基于IMAC400的數控旋壓機床手輪功能的實現

石亞平，王啟行，張明天

(1.佛山職業技術學院，廣東佛山528000;2.華中科技大學制造裝備數字化國家工程研究中心，湖北武漢430074;3.深圳飛亞達科技有限公司，廣東深圳518128)

旋壓是一種運用漸進旋轉點變形技術的先進無屑金屬壓力加工方法［1－2］。它借助旋輪等工具作進給動力，將與隨芯模沿同一軸線旋轉的金屬毛坯壓向芯模輪廓，使其產生連續的局部塑性變形而成為所需的空心回轉體零件［3］。隨著制造業發展的需要，旋壓機床越來越廣泛地運用于自動化和航空航天工業、藝術作品、樂器、廚房用具等的生產，特別是像噴氣式發動機、渦輪機、雷達反射器、衛星頭錐體［4］，對旋壓機數控系統提出了更高的要求。

無論在何種數控系統中，手輪功能都是必不可少的，手輪一般是在非加工狀態下，用來實現刀具微動、工件對刀、工作臺運動等［5－7］。但是針對專用的旋壓機床來說，對手輪有著特殊的要求:(1)在旋壓加工前，調整芯模和旋輪之間的間隙繁瑣而耗時，要求手輪能夠實現準確的調整間隙，即手輪能夠實現加工前的普通調整;(2)在旋壓加工過程中，芯模不能被旋輪擠壓變形，能夠隨時調整芯模和旋輪之間的間隙，即手輪能夠實現加工過程中的在線調整。

針對以上兩個問題，作者提出了對應的解決方案，采用以“PC +運動控制器”為核心的開放式數控系統，運用PLC 技術和Visual C + +6.0 技術，實現了手輪的普通調整和在線調整兩個功能。

1 手輪功能硬件平臺

針對旋壓機床運動控制的特點，采用以“PC +運動控制器”為核心的開放式數控系統，搭建了圖1所示的雙旋輪旋壓機床控制系統硬件平臺。硬件平臺主要由PC 機、IMAC400 運動控制器、放大器、液壓伺服、伺服油缸、滑塊、光柵尺、手輪等組成。

圖1 控制系統硬件連接示意圖

多軸運動控制器選用泰道中國公司的IMAC400四軸運動控制器，它是基于Turbo PMAC2 專門為廣大OEM 自動化設備制造商定制開發的能夠廣泛適用于各種工況的高性能、高可靠性的運動控制解決方案［8］。IMAC 400 的OPT－D 選項提供了一個8 k ×16位的雙端口RAM，雙端口RAM 通過網線連接PC 機進行高速數據交換。它通過AMP 接口和伺服系統連接，同時控制4 個軸的伺服計算和伺服運動。光柵尺的反饋信號通過ENC 接口反饋給運動控制器。IMAC400 具有內置PLC，可以在后臺同時運行64 個異步PLC，提供了16 路本地數字I/O、可擴展多至2 048 個遠程數字I/O。同時，IMAC400 還提供了JHW 接口，主要負責手輪信號、主軸反饋信號的輸入和主軸信號的輸出。

JHW 是兩通道手輪接口，每一個手輪通道為用戶提供了一組脈沖和方向差分輸出信號以及編碼器反饋輸入。手輪的硬件連接示意圖［9］如圖2所示，手輪的脈沖信號通過HA 和HB 兩路差分信號輸入到JHW接口，手輪的進給軸選擇、進給倍率等選擇開關作為IO 輸入信號通過本地I/O 輸入到IMAC400。

圖2 手輪硬件連接示意圖

2 手輪功能的基本原理

文中主要介紹手輪的兩個功能:第一個功能是旋壓機床在非加工狀態下，運用手輪調整各個進給軸的位置，以便于旋輪和芯模之間間隙的調整，為加工做準備，稱這種功能為普通調整;第二個功能是旋壓機床在加工狀態下，發現偏差時運用手輪及時對各軸的位置進行在線調整，稱這種功能為在線調整。

不論是普通調整還是在線調整，手輪的功能都是基于IMAC400 提供的位置跟隨功能實現的。它是IMAC400 運動控制器在保持與外界事件同步的諸功能(位置跟隨，時基控制、位置捕捉和位置比較)中最基本的一種。

對于普通調整方式，首先將手輪脈沖編碼器產生的脈沖信號發送到IMAC400 中，IMAC400 對脈沖信號進行相應的處理，然后通過AMP 輸出口輸出到相應液壓伺服，驅動相應的軸運動指定的距離。手輪調整后的位置可以由以下公式計算得到:

其中:p 為調整后的位置;

p0為調整前的位置;

c0為初始手輪碼盤讀數;

c1為當前手輪碼盤讀數;

k 為進給倍率;

u 為進給脈沖當量。

由公式(1)可知，通過計算手輪碼盤的當前讀數和初始讀數的差就可以得到調整后的位置，因為調整前的位置、進給倍率和脈沖當量在調整之前都已經確定。

對于在線調整方式，也是首先將手輪脈沖編碼器產生的脈沖信號發送到IMAC400 中，IMAC400 對脈沖信號進行相應的處理，此時需要調整的軸正在運動，手輪的脈沖信號會疊加到當前運行的程序當中，改變對應軸的實際位置。在線調整的原理圖如圖3所示，其中Ixx05 表示主控位置，Ixx06 表示位置跟隨方式，Ixx07 表示主控范圍因子，Ixx08 表示位置環因子，Ixx09 表示速度環因子。

圖3 在線調整功能原理圖

在這種情況下，如果調整量過大或者調整速度過大，機床會產生很大的沖擊，為了避免此類現象的發生，必須在PLC 程序中，對脈沖的大小設置上限。如果發出脈沖高于上限，IMAC400 自動將此視為上限輸出。

3 手輪功能的實現

要完成手輪的功能，在完成硬件的連接之后，需要對于手輪功能相關的一些IMAC400 的I 變量進行設置，主要有Ixx05，Ixx06，Ixx07 和Ixx08，其中xx為對應軸編號。

(1)Ixx05 為主動軸位置和方式，確定主動軸位置信息的寄存器地址。一般情況下，主動軸位置寄存器的值是位置反饋信號在編碼器轉換表中經過處理的一些數據，每個Ixx05 都有對應的地址，比如I105 =$3501，I205 = $3502，I305 = $3503，I405 = $3504。在手輪跟隨情況下，1 ～4 號軸都為從動軸，故Ixx05 =I605，I605 為手輪軸的寄存器地址。

(2)Ixx06 控制xx 軸的位置跟隨方式。它不僅能夠確定位置跟隨的使能和禁止，還能夠確定位置跟隨是處于普通模式還是疊加模式。普通模式是指一個軸完全跟隨另一個軸的運動狀態，沒有自己的獨立運動;疊加模式是某個軸不僅有自己的運動，而且還可以在自己的運動的基礎上疊加其他的脈沖當量。Ixx06 有兩位，第一位決定跟隨功能的使能與禁止，第二位確定跟隨功能的模式。當Ixx06 =0 時表示跟隨功能禁止，普通模式;當Ixx06 =1 時表示跟隨功能使能，普通模式;當Ixx06 =2 時表示跟隨功能禁止，疊加模式;當Ixx06 =3 時表示跟隨功能使能，疊加模式。當手輪進行普通調整的時候，處于普通模式，所以Ixx06 =1，其他軸都設置為0;當手輪進行在線調整的時候，處于疊加模式，所以Ixx06 =3，其余軸都設置為2。

(3)Ixx07 和Ixx08 用來確定主動軸和從動軸的跟隨比例關系，其值決定了跟隨軸的倍率。其計算公式［10］為:

其中:ΔCPn為從動軸位置;

ΔMPn為主動軸位置。

這個關系式可以由圖4 表示出來。

圖4 機械齒輪

一般情況下，只能改變Ixx07 的值來改變比例關系，Ixx08 的值固定為96。當手輪進行調整的時候，通過調整手輪上面的倍率可以來改變Ixx07 的值，在該系統中，Ixx07 的值與調整精度(調整精度表示手輪轉動一格對應軸運動的距離)如表1所示。

表1 比例數據

運用IMAC400 內置的PLC 編程改變Ixx05，Ixx06，Ixx07 和Ixx08 的值即可實現手輪的兩個調整功能。

4 應用實例

該系統采用主從式雙系統結構，上位機PC 和下位機IMAC400 都有自己獨立的CPU、存儲器，分別構成一套獨立的計算機系統。利用這一優勢，上位機采用Visual C+ +6.0 編寫控制界面，實現良好的人機交互、數據處理、實時顯示、加工程序生成等功能，軟件控制界面如圖5所示;下位機IMAC400 完成運動控制、插補運算、IO 管理以及PLC 的運行等實時控制功能。

采用以上方法開發的旋壓機控制系統已經成功應用于某航天單位的雙旋輪旋壓機床的數控化改造中。在實際運行中，當處于非加工狀態下，旋輪能夠準確跟隨手輪的動作做相應的運動，移動平穩連續，并且在調整旋輪和芯模之間的間隙的時候，能夠準確定位，間隙調整非常方便。當處于加工狀態下，通過改變手輪的進給倍率和旋轉速度可以很方便地調整刀具的移動速度，避免了在線調整時的沖擊作用，當發現加工間隙增大或減小的時候，能夠及時調整，明顯地提高了產品的精度。

圖5 軟件控制界面

5 結論

作者提出的手輪普通調整功能和在線調整功能，使旋壓機加工前的間隙調整更加方便快捷，同時解決了加工過程中的間隙實時調整問題，提高了產品的精度，保護了芯模等安全，實現了安全生產。其研究成果已成功運用于某航天系統雙旋輪數控旋壓機的數控化改造，旋壓力為20 ×104N，產品精度達到了0.001 mm，達到了預期的要求。

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