結(jié)合工作實(shí)踐，論述了兩旋輪普通臥式旋壓機(jī)數(shù)控改造過程中的幾個(gè)關(guān)鍵問題，包括數(shù)控系統(tǒng)的選型、旋輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及基于西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)的兩旋輪同步工作控制和HMI 的二次開發(fā)技術(shù)。對普通旋壓機(jī)的數(shù)控化改造問題具有一定的參考價(jià)值。

［1］SIEMENS.SINUMERIK 840D/840Di/810D 操作部件手冊［M］，2002.

［2］李佳，數(shù)控機(jī)床及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

［3］邴旭，化春雷，李焱，等，西門子數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面二次開發(fā)方法研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2011(10):163 -167.

［4］李猛，弋景剛，王家忠.機(jī)床數(shù)控化改造的主要模式和關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(14):37 -40.

［5］黃木清，李向軍.西門子802C 數(shù)控系統(tǒng)在軸承外溝磨床數(shù)控化改造中的應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013(5):119 -121.

［6］歐長勁，彭寬棟，洪尉尉.數(shù)控旋壓機(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)電工程，2012(11):1239 -1258.

［7］李亦楠，侯豐巖，王大力，等.西門子系統(tǒng)在三輪旋壓機(jī)同步控制中的應(yīng)用［J］.電工技術(shù)，2011(6):44 -45.

［8］戴正陽.基于PLC 的西門子840D 系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床故障診斷分析［J］.電子測試，2013(14):94 -95.