艙體非連續(xù)內(nèi)型面數(shù)控銑削控制系統(tǒng)設計

張維軒 黎朝暉 何 軍 周愿愿 張小龍 成群林

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

非連續(xù)內(nèi)型面結構可以有效地減輕艙體重量、降低成本，此類結構遍布于多種武器型號鎂鋁合金鑄造艙體中[1]。以某型號艙體為例，艙體內(nèi)型面結構如圖1所示。

對其內(nèi)型面結構進行了工藝分析：該艙體大致呈圓柱體，選擇艙體左端面為夾持面(借用艙體左端面的銷孔進行定位)，刀具從右端面進入艙體內(nèi)部加工。艙體內(nèi)型面結構十分復雜，為了提高艙體加工效率，保證艙體加工精度和質(zhì)量，迫切需要研制一臺專用的數(shù)控銑削專用機床。機床結構部分已經(jīng)設計完成，需要研制一套可以配合機床結構的控制系統(tǒng)，滿足艙體內(nèi)型面加工要求并提高加工效率，進而實現(xiàn)艙體的批量生產(chǎn)加工。

1 設備控制系統(tǒng)硬件布局

控制系統(tǒng)的設計主要包括兩部分：硬件結構的布局和軟件程序的設計。其中，硬件結構的布局主要是數(shù)控裝置、PLC、伺服驅(qū)動器、伺服電動機、反饋系統(tǒng)以及其他輔助裝置的集成；軟件程序設計主要包括機床參數(shù)設置、PLC編程等程序設計。

控制系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心部分，主要包括數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)以及反饋系統(tǒng)三部分[3]。數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)控裝置、PLC、控制面板、手輪、人機接口單元組成，信息通過控制面板和手輪輸入到數(shù)控裝置中，經(jīng)處理后再傳輸?shù)絇LC和驅(qū)動器中；驅(qū)動系統(tǒng)具體由電源模塊、電動機模塊、伺服電動機等部件組成，主要任務是執(zhí)行加工信息，帶動機床移動部件實現(xiàn)艙體內(nèi)型面銑削加工；反饋系統(tǒng)主要由光柵尺、圓光柵、編碼器和集線器等部件組成，它的作用是實時測量加工的當前位置，通過編碼器處理將信息反饋給控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)實時對驅(qū)動系統(tǒng)進行調(diào)整和誤差補償。控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

1.1 數(shù)控系統(tǒng)布局與選型

數(shù)控系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的核心部分，數(shù)控系統(tǒng)的型號對機床的工作方式、工作效率有決定性作用。根據(jù)機床工作原理和艙體加工需求對數(shù)控系統(tǒng)進行選型，考慮可靠性和性價比等因素，最終選擇西門子SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)，它是將CNC、PLC、HMI(人機界面)、閉環(huán)控制功能和通訊功能集合成一個數(shù)控單元NCU的數(shù)控系統(tǒng)[4]，極大地提高了系統(tǒng)的耐久度和可靠性。西門子828D數(shù)控系統(tǒng)實物如圖3所示。

根據(jù)所選數(shù)控系統(tǒng)的型號設計適合其工作原理的控制系統(tǒng)電氣圖，控制系統(tǒng)電氣圖是控制系統(tǒng)總體和局部設計的說明書，主要包括AC電源電氣圖、數(shù)控系統(tǒng)電氣圖、驅(qū)動連接電氣圖、反饋系統(tǒng)電氣圖、其他輔助電氣圖等?？傠娫礊?80 V/50 Hz交流電，通過變壓器、整流器和電抗器轉(zhuǎn)化為24 V直流電給數(shù)控系統(tǒng)、電源模塊和反饋系統(tǒng)供電。數(shù)控系統(tǒng)連接如圖4所示。

1.2 驅(qū)動系統(tǒng)設計與選型

驅(qū)動系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括伺服驅(qū)動器、伺服電動機、驅(qū)動電路等部件。其中，伺服電動機和伺服驅(qū)動器是主要部件。

伺服電動機分為永磁同步伺服電動機和感應異步伺服電動機。永磁同步伺服電動機在反應速度、控制精度、可靠性等各個方面都優(yōu)異于感應異步伺服電動機，因此選擇永磁同步型。在伺服電動機具體型號的選擇上，分別根據(jù)轉(zhuǎn)速要求計算、轉(zhuǎn)動慣量要求計算和轉(zhuǎn)矩要求計算綜合考慮伺服電動機型號的選擇；又依據(jù)價格、系統(tǒng)兼容性等實際問題，最終選擇西門子1FK7系列伺服電動機。具體為2個1FK7103-2AC71-1RH1型號、2個1FK7084-2AF71-1RH1型號和1個1FK7083-2AF71-1RH1型號的伺服電動機，其容量分別為：Y軸和Z軸(3.1kW/20N·m)、X軸和主軸(5.2kW/36N·m)、A軸(3.8kW/16N·m)。

為了配合西門子1FK7型號系列伺服電動機，選擇西門子公司最新一代驅(qū)動器——Sinamics S120驅(qū)動器。該驅(qū)動器采用最先進的硬件、軟件和通訊技術，可以自動識別1FK7系列伺服電動機，具有更好的控制精度和動態(tài)控制特性。根據(jù)各軸伺服電動機的總容量，最終選擇了Sinamics S120書本型非調(diào)節(jié)驅(qū)動器，包含16 kW的電源模塊、主軸X軸共用的雙軸電動機模塊、Y軸Z軸共用的雙軸電動機模塊和A軸的單軸電動機模塊。驅(qū)動器連接如圖5所示。

電流經(jīng)過熔斷器、濾波器、電抗器等電路元件進入電源模塊，再由電源模塊給3個電動機模塊供電；主軸Z軸電動機模塊的X200接口通過DRIVE CLIQ通訊電纜與數(shù)控系統(tǒng)X100接口連接通訊，3個電機模塊之間也通過DRIVE CLIQ通訊電纜連接通訊；電動機模塊的X202、X203接口與各臺伺服電動機連接通訊。

1.3 反饋系統(tǒng)設計

在實際加工中，由于很多不確定因素和機床固有問題的存在，導致了多種類型的加工誤差，因此需要一個反饋系統(tǒng)對加工情況進行實時監(jiān)測和信息反饋，使數(shù)控系統(tǒng)及時做出調(diào)整以補償加工誤差。數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)構成了一套完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)反饋系統(tǒng)測量位置的不同，分為半閉環(huán)控制系統(tǒng)和全閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖6所示。

由于全閉環(huán)控制系統(tǒng)是直接將加工位移信息反饋給數(shù)控系統(tǒng)，從而使加工精度更高，因此采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)方案。全閉環(huán)控制系統(tǒng)中，反饋系統(tǒng)的測量元件位于機床移動部件上，使用光柵尺作為XYZ軸直線位置測量元件，使用圓光柵作為A軸角度測量元件。根據(jù)價格性能對比，光柵尺選擇海德漢公司的LC485系列絕對式直線光柵尺，精度等級為±3 μm，輸出信號為EnDat2.2；圓光柵選擇海德漢公司的絕對值圓光柵RBN2239。反饋系統(tǒng)連接如圖7所示。

光柵尺和圓光柵測量到位置和角度信息通過編碼器SMC20處理，將信息轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至集線器DMC20，信號經(jīng)過放大處理傳輸至數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)再根據(jù)信號控制驅(qū)動系統(tǒng)對加工誤差實時補償，最終實現(xiàn)全閉環(huán)控制。該設備全閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖8所示。

2 設備控制系統(tǒng)軟件編程

PLC是實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與機床信息交換的模塊，是數(shù)控系統(tǒng)和機床機械結構之間連接的紐帶。PLC的工作方式是采用循環(huán)掃描的模式[5]，在程序開始執(zhí)行的時候，所有輸入的狀態(tài)都被發(fā)送至輸入映像寄存器，之后才開始執(zhí)行用戶程序。所有的用戶子程序都是通過主程序OB1順序調(diào)用執(zhí)行的，當一個掃描周期完成的時候，所有的結果都被傳送至輸出映像寄存器用以控制PLC實際輸出，如此循環(huán)往復。PLC可以接受數(shù)控裝置發(fā)出的控制指令，還可以接受機床測量系統(tǒng)反饋的信號，進而發(fā)送控制指令到機床驅(qū)動系統(tǒng)進行調(diào)整和誤差補償，同時也可以控制繼電器、報警指示燈等外圍元件[6]。

PLC接口信號負責PLC和數(shù)控系統(tǒng)、PLC和HMI之間的信息交換，常規(guī)的功能主要包括MCP(機床操作面板)、手輪、急停、主軸進給軸使能、報警排屑等邏輯控制，對于不同功能的機床，根據(jù)系統(tǒng)的需要外加一些控制功能。該專機的控制程序如圖9所示。

SINUMERIK 828D集成基于SIMATIC S7-200的PLC，采用梯形圖編程的方式可支持高達24000步指令語句，使用“Programming Tool PLC828”進行PLC程序的編輯、診斷，其中OB1只能用來調(diào)用子程序，具體如圖10所示。

PLC軟件的設計直接影響著數(shù)控機床加工的質(zhì)量。PLC的編程采用梯形圖的方式，具有直觀易懂的優(yōu)勢，以快速進給控制功能梯形圖為例，如圖11所示。

3 工藝試驗

工藝試驗是檢驗該設備是否可以滿足加工生產(chǎn)要求的有效途徑，工藝試驗流程如圖12所示。

3.1 數(shù)控銑削G代碼編程

在Pro/E制造模塊中，設計并生成走刀路徑和刀位信息，如圖13所示。

通過設計后置處理系統(tǒng)，編輯并生成NC代碼。NC代碼分為開端、主體、結尾，程序內(nèi)容如下：

(1)程序開端

%PM

O 0001

N1 G17 M23；刀具補償在X-Y平面，倒角開

N2 M11；主軸點動開

N3 G70；精加工

N4 G90；絕對值編程

N5 G55 T1 M6；定義坐標系，選擇1號刀具，刀具交換

N6 S1500 M3；主軸轉(zhuǎn)速1500r/min，主軸正轉(zhuǎn)

(2)程序主體

……

N343X15.8475 Z-6.4884 A-26.509 F200.

N344X15.8527 Z-6.492 A-26.733 F200.

N345X15.8575 Z-6.5009 A-26.942 F200.

N346X15.8626 Z-6.5184 A-27.168 F200.

N347X15.8666 Z-6.5417 A-27.342 F200.

……

(3)程序結尾

N888 M5；主軸停止

3.2 工藝應用試驗與結果分析

使用VERICUT軟件進行仿真加工，經(jīng)過仿真模擬，如圖14所示，發(fā)現(xiàn)了加工干涉的問題，經(jīng)分析是坐標系設置和Z向插補過深等問題引起，對NC程序進行改進，解決了加工干涉等問題。

對某型號艙體做數(shù)控加工試驗，艙體裝夾定位后，使用上述編譯完善的數(shù)控程序進行銑削加工，依據(jù)鎂鋁合金切削手冊和艙體內(nèi)型面加工經(jīng)驗對主軸轉(zhuǎn)速和進給速率的優(yōu)化進行工藝試驗和結果分析，加工現(xiàn)場如圖15所示。

在實際試驗中發(fā)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)運行時遇到電磁干擾的問題，為此重新設計了電氣柜結構，將電氣柜的強電弱電分隔開；初次試驗時加工表面粗糙度以及加工效率未達到預期要求，主要是由于程序設定的切削參數(shù)以及刀軌路徑不夠優(yōu)化等問題引起，為此對后置處理進行優(yōu)化，使加工質(zhì)量和效率得到明顯提高。經(jīng)過多次加工試驗結果表明：當主軸轉(zhuǎn)速S為1 500 r/min，X軸進給速率為50 mm/min，Y軸進給速率為50 mm/min，Z軸進給速率為200 mm/min，該專機滿足加工要求；該數(shù)控銑削專機的加工效率相對于手動銑削機床提高了3倍；加工后的艙體內(nèi)型面精度符合要求，合格率達100%。

4 結語

該設備的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)設計和工藝試驗驗證，系統(tǒng)硬件和軟件設計正確，數(shù)控加工的程序編制合理可行。通過實際艙體內(nèi)型面的銑削加工，加工精度和效率能夠滿足典型艙體內(nèi)型面結構的加工需求，設備運行穩(wěn)定可靠，可應用于型號產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

[1]曾興權.導彈重量設計探討[J].戰(zhàn)術導彈技術，1995(1)：27-31.

[2]唐銳.普通銑床專用化數(shù)控改造設計[D].成都：四川大學，2006.

[3]劉海豐.基于西門子數(shù)控機床控制系統(tǒng)設計研究[J].數(shù)字技術與應用，2013(4)：42-43.

[4]西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動部.SINUMERIK 828D/828D BASIC簡明調(diào)試手冊、編程手冊[M].2012.

[5]唐志遠.數(shù)控機床PLC功能的研究[D].天津：天津大學，2011.

[6]朱志宇.PLC在數(shù)控機床電氣設計中的應用[J].中國新技術新產(chǎn)品，2016,2(4)：10-11.