基于西門子機床耦合功能的雙旋輪旋壓機床設計

賈春雷 劉佳佳

（北京航空制造工程研究所，北京 100024）

科學技術的快速發展，對機加產品提出了高精度、高復雜性的要求。數控技術就是為了實現機床控制自動化要求而發展的，隨著數控技術的發展，數控機床的功能越來越強大，加工零件的形式也更加復雜。特別是在專用機床領域，對數控技術有特殊的要求。下面就西門子840D系統中機床坐標軸耦合功能的原理和特點來說明其在旋壓機床中的應用。

1 機床坐標系耦合功能的產生

一是提高加工效率，二是加工大型復雜對稱零件。隨著市場化的進行，產品競爭日益激烈，設備的加工效率和加工質量就成為生產環節至關重要的事情，為提高加工效率和節約成本，采用的一種方法是在同一臺設備上同時加工多個工件，這就可以成倍地提高加工效率，并且由于是一臺設備，所以設備成本也會相應降低，這就產生了西門子840D的MCS Coupling功能，即機床坐標系耦合功能。該功能可以在同一臺機床上定義功能完全相同的多個坐標系。

2 機床坐標系耦合功能的原理

機床坐標系耦合英文全稱為“Machine Coordinate System Coupling”，簡寫為“MCS Coupling”。是機床中相對獨立的幾個坐標系為完成相同的動作而使用的功能。如圖1所示兩個相互獨立的機床頭K1和K2：其中 K1 由 Y、Z、C、A、W 五個軸組成；K2 由 Y2、Z2、C2、A2、W2 組成。這兩個坐標系中 Y、Y2，Z、Z2，C、C2，A、A2，W、W2共五對坐標軸可以進行耦合。

在坐標系K1和K2中，Y、Y2相對于K1、K2是位于兩個相對獨立的坐標系，兩個坐標系統中的坐標軸在機械上具有間接聯系，在機械加工時我們需要Y、Y2之間具有位移和速度同步功能，即Y、Y2同時以同樣大小的速度運動，并保證Y和Y2運動時兩個坐標位置的差在設定的范圍內，如果兩者間的誤差超過設定的值，系統將根據設計者的要求進行處理。這種功能稱為坐標系耦合同步功能，即機床上由于功能需要建立的幾個獨立坐標系中的幾個坐標軸，在運動時通過誤差跟隨、檢測和補償功能實現坐標軸之間的位置和速度同步。

3 機床坐標系耦合功能的具體用法

（1）在西門子機床坐標系耦合功能中兩個耦合軸可以以1∶1或者1∶-1的方式耦合，即兩個耦合軸在運動時速度方向可以相同也可以相反。

（2）在機床坐標系耦合中，有主動軸（CC_Master）和從動軸（CC_Slave）之分，主動軸可以有1個或者多個從動軸，并且從動軸不能作為主動軸使用。作為從動軸有下面約束：!從動軸不能是一個PLC軸；"從動軸不能作為控制軸；#從動軸不能在JOG模式下通過它的主動軸進行單獨操作。

（3）西門子MCS耦合功能對軸的要求：!從動軸和主動軸必須都是旋轉軸或者直線軸；"機床主軸不能作為MCS耦合軸使用；#主動軸和從動軸不能是轉換軸。

（4）西門子機床坐標系耦合功能中的坐標軸在機床數據（Axis Machine Data）MD63540中定義，并且耦合軸的激活和失效是通過系統開放的編程語言實現的。

耦合命令：

去耦命令：

（5）為了在去耦狀態或者1∶-1耦合狀態下對機床頭進行碰撞保護，在機床數據中可以設定碰撞保護功能，并通過機床數據或者PLC程序激活。主動軸和從動軸之間可以有位置上的偏移，并且可以根據需要設定碰撞保護。機床坐標系耦合的碰撞保護功能配置如圖2。

例子：主動軸PMaster=X，從動軸PSlave=X2。碰撞保護設定CC_CILLISION_WIN=10 mm，X和X2在零件程序中的起始點分別是X=0，X2=20，那么對于語句N50 G0 X100 X2=90在去耦狀態下系統會通過碰撞保護設定進行報警處理。

4 在雙旋輪數控旋壓機中的應用

旋壓機床是用來成形薄壁空心回轉零件的一種金屬壓力專用加工機床，在航空航天、船舶、兵器、汽車、食品以及輕工機械等行業得到廣泛的應用。機床借助旋輪等工具作進給運動，加壓于隨芯模沿同一軸線旋轉的金屬毛坯，使其產生連續的局部塑性變形而成為所需回轉體零件。

旋壓成形具有顯著的優點：!無屑加工、柔性好、成本低廉；"復雜構件的旋壓成形減少了零件之間的連接，零件數量減少，加工精度大為提高；#避免母線焊縫帶來的缺陷，提高了構件的強度和疲勞性能。同時旋壓成形是大長徑比薄壁空心回轉體零件的唯一有效的加工方法。

雙旋輪數控旋壓機是指具有兩個旋輪的旋壓機床，雙旋輪在加工中通常聯動動作，一般也可以單獨動作，作為單旋輪旋壓機使用，其用途廣泛，旋壓成形區間大，在軍工等行業應用非常廣泛。圖3是雙旋輪旋壓機床旋輪、工件和旋轉芯模分布及工作示意圖。

如圖4所示，在雙旋輪強力數控旋壓機中可以應用機床坐標系耦合功能，旋輪的徑向移動由分布在主軸SP兩側的X、X2伺服軸驅動，并受機床床身結構的限制，旋輪的縱向移動由分布在SP兩側的兩個伺服軸Y、Y2驅動，X與Y兩個軸和X2與Y2兩個軸各組成一組運動坐標系，且在雙旋輪同步加工時要求X、X2之間以及Y、Y2之間的位置和速度同步，并且監視兩個坐標系內對應軸的位置和速度誤差，在這種情況下應用西門子840D的機床坐標系耦合功能較為合適。

5 編程舉例

設主動軸PMaster1=X，PMaster2=Y，從動軸PS-lave1=X2，Pslave2=Y2

例1：

例2：

6 結語

采用西門子機床坐標系耦合功能的雙旋輪強力旋壓機，通用性和實用性更加廣闊，特別是在旋制高精度薄壁空心回轉體、復雜曲母線形狀零件時，可以顯著提高零件的加工效率和精度。

［1］王成和，劉克璋，等.旋壓技術［M］.北京：機械工業出版社，1986.

［2］日本塑性加工協會.旋壓成形技術［M］.陳敬之譯，陳適先校.北京：機械工業出版社，1988.

［3］陳子銀，陳為華.數控機床結構原理與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2006.