基于西門(mén)子840D sl 系統(tǒng)的車-車?yán)瓩C(jī)床加工程序設(shè)計(jì)

周 洋 劉雪梅

（1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.上汽通用東岳動(dòng)力總成有限公司，煙臺(tái) 264000）

隨著對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)性能、質(zhì)量要求的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸作為關(guān)鍵零件之一，其材質(zhì)由球墨鑄鐵升級(jí)為鍛鋼。與球墨鑄鐵曲軸相比，鍛鋼曲軸具有良好的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，但鍛鋼曲軸機(jī)械加工性能較差，加工工藝復(fù)雜，對(duì)加工程序要求較高。現(xiàn)有NILES車-車?yán)瓩C(jī)床加工球墨鑄鐵曲軸的程序執(zhí)行邏輯單一，無(wú)雙通道加工程序執(zhí)行模式，刀具管理系統(tǒng)不完善，加工尺寸不易調(diào)整，無(wú)法滿足鍛鋼曲軸的工藝要求。因此，對(duì)搭載西門(mén)子840D sl 系統(tǒng)的NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床加工程序進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)加工鍛鋼曲軸的技術(shù)要求。

西門(mén)子840D sl 系統(tǒng)多通道控制功能可同時(shí)選擇10 個(gè)通道運(yùn)行，控制的進(jìn)給軸、主軸多達(dá)31 個(gè)。每個(gè)通道對(duì)應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)插補(bǔ)器，多個(gè)通道可以同時(shí)控制執(zhí)行多個(gè)插補(bǔ)器進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)多個(gè)加工程序相互獨(dú)立執(zhí)行，為NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床雙通道加工程序設(shè)計(jì)提供有力支撐。文章為實(shí)現(xiàn)NILES車-車?yán)瓩C(jī)床兩個(gè)主軸同時(shí)加工鍛鋼曲軸，設(shè)計(jì)雙通道加工程序的關(guān)鍵部分和功能，對(duì)于鍛鋼曲軸質(zhì)量、機(jī)床穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 曲軸加工工藝分析

車-車?yán)窜囅骷庸ず蛙嚴(yán)庸さ慕M合加工工藝，其中車?yán)瓰檐囅髋c拉削結(jié)合的加工工藝[1]。根據(jù)鍛鋼曲軸加工工藝要求，NILSE 車-車?yán)瓩C(jī)床加工曲軸的位置在主軸頸處，如圖1 所示。為滿足曲軸加工質(zhì)量和節(jié)拍要求，結(jié)合機(jī)床夾具、中心夾緊裝置執(zhí)行順序，應(yīng)用西門(mén)子840D sl 系統(tǒng)雙通道功能，對(duì)曲軸加工工藝進(jìn)行雙通道工步設(shè)計(jì)。

圖1 鍛鋼曲軸加工位置

2 構(gòu)建雙通道加工程序

雙通道加工程序包括雙通道加工切削程序框架和輔助功能程序。通過(guò)機(jī)床參數(shù)設(shè)置多通道功能，將NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床第一、第二車削主軸分配到第一、第二通道中，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸帶動(dòng)左、右刀盤(pán)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制。為完善機(jī)床雙通道功能，每個(gè)通道加工程序可獨(dú)立執(zhí)行，在可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）程序OB1 中編寫(xiě)雙通道程序塊FC121、FC122，如圖2 所示。

圖2 PLC 程序功能

2.1 構(gòu)建雙通道加工切削程序框架

雙通道加工切削程序控制軸的運(yùn)動(dòng)、尾架的動(dòng)作、中心夾緊裝置的位置、切削參數(shù)和輔助功能。NILES車-車?yán)瓩C(jī)床軸類型有4 種，分別為主軸、進(jìn)給軸、中心夾緊裝置移動(dòng)軸和刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸，其中主軸為第一車削主軸、第二車削主軸，進(jìn)給軸為X軸、Z軸、U軸、W軸，中心夾緊裝置移動(dòng)軸為EL1軸，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸控制刀盤(pán)更換刀具。在機(jī)床實(shí)際切削過(guò)程中，尾架的動(dòng)作與中心夾緊裝置夾緊的位置相互配合，保障工件切削過(guò)程的穩(wěn)定性。依據(jù)圖3 的工步流程和西門(mén)子840D sl系統(tǒng)數(shù)控加工程序的編寫(xiě)規(guī)則，定義第一主軸與尾架，取消所有軸的零點(diǎn)偏移值，確定X、Z、U、W軸的機(jī)械原點(diǎn)，設(shè)定夾具夾緊子程序、工件坐標(biāo)系原點(diǎn)和中心夾緊裝置的初始位置?；贜ILES 車-車?yán)瓩C(jī)床刀庫(kù)類型為雙刀盤(pán)（左、右刀盤(pán)）結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)雙通道加工切削程序?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)雙通道加工切削功能，其中X、Z軸驅(qū)動(dòng)左刀盤(pán)，U、W軸驅(qū)動(dòng)右刀盤(pán)，EL1軸驅(qū)動(dòng)中心夾緊裝置。雙通道加工切削程序框架如圖4所示。

圖3 工步流程

圖4 雙通道加工切削程序框架

2.2 設(shè)置輔助功能程序

西門(mén)子840D sl 系統(tǒng)輔助功能通過(guò)在加工程序中調(diào)用M 代碼實(shí)現(xiàn)。為簡(jiǎn)化機(jī)床外部開(kāi)關(guān)，在加工切削程序框架基礎(chǔ)上編制輔助功能M 代碼開(kāi)啟或停止輔助功能，即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)、關(guān)刀具監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控切削過(guò)程。開(kāi)啟防錯(cuò)功能，判斷機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)置節(jié)拍時(shí)間，實(shí)現(xiàn)加工程序與人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）交互可視化。

設(shè)定加工程序與刀具管理信息交互，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)更新[2]。與球磨鑄鐵曲軸加工程序相比，鍛鋼曲軸雙通道加工程序邏輯、輔助功能完善，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床兩個(gè)刀盤(pán)同時(shí)加工且相互獨(dú)立，解決了鍛鋼曲軸加工時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題。

3 刀具管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刀具信息是加工程序的一部分。良好的刀具管理系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化加工程序的執(zhí)行邏輯，提高管理效率。刀具管理系統(tǒng)由刀庫(kù)、刀具信息數(shù)據(jù)、刀具信息數(shù)據(jù)寫(xiě)入程序3 部分組成。

3.1 建立刀盤(pán)式刀庫(kù)

球磨鑄鐵曲軸加工程序僅調(diào)用西門(mén)子840D sl 系統(tǒng)預(yù)置的刀具管理基本功能，并不適用于雙通道加工程序，需要激活刀具管理高級(jí)功能。刀庫(kù)信息（刀庫(kù)類型、刀庫(kù)狀態(tài)等）由刀庫(kù)管理系統(tǒng)通過(guò)變量來(lái)定義，通常編寫(xiě)以下系統(tǒng)參數(shù)，其中n為刀庫(kù)號(hào)。

$TC_MAP1[n]：刀庫(kù)類型（1 為鏈?zhǔn)降稁?kù)，3 為刀盤(pán)式刀庫(kù)）

3.2 定義刀具信息數(shù)據(jù)

刀具信息數(shù)據(jù)是指刀具狀態(tài)數(shù)據(jù)和刀具參數(shù)。刀具狀態(tài)數(shù)據(jù)包括刀盤(pán)編號(hào)、刀位號(hào)、刀具名稱、刀沿位置編號(hào)等信息，如表1 所示。根據(jù)西門(mén)子840D sl系統(tǒng)刀具管理功能，刀具參數(shù)包括刀具類型、刀沿類型、幾何尺寸、磨損量、刀具后角角度和刀盤(pán)加工角度等。對(duì)刀具狀態(tài)進(jìn)行可靠監(jiān)測(cè)，可以降低廢品率，縮短機(jī)床停機(jī)時(shí)間，延長(zhǎng)機(jī)床使用壽命，同時(shí)降低企業(yè)成本，提高生產(chǎn)效率[3-4]。

表1 刀盤(pán)1 刀具管理狀態(tài)數(shù)據(jù)

3.3 刀具信息數(shù)據(jù)寫(xiě)入程序

分析刀具信息數(shù)據(jù)可知，刀具管理系統(tǒng)包含大量刀具參數(shù)?；诤?jiǎn)化操作，設(shè)計(jì)刀具管理數(shù)據(jù)數(shù)控程序，在手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入模式下運(yùn)行此程序，將刀具管理數(shù)據(jù)寫(xiě)入刀具管理畫(huà)面。數(shù)控寫(xiě)入程序如下：

刀具管理系統(tǒng)功能與雙通道加工程序結(jié)合，分通道對(duì)刀具信息、狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中，刀具信息數(shù)據(jù)寫(xiě)入程序打破手動(dòng)輸入刀具信息的規(guī)則，實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序與刀具管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，大大提高了刀具信息的效率和準(zhǔn)確度。

4 尺寸補(bǔ)償界面

NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床加工鍛鋼曲軸使用的刀具數(shù)量多，雙通道加工程序邏輯復(fù)雜，加工尺寸波動(dòng)大，更改加工程序操作風(fēng)險(xiǎn)大。開(kāi)發(fā)尺寸補(bǔ)償界面（見(jiàn)圖5），為用戶提供圖形化操作界面。只需在界面上更改工藝尺寸，機(jī)床便會(huì)自動(dòng)激活補(bǔ)償程序調(diào)整工藝尺寸。

圖5 主軸頸5 尺寸補(bǔ)償界面（單位：mm）

4.1 尺寸補(bǔ)償工藝分析

尺寸補(bǔ)償是依據(jù)加工工藝、刀具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)確定需要補(bǔ)償?shù)墓に嚦叽绾脱a(bǔ)償基準(zhǔn)。以NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床加工主軸頸5 為例，其尺寸補(bǔ)償如圖6 所示。加工尺寸補(bǔ)償主要分為軸向和徑向兩類，由此確定主軸頸5 的尺寸補(bǔ)償基準(zhǔn)[5]。其中：主軸頸5 軸向尺寸是以工件定位基準(zhǔn)球的左端進(jìn)行定位，其他軸向尺寸是以主軸頸5 的中心為基準(zhǔn)；徑向定位以曲軸的回轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)。由于多個(gè)尺寸的加工均使用同一把刀具，要考慮為該刀具增加多組刀沿?cái)?shù)據(jù)。

圖6 主軸頸5 局部視圖（單位：mm）

4.2 尺寸補(bǔ)償界面寫(xiě)入程序設(shè)計(jì)

尺寸補(bǔ)償界面寫(xiě)入程序能夠簡(jiǎn)化界面操作，應(yīng)用數(shù)控程序與尺寸補(bǔ)償界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，降低尺寸補(bǔ)償界面與PLC 程序信號(hào)交互的復(fù)雜程度。

根據(jù)主軸頸5 尺寸補(bǔ)償界面，明確工藝尺寸、刀具、加工程序用戶變量三者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)寫(xiě)入程序。寫(xiě)入程序主要包括補(bǔ)償尺寸、補(bǔ)償?shù)毒?、刀沿?hào)和補(bǔ)償軸等信息[6]。該程序在加工程序中調(diào)用，即用戶激活補(bǔ)償畫(huà)面輸入正確范圍內(nèi)的補(bǔ)償數(shù)值并確認(rèn)后，加工程序在下一次加工過(guò)程中會(huì)自動(dòng)調(diào)用寫(xiě)入程序?qū)Τ叽邕M(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)復(fù)位補(bǔ)償信號(hào)，清空補(bǔ)償數(shù)值。尺寸補(bǔ)償界面降低了調(diào)整加工鍛鋼曲軸尺寸的難度，為雙通道加工程序執(zhí)行的穩(wěn)定性提供保障。主軸頸5 尺寸補(bǔ)償界面中補(bǔ)償位置編號(hào)12 ～14 的寫(xiě)入程序如下：

程序開(kāi)始

5 結(jié)語(yǔ)

文章基于西門(mén)子840D sl 系統(tǒng)在NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床上設(shè)計(jì)雙通道加工程序，實(shí)現(xiàn)了NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床由加工球磨鑄鐵曲軸轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸ゅ戜撉S的目標(biāo)，推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床的智能化發(fā)展。通過(guò)完善刀具管理系統(tǒng)功能，提升鍛鋼曲軸雙通道加工程序執(zhí)行能力，同時(shí)開(kāi)發(fā)尺寸補(bǔ)償界面，穩(wěn)定了雙通道加工程序的加工尺寸，為用戶提供可視、圖形化的操作界面。