基于組態的曲軸數控加工過程監控系統的研究

楊澤青 劉麗冰 楊偉東 張亞彬

（①河北工業大學機械工程學院，天津> 300130；②北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京 100022）

基于組態的曲軸數控加工過程監控系統的研究

楊澤青①劉麗冰①楊偉東①張亞彬②

（①河北工業大學機械工程學院，天津> 300130；②北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京 100022）

在分析了曲軸數控加工技術的基礎上，采用組態軟件開發了曲軸加工在線監控系統。該系統包括機床狀態監測、曲軸加工狀態實時監控、刀具狀態監測以及測頭檢測狀態實時監控等功能模塊，同時建立了實時和歷史數據庫，可實現特定條件下的監控數據查詢，并且可以生成數據報表，便于操作人員管理、查詢、打印歷史記錄。該系統具有良好的可擴充性、可修改性、可移植性和可維護性，操作簡便，為同類零件加工過程監控系統的研究提供了新的思路，具有一定的實用價值和推廣前景。

曲軸 數控加工 監控 組態

曲軸是內燃機中的重要零件之一，其功能是將連桿傳來的氣體壓力轉變成扭矩，然后傳遞給傳動裝置，是承受沖擊載荷傳遞動力的關鍵零件［1］，其制造質量直接影響著內燃機的性能水平和安全可靠性。因此，曲軸加工過程中的質量檢驗與控制顯得尤為重要。

由于組態軟件［2～4］不僅具有良好的開發環境，同時又具有實時多任務的工作特性和監控功能，并且具有豐富的圖形動畫功能，所有采集的數據都可以通過圖形動畫表現出來，因此為開發者提供了非常理想的開發平臺。本文在對曲軸數控加工工藝進行細致分析研究的基礎上，利用組態軟件完成對監控對象模型的抽象和構建，采用模塊化的設計思想對機床運行狀態、刀具狀態、測頭檢測過程及曲軸工件加工狀態和主要參數進行實時監控，從而實現加工、檢測過程、質量監控的自動化和集成化。在生產中運用該系統可以減少曲軸加工和檢測的綜合誤差，降低生產成本，提高產品質量，也可及時發現設備故障隱患，有利于設備、刀具的維護和保養，避免資金、人力和時間的浪費，提高企業競爭力。

1 曲軸數控加工工藝分析

隨著發動機趨于輕量化、結構簡單化、性能優質化，曲軸制造技術和工藝發生了很大的變化。目前曲軸加工工藝參照傳統曲軸工藝，加工階段劃分很細，主要工藝過程為粗加工→調質→半精加工→時效→精加工→中頻淬火及低溫回火→粗磨→精加工非主要表面→精磨→拋光→探傷。在半精加工階段后安排時效消除應力工序，充分考慮了表面殘余應力對曲軸質量的影響。常用曲軸數控加工技術有數控車—車拉技術、數控高速外銑技術、數控內銑技術、數控磨削技術等。

由于曲軸屬于細長類零件，加工過程中主要定位基準是兩端中心孔［5］，按其加工位置可分為兩種：一種是利用雙V型塊或其它方式找出曲軸支承軸頸的幾何中心，在此中心上加工出的中心孔稱為幾何中心孔；另一種是利用專門的質量定心機測出曲軸的質量中心，在此中心上加工出的中心孔稱為質量中心孔。利用中心孔作定位基準進行后續的車加工或磨加工。

粗加工包括主軸頸、連桿頸、曲柄圓的車削及平衡塊安裝面的銑削等工序［5］，對平衡塊側面需要加工的曲軸通常采用CNC高速外銑技術，它比CNC車削、CNC內銑、車—車拉的生產效率還要高。以四拐曲軸為例：CNC車—車拉工藝加工連桿軸頸要兩道工序，而CNC高速外銑只要一道工序就能完成（應用工件回轉和銑刀進給伺服連動控制技術，可以一次裝夾不改變曲軸回轉中心隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸）。且具有以下優點：切削速度高（可高達350 m/min）、切削時間短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數少、加工精度更高、柔性更好。所以CNC高速外銑將是曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工的發展方向。轎車曲軸的高速加工通常采用雙刀盤高速外銑。

數控車—車拉技術［5］用于半精加工曲軸的主軸頸和連桿軸頸，這里采用雙刀盤車—車拉，完工后可直接精磨，省去粗磨工序。

曲軸磨削可采用的技術有單序加工和復合加工等工藝。單序加工例如磨削四拐曲軸主軸頸采用的工藝有五砂輪磨削，磨削四拐曲軸連桿頸采用的工藝有雙砂輪磨削。采用這種方式加工磨削效率很高，磨削后軸頸的跳動量容易控制。砂輪一次修整完畢后能保證各軸頸尺寸的一致性，缺點是柔性差，只能加工一個系列產品。加工曲軸前端和后端由寬砂輪進行組合磨削等。復合加工是指一次裝夾磨削所有主軸頸和連桿軸頸。磨削連桿軸頸采用先進的擺動跟蹤磨削技術，這種磨削方式一個最大的優點就是柔性好。

曲軸深油孔加工采用槍鉆技術［5］。曲軸深油孔的直徑一般在5～8 mm之間，從主軸頸到連桿頸傾斜貫通，屬典型細長孔而且在曲面上加工，工藝性差。加工深油孔最好的辦法是采用槍鉆工藝。槍鉆也叫深孔鉆，代表著先進、高效的孔加工技術。它不但可用來加工深孔（徑長比1∶250），而且也可用來加工淺孔（徑長比1∶1）。在加工細長孔時，槍鉆可以將鉆孔、鉸孔一次完成，一次走刀便可加工出高精度IT6－8級、直線度0.16 ～0.33 mm/1 000 mm，粗糙度值Ra0.1 ～3.2 m的孔。

2 曲軸數控加工監控系統的體系結構

從上面曲軸數控加工工藝分析可以看出，曲軸加工主要分為粗加工、半精加工、精加工、再精加工4個階段［6］。對加工過程中質量的檢驗方法很多，目前最為可靠有效的方法是采用在線監控技術。曲軸數控加工監控系統的體系結構如圖1所示，主要包括監控層和設備層，設備層主要由數據采集卡、各種傳感器和被監控對象組成；監控層由監控服務器和由組態王開發的上位機監控軟件構成監控中心，它集控制技術、人機界面技術、圖形技術、數據庫技術、網絡與通信技術于一體，使控制系統開發人員不必依靠某種具體的計算機語言，只需通過可視化的組態方式，就可完成控制系統功能的構建，能夠對曲軸加工過程、機床運行狀態、刀具換刀過程、測頭檢測過程進行實時監控、設定加工中心運行參數、更新加工程序、顯示實時檢測數據，并能對歷史數據進行統計分析，產生統計曲線和報表，從而實現加工、檢測過程的自動化和集成化。

3 監控系統的軟件設計與實現

3.1 監控對象的分析及模型的抽象

曲軸數控加工過程監控系統軟件設計采用組態王6.5.3為開發平臺，在功能上，監控軟件拓展到由單純的監控向管控一體化方向發展；在方式上，虛擬儀表和過程可視化代替了傳統的數字顯示；在軟件開發環境上，可視化、圖形化組態環境代替了傳統的編程模式［7］。組態軟件的功能結構如圖2所示，由圖可以明顯看出，數據庫是組態軟件的核心，考慮到系統的安全性和開放性，這里數據庫采用SQL Server2000。曲軸加工過程中主軸頸、連桿軸頸的直徑及圓度、機床狀態、刀具的狀態及位置、測頭的位置等均由數據庫系統管理，系統進入運行狀態時首先與數據庫相連接，啟動監控主界面（圖3）。這里監控的對象為HTM125車銑加工中心（采用 SINUMERIK 840D數控系統）、刀具、曲軸及Marposs TT25G觸發式測頭，主要是對機床狀態、曲軸加工狀態、刀具狀態及換刀過程、測頭檢測過程進行實時監控。

3.2 建立數據詞典

對監控對象模型進行抽象，是實現曲軸數控加工過程監控非常重要的環節。在認真分析曲軸加工過程中各種技術參數及狀態的基礎上，得出相互關系，建立數據詞典并映射到程序中。機床、刀具、曲軸工件、測頭的所有特征都是通過數據詞典中的變量來表示的。由于下位機數據采集設備采用位置傳感器、力傳感器等與上位機進行數據交換。這里定義了I/O變量來表示曲軸工件加工過程中主軸頸的大小和刀具刀刃的溫度和磨損程度，另外定義了一些內存變量來表示機床狀態。變量的定義不僅遵循了模型各個部分的相互關系，而且考慮到為面向對象的編程方法服務，將模型中用到的參數轉換到數據詞典中。由于結構體是一個變量類型的結合體，所以系統應用結構體來表示數據結構中的類。系統還用了大量的布爾型變量［6］來管理某個過程的開始或者結束，某個圖片的顯示與隱藏。

3.3 各功能模塊的實現

采用功能模塊化的設計思想對監控系統軟件進行設計。整個監控系統的運行都是建立在事件驅動的基礎上，每一個環節都是由事件觸發開始，隨事件消失而結束。模塊界面美觀、操作簡單，各按鈕之間具有互鎖功能，安全可靠。下面簡單介紹幾個主要的功能模塊。

（1）監控中心主界面

系統進入運行狀態時首先與數據庫相連接，啟動監控主界面，如圖3所示。在這里用戶需要登錄，系統確認用戶的身份并賦予其相應的權限。監控中心的菜單操作安全區為A、B，選擇其中的各項即可進入相應的功能模塊界面。應用程序命令語言啟動如下：

（2）機床狀態監控

機床狀態的監控界面如圖4所示，主要包括機床特征信號采集功能、機床開關狀態的切換、機床特征信號的顯示功能等。從傳感器組采集到的信號必須是反映機床運行狀態的特征信號，經放大、采樣保持、模數轉換成PC機可接收的數據，由PC機進行數據處理與顯示，并保存于數據庫中便于以后的分析研究。機床開關狀態按鈕可以在開、關狀態之間進行切換，只有在機床狀態為開的情況下，才可對機床換刀、程序編輯、主軸吹屑、油氣潤滑、機床報警等按鈕有效。

（3）刀具狀態監控

刀具狀態的監控［8］主要包括刀具磨損狀態的監控和換刀過程的監控。刀具狀態監控界面如圖5所示，由于刀具的磨損和損壞都會引起切削力或切削扭矩的變化，而切削力或切削扭矩的變化可直接由機床主軸電動機功率來表示［9，10］，而主軸電動機功率又與電流成正比關系，所以直接通過測量電流的大小來對刀具的磨損狀況進行監測，并實時動態地顯示測量結果。如果刀具的磨損達到額定程度，則進行報警，如圖6所示。報警窗口為彈出式歷史報警窗。

根據對實際情況和具體需要的分析，確定曲軸數控加工過程換刀過程的監控界面主要顯示以下變量的情況［11］：進入換刀過程、ATC準備、ATC門開、刀杯移向主軸、刀臂旋轉90°到位、松刀到位、刀臂正（反）轉180°、主軸夾刀成功、刀杯移向刀庫、換刀過程結束，分別由文字、按鈕和箭頭流向同時動態顯示，如圖7。

（4）曲軸加工狀態實時監控

采用Marposs TT25G觸發式測頭對曲軸工件加工過程中主軸頸、連桿軸頸的直徑和圓度等進行在線測量。通過調理、通訊電路將信號傳送至上位機，經數據分析、處理后，動態顯示測量結果，且生成歷史曲線圖，如圖8所示。并可生成報表，實現查詢、打印、統計等功能，如圖9所示。

（5）測頭檢測狀態實時監控

數控機床在線檢測功能對曲軸加工前基準的確定、工序間抽檢、加工后精度的保證起著至關重要的作用［12］，因此對測頭檢測狀態進行實時監控顯得尤為重要。圖10為Marposs TT25G觸發式測頭測量加工后主軸頸的過程。首先，開啟“開始檢測”按鈕，測頭從起測點K開始運動，分別碰觸A、B兩點，由A、B兩點的測量結果計算出其中點坐標；再碰觸以A、B中點為中點垂直于AB的圓周上對應的C、D兩點，通過四點碰觸可以計算出主軸頸的直徑。測量過程中測頭運動的位置坐標可以動態實時地顯示在數據庫中，并且當測頭發生故障或碰到障礙物時，按下“復位”按鈕，測頭回到初始位置，終止測量過程。

3.4 數據通信與交互

數據庫是“組態王”最核心的部分［13，14］。在組態王運行時，工業現場的生產狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，同時工程人員在計算機前發布的指令也要迅速送達生產現場。所有這一切都是以實時數據庫為中介環節，數據庫是聯系上位機和下位機的橋梁。該監控系統中建立的歷史數據庫，記錄了曲軸加工過程中的各種狀態參數，操作人員可以方便地對數據庫按條件進行查詢。圖11為數據庫查詢界面。該數據也可以保存、打印。

硬件設備與應用程序之間通過串口進行數據傳輸，如圖12所示。兩個或多個應用程序之間交換數據采用DDE方式。DDE即動態數據交換（Dynamic Data Exchange）是Microsoft公司設計的一種基于 Windows消息驅動機制的動態數據交換協議。應用程序采用三層標識系統，即服務程序名、話題名和項目名，它使支持動態數據交換的兩個或多個應用程序能彼此交換數據和發送指令，具體傳輸方式如圖13所示。

3.5 系統的測試

軟件系統的測試對于軟件的正常工作至關重要，是系統正常運行和使用之前的必要環節。為了配合監控系統的操作和測試，開發了通信模擬程序模塊。該模塊通過接受上位計算機發送的指令來接收監控程序發出的各種操作命令；操作員在監控程序中輸入相應作業指令，監控系統相應的模塊便響應操作。此系統經過嚴格的模塊測試與總體測試均表現正常且穩定性很好。

4 結語

本文在對曲軸數控加工工藝、加工中數控設備狀態的監測技術進行研究的基礎上，構建了曲軸數控加工過程監控系統的體系結構。利用組態軟件完成對監控對象模型的抽象和人機接口的設計。運行界面上實時采集到的設備狀態信息，對機床運行狀態、刀具狀態、測頭檢測過程及曲軸工件加工狀態和主要參數進行實時監控，從而可以獲取現場設備的運行狀態，對運行過程中出現的故障做出早期的預報并采取相應的措施，避免或減少故障的發生，提高了生產率和機床利用率，實現加工、檢測過程、質量監控的自動化和集成化。同時，它是制定生產作業計劃的基礎，通過向管理者提供翔實的設備狀態信息，輔助其制定生產作業計劃。

1 湯曉宇.汽車發動機曲軸機械加工技術.汽車工藝與材料，2007（6）

2 楊澤青，孟建軍.基于組態的機場散貨物流仿真系統設計與實現.計算機工程與應用，2007，43（23）：222 ～225

3 Jianjun Meng，Zeqing Yang，Chenghui Yang，Pengjun Li.Simulation System of Automated Three－Dimensional Garage Based on Configuration Software.In Proceedings of the 6th World Congress on Control and Automation，Dalian：IEEE 0perations Center，2006，12（8）

4 孟建軍，楊澤青，蔣兆遠.基于蟻群算法的大型自動化立體車庫計算機監控軟件設計.上海：計算機應用與軟件，2006，23（1）：56 ～58

5 李海國，張小菊.曲軸加工新技術應用綜述.汽車與配件，2007（2）

6 張國江.曲軸加工工藝改進.機械工人（冷加工），2002（10）：24～26

7 李瑞先，譚德榮，曹雁峰.基于組態王測控系統軟件的設計及實現.測控技術，2006（6）：57 ～59

8 SHAO H，WANG H L，ZHAO X M.A cutting power model for tool wear monitoring in milling.Interna－tional Journal of Machine Tools&Manufacture，2004，44（14）：1503 －1509

9 康永剛，王仲奇，吳建軍等.立銑切削力分類研究及精確銑削力模型的建立.航空學報，2007（2）

10 劉戰強，萬熠，艾興.高速銑削中切削力的研究.中國機械工程，2003（9）

11 呂娣.柔性制造過程狀態監控技術研究：［碩士學位論文］.長春：長春理工大學，2004.

12 Dai Shangping，Gao Li，Gao kai.Crankshaft Multi－ parameter Co －Measurement System and Its Applications.International Syposium on Test.Automatiom and Instrumentation，2006.

13 王亞民.組態軟件設計與開發.西安：西安電子科技大學出版社，2003.

14 袁秀英.組態控制技術.北京：電子工業出版社，2003.

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Monitoring and Control System of Crankshaft NC Machining Process Based on Configuration Software

YANG Zeqing①，LIU Libing①，YANG Weidong①，ZHANG Yabin②
（ School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，CHN；②College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100022，CHN）

The monitoring and control system of crankshaft machining was developed using configuration software based on the analysis of the crankshaft NC machining technology.The system includes machine condition monitoring，real－time monitoring and controlling of the crankshaft machining condition，tool condition monitoring，real－ time monitoring and controlling of the probe inspection condition and so on.Meanwhile，the real－time and historical databases have been set up，which can query the monitoring data under certain conditions and generate data reports easy to manage，query and print historical records for operators.This system has good extension，modification，portability and maintainability.It is easy to operate and provides a new thought for monitoring and control system of the similar parts machining，and has practical value and promotion prospects.

Crankshaft；NC Machining；Monitoring and Control；Configuration

楊澤青，女，1982年生，博士研究生，研究方向為計算機集成制造技術、組態監控技術。

（編輯 徐潔蘭） （

2008－12－01）

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