基于PMAC和LabVIEW的環(huán)狀零件滾壓加工設(shè)備研制

基于PMAC和LabVIEW的環(huán)狀零件滾壓加工設(shè)備研制*

侯耀宗1，姚振強(qiáng)1，梁鑫光2

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240；2.上海航天設(shè)備制造總廠,上海200245)

摘要：航天閥門是運載火箭壓力輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其可靠性的高低將直接影響火箭發(fā)射的成敗以及相關(guān)人員、設(shè)備的安全，因此閥門密封結(jié)構(gòu)的品質(zhì)對于火箭的安全發(fā)射極為關(guān)鍵。目前，航天閥門密封結(jié)構(gòu)件的塑性變形滾壓成型時在普通車床上通過配備定制滾壓刀具的方式完成的。由于加工是人工手動進(jìn)給，因此不能保證生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)效率。文章設(shè)計并研制了滾壓加工的自動化設(shè)備，應(yīng)用PMAC運動控制卡為核心，結(jié)合LabVIEW完成了加工平臺的數(shù)控系統(tǒng)的編寫，并進(jìn)行了控制系統(tǒng)PID參數(shù)調(diào)節(jié)和傳感器的標(biāo)定。應(yīng)用該滾壓加工平臺進(jìn)行試驗加工表明，該加工平臺能夠?qū)崿F(xiàn)恒速進(jìn)給、恒扭矩進(jìn)給的加工功能，并且能夠完成密封結(jié)構(gòu)件的滾壓加工，加工后的零件經(jīng)過檢驗?zāi)軌驖M足密封要求。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；環(huán)狀零件；滾壓加工；PMAC運動控制卡

文章編號：1001-2265(2015)09-0102-05

收稿日期：2014-12-29

基金項目：*上海市自然基金課題資助(14ZR1420600);航天先進(jìn)技術(shù)聯(lián)合研究中心技術(shù)創(chuàng)新項目資助(USCAST2013-12)

作者簡介：侯耀宗(1992—)，男，河北邢臺人，上海交通大學(xué)碩士研究生，研究方向為滾壓加工工藝優(yōu)化與專機(jī)研制，(E-mail)hyz200926@yeah.net。

中圖分類號：TH69；TG506

Reseach on PMAC-LabVIEW-Based Processing Equipment for Ring-Parts Rolling Processing

HOU Yao-zong1, YAO Zhen-qiang1, LIANG Xin-guang2

(1.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China；2.Shanghai Aerospace Equipment Manufacturing General Factory, Shanghai 200245, China)

Abstract：Aerospace rocket valve is a key component of the pressure delivery system, its reliability will directly affect the safety of the success of the rocket launch and related personnel, equipment, and therefore the quality of the valve seal structure is critical for the safety of launching rockets. Currently, theroll forming process of sealing partiscompleted by lathe tool with customized tools. Because the process is manually feed, and therefore it can not guarantee the tact and productivity.Designed and developed In this paper, the rolling process automation equipment had been completed, and the control system was been designed by PMAC and LabVIEW. Then the PID parameters of control system were set and the sensors were calibrated. Finally, the seal part rolling finished in the equipment, which indicated this equipment can produce the seal part with the constant feeding rate or the constant torque method, and the quality of sealpart satisfied the design.

Key words： LabVIEW software;ring sealing part;rolling process;PMAC control card

0引言

航天閥門是運載火箭壓力輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其可靠性的高低將直接影響火箭發(fā)射的成敗以及相關(guān)人員、設(shè)備的安全，因此閥門密封結(jié)構(gòu)的品質(zhì)對于火箭的安全發(fā)射極為關(guān)鍵。目前，航天閥門密封結(jié)構(gòu)件的塑性變形滾壓成型是在普通車床上通過配備定制滾壓刀具的方式進(jìn)行加工，依靠工人手動調(diào)節(jié)進(jìn)行滾壓加工，在批量生產(chǎn)中不能保證生產(chǎn)節(jié)拍和產(chǎn)品的一致性，因此，需要研制自動化的環(huán)狀結(jié)構(gòu)件滾壓加工專用設(shè)備。

由于環(huán)狀零件滾壓加工工藝的特殊性，使其適合以現(xiàn)有加工設(shè)備為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)控化改造來達(dá)到工藝的要求。文獻(xiàn)[1]中以PMAC運動控制卡為基礎(chǔ)研制了一套適合柔性制孔的專用設(shè)備，通過PMAC來實現(xiàn)對多軸聯(lián)動的控制，系統(tǒng)人機(jī)界面采用VB進(jìn)行編寫，文獻(xiàn)[2]中利用PMAC構(gòu)建NC嵌入到PC中，實現(xiàn)了龍門鉆床的多軸控制，文獻(xiàn)[3]中詳細(xì)說明了PID參數(shù)在PMAC控制中的作用，并指出通過調(diào)整PID參數(shù)可以使系統(tǒng)獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)品質(zhì)，文獻(xiàn)[4]中將PMAC應(yīng)用于組合機(jī)床，使得其得到了極大的擴(kuò)展性，并且提高了加工質(zhì)量。上述文獻(xiàn)中采用的控制系統(tǒng)設(shè)計方法和思路為滾壓加工平臺的研制提供了指導(dǎo)和參考。

本文針對航天閥門密封結(jié)構(gòu)件滾壓加工的特點和工藝要求，基于伺服電機(jī)、PMAC運動控制卡以及LabVIEW軟件，對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，并研制開發(fā)了一套專用滾壓加工數(shù)控系統(tǒng)，介紹了其硬件組成和功能特點，闡述了密封結(jié)構(gòu)件滾壓平臺控制系統(tǒng)的建立方法以及硬件參數(shù)標(biāo)定實驗；最后的工藝試驗說明了滾壓設(shè)備能夠滿足設(shè)計要求。

1滾壓加工設(shè)備組成

1.1滾壓加工設(shè)備及特點

航天閥門密封結(jié)構(gòu)件的構(gòu)成如圖1所示，通過滾壓加工使得密封結(jié)構(gòu)件變形并抱緊塑料環(huán)，達(dá)到密封的效果。

圖1　航天閥門密封件滾壓成型示意圖

現(xiàn)有加工方式是在普通車床上(如圖2a)通過配備特定的滾壓刀具(如圖2b)進(jìn)行加工，在加工時依靠操作員手動進(jìn)給，滾壓力大小不均勻，加工質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)拍不能得到保證。為提高零件的生產(chǎn)加工質(zhì)量，保證其密封的可靠性，有必要研制專用于密封結(jié)構(gòu)件加工的滾壓專機(jī)。

(a)滾壓加工設(shè)備

(b)滾壓加工刀具

1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和組成

滾壓加工設(shè)備是在一臺CA6150普通車床上進(jìn)行的數(shù)控化改造，為了滿足航天閥門密封件滾壓加工的工藝要求，將普通車床的y向進(jìn)給軸改為數(shù)控控制，盡可能的提高滾壓加工的精度、剛度，以提高滾壓件的加工質(zhì)量。改裝之后加工平臺的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。改造之后滾壓加工的進(jìn)給依靠伺服電機(jī)動作，提高了控制精度，扭矩傳感器作為扭矩控制環(huán)的閉環(huán)傳感器；并且將原來的滑動絲杠改為兩端固定的滾珠絲杠，提高了系統(tǒng)剛度和加工精度。

圖3　環(huán)狀密封結(jié)構(gòu)件滾壓加工平臺

1.3伺服結(jié)構(gòu)設(shè)計

航天閥門密封結(jié)構(gòu)件的滾壓加工平臺所使用的伺服方案為：將PMAC運動控制卡作為下位機(jī)負(fù)責(zé)對伺服電機(jī)的控制，PC機(jī)作為控制系統(tǒng)的上位機(jī)，伺服電機(jī)的驅(qū)動器為日本松下公司的MDDKT3530，伺服電機(jī)為松下的高扭矩系列MDME102GCUM，能夠滿足滾壓加工中所需要的低轉(zhuǎn)速下的高扭矩要求。

2數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

2.1整體設(shè)計方案

系統(tǒng)所應(yīng)用的PMAC運動控制卡為TurboPMAC2 PCI板卡、DTC-28B數(shù)模轉(zhuǎn)換卡、DTC-8B軸接口卡，應(yīng)用這些硬件便可以實現(xiàn)PMAC和伺服控制器的硬件連接。

本文利用LabVIEW2012作為航天閥門密封結(jié)構(gòu)件滾壓加工平臺控制系統(tǒng)的開發(fā)工具，并且應(yīng)用泰道公司編寫的PComm32.dll文件作為上位機(jī)和PMAC之間進(jìn)行軟件通訊的橋梁。在滾壓加工設(shè)備運行時，PMAC卡跟上位機(jī)之間的硬件接口是RS232并口轉(zhuǎn)USB串口線。圖4為加工平臺的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4　加工平臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2上位機(jī)與PMAC的通訊功能實現(xiàn)

控制系統(tǒng)的軟件是應(yīng)用LabVIEW2012作為開發(fā)工具，充分利用PMAC的動態(tài)鏈接庫的相應(yīng)函數(shù)，實現(xiàn)人機(jī)界面的各種操作功能。在LabVIEW中是以“調(diào)用函數(shù)庫結(jié)點”來實現(xiàn)的庫函數(shù)的使用，調(diào)用方式如圖5所示。模塊的左邊接線端是函數(shù)的輸入?yún)?shù)，右邊是函數(shù)的輸出返回值。雙擊結(jié)點模塊，便可以配置調(diào)用函數(shù)的各種屬性。

圖5　調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點模塊

2.3人機(jī)交互界面功能介紹

利用LabVIEW可以實現(xiàn)人機(jī)界面的各項功能。滾壓加工數(shù)控程序的人機(jī)界面如圖6所示，主要包括：手動模式模塊、恒速進(jìn)給模塊、恒力進(jìn)給模塊、急停按鈕、實時加工扭矩顯示、錯誤信息查詢等。下面將詳細(xì)介紹各個模塊的功能。

圖6　加工平臺控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面

(1)手動操作模塊

手動進(jìn)給模塊(如圖7所示)主要用于調(diào)節(jié)滾壓加工平臺的伺服電機(jī)，由選擇軸、輸入行程組成。加、減按鈕用來控制刀具平臺的進(jìn)給和后退，反轉(zhuǎn)行程和正轉(zhuǎn)行程用來控制每次后退和進(jìn)給的距離，由于只有一個軸是數(shù)控軸，因此選擇y軸便可以進(jìn)行控制。HOME鍵用來實現(xiàn)刀具臺的回零動作。

(2)恒速進(jìn)給模塊

應(yīng)用PMAC運動控制卡的速度閉環(huán)控制，可以實現(xiàn)滾壓加工的恒速度進(jìn)給，恒速度進(jìn)給加工控制模塊如圖8所示。其中手輪可以實現(xiàn)倍率調(diào)節(jié)，設(shè)定特定的滾壓進(jìn)給速度和刀具的行程，設(shè)定完畢之后滾壓加工平臺便可以在所設(shè)定的行程之內(nèi)按照特定的加工速度和進(jìn)給倍率進(jìn)行滾壓加工。

(3)恒扭矩加工模塊

安裝扭矩傳感器后，可以實現(xiàn)自動控制加工如圖9所示。根據(jù)滾壓加工工藝的理論指導(dǎo)，可以設(shè)定滾壓加工時的滾壓力大小，以及在滾壓加工中所允許的加工力的誤差。同時可以設(shè)定加工力的上限和下限，當(dāng)滾壓加工力超過所設(shè)定的上限或者下限的時候右邊的綠燈將會變成紅燈警告；同樣可以設(shè)置加工的伺服周期來調(diào)整生產(chǎn)的節(jié)拍。

圖7　手動操作模塊

圖8　恒速度進(jìn)給模塊

圖9　恒力加工模塊

圖10　實時扭矩監(jiān)控模塊

(4)實時扭矩/滾壓力監(jiān)控

在滾壓加工的時候，需要對滾壓時的扭矩和滾壓力進(jìn)行實時監(jiān)測。PMAC卡可以獲取加工的實時扭矩(如圖10所示)，并且利用LabVIEW可以將加工時的扭矩數(shù)值和扭矩峰值顯示在人機(jī)交互界面上；在連接三向測力儀的時候，實時的滾壓力也能通過數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

候珂等[30]使用IAT的反應(yīng)時指標(biāo)得到的內(nèi)部一致性系數(shù)最大為0.8.研究描述性統(tǒng)計部分發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)時作為考察指標(biāo)，可以分析順序效應(yīng)、內(nèi)隱效應(yīng)，在剔除測量誤差起到一定的作用.因此在此后的研究中可以嘗試增加反應(yīng)時指標(biāo)，用以輔助考察其信度和效度.

3數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定與調(diào)整

3.1PID控制參數(shù)設(shè)定

PMAC運動控制卡有兩種調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)的方式，即手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)。手動調(diào)節(jié)是應(yīng)用試湊法，繪制系統(tǒng)響應(yīng)曲線，根據(jù)先比例、后積分、再微分的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。手動調(diào)節(jié)適合所有的控制系統(tǒng)。對于剛度較大的系統(tǒng)，可以采用自動調(diào)節(jié)，由PMAC自身動作進(jìn)行調(diào)節(jié)，在航天閥門密封件滾壓加工平臺的調(diào)節(jié)中，由于系統(tǒng)的剛度能夠滿足自動調(diào)節(jié)的要求，因此采用自動調(diào)節(jié)的方式對系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定。

3.2扭矩傳感器靈敏度標(biāo)定

我們使用的傳感器在原來的基礎(chǔ)上更換了輸出模塊，輸出電壓由原來的0V~+10V改為-5V~+5V，為了傳感器的輸出精度，必須對傳感器再次進(jìn)行標(biāo)定，來獲得傳感器的輸出靈敏度。在加載試驗中，采取先從0Nm開始對傳感器進(jìn)行加載，每隔2Nm進(jìn)行電壓采集直到10Nm，然后再對傳感器進(jìn)行卸載，扭矩值依次降為0Nm，每隔2Nm采集卸載時的輸出電壓。反向的加載和卸載也按照上述方法進(jìn)行。通過實驗的測試，我們獲得了更改電壓輸出模塊之后的傳感器參數(shù)如下表1所示。

表1　扭矩傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)

我們應(yīng)用表1的數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行曲線擬合來獲得傳感器的靈敏度，擬合曲線如圖11所示。加載和卸載分別進(jìn)行擬合求出靈敏度之后求其平均值，得到正向扭矩時的傳感器靈敏度。

圖11　扭矩傳感器扭矩—電壓曲線

通過圖11可以看到擬合曲線的斜率就是扭矩傳感器的靈敏度，經(jīng)過計算得算得出正向加載和卸載的輸出特性曲線的斜率均為0.5006，故扭矩傳感器的靈敏度0.5006V/(Nm)。

在航天閥門密封結(jié)構(gòu)件的滾壓加工中，滾壓力是影響滾壓加工質(zhì)量的最重要的因素，以一定規(guī)律連續(xù)變化的滾壓力能夠使得滾壓加工質(zhì)量得到改善，故控制系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)按照某種滾壓力進(jìn)給的閉環(huán)控制，這就不可避免的用到三向測力儀作為反饋環(huán)節(jié)，但是三向測力儀并不適合作為反饋環(huán)節(jié)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，故應(yīng)用扭矩傳感器完成反饋環(huán)節(jié)。

要想應(yīng)用扭矩傳感器完成力傳感器的工作，必須知道滾壓力和扭矩之間的變換關(guān)系。為此，我們通過實驗找到了他們之間的變換系數(shù)。

對于PMAC來說，能接受的信號為-10V~10V的電壓信號，因此需要得到扭矩傳感器的輸出電壓和滾壓力之間的對應(yīng)關(guān)系，即：mV/N。

滾壓加工時的進(jìn)給速度為0.1mm/s~0.4mm/s，加速度最大為1mm/s2，刀塔、拖板的重量最大為50kg，由加速而產(chǎn)生的額外軸向力為0.5N，可以忽略不計，故在標(biāo)定三向測力儀和扭矩傳感器之間的系數(shù)的時候采用靜止加載的方法。將三向測力儀連接好，保證其可以頂?shù)揭粋€固定的裝置上，改變扭矩，同時記錄測力儀的數(shù)值和扭曲傳感器輸出電壓值，實驗中共獲得10個點如表2所示。

表2　扭矩傳感器輸出電壓與滾壓力系數(shù)標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)

圖12　扭矩傳感器輸出電壓和滾壓力關(guān)系曲線

得到了扭矩傳感器輸出電壓和滾壓力之間的系數(shù)，便可以方便的應(yīng)用扭矩傳感器來實現(xiàn)航天閥門密封結(jié)構(gòu)件滾壓加工平臺控制系統(tǒng)的力閉環(huán)控制。

4功能試驗驗證

應(yīng)用搭建的滾壓加工平臺如圖13所示進(jìn)行加工實驗，加工時應(yīng)用恒速度進(jìn)給模式，進(jìn)給速度設(shè)為0.1mm/s，進(jìn)給行程為1.8mm，加工得到的滾壓加工零件經(jīng)過密封性檢測之后能夠滿足要求，零件的剖面如圖14所示，可以看到經(jīng)過滾壓加工之后零件能夠達(dá)到設(shè)計的要求。工藝試驗也證明滾壓加工平臺的有效性。

圖13　自動化滾壓加工平臺

圖14　自動滾壓加工平臺加工的零件剖面

5結(jié)束語

本文研制了一套針對航天閥門密封結(jié)構(gòu)件滾壓加工的自動化設(shè)備。該設(shè)備以PMAC為運動控制器的核心，結(jié)合上位機(jī)、伺服電機(jī)等構(gòu)件。同時開發(fā)了控制系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺，方便設(shè)備的操作。并對控制系統(tǒng)中所用到的不同傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，使其能夠滿足控制系統(tǒng)的要求。最后應(yīng)用設(shè)備零件進(jìn)行了試加工，加工平臺能夠應(yīng)用恒速和恒扭矩方式對零件進(jìn)行滾壓，所加工的零件的密封性能達(dá)到了設(shè)計要求，并且在加工中提高了效率和質(zhì)量穩(wěn)定性，因此滾壓加工平臺能夠滿足現(xiàn)有的加工需求。

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(編輯李秀敏)