雙旋輪普通臥式旋壓機數控化改造關鍵技術研究

孫晉美，張霞，張興波

(青島理工大學琴島學院，山東青島 260016)

相對于普通旋壓機，數控旋壓機具有勞動強度小、生產效率高、控制水平先進、加工能力強、產品質量好等優點。對普通旋壓機進行數控化改造已成為必然的趨勢。一臺完整的數控旋壓機包括由微機控制的計算機控制系統、由機械部分組成的執行系統以及使兩者聯系的伺服系統三部分。雙旋輪普通臥式旋壓機數控化改造重點主要包括機械改造和數控及進給驅動系統設計兩部分內容。此次雙旋輪臥式旋壓機的數控改造并不依據具體的旋壓工藝，而是力求通過合理的機械改造和采用先進的數控系統將其改造為高通用性、高效率、控制精度和自動化程度都較高的萬能旋壓機床。

1 數控系統的選型

改造后的萬能旋壓機將既可以進行普旋加工，實現單輪單獨工作;又可以進行強旋加工，實現兩個旋輪同步工作，旋壓出錐形、筒形、曲母線形及葫蘆形等特殊形狀的零件;橫向重復定位精度為±0.005 mm，縱向重復定位精度為±0.01 mm，主軸端面跳動不大于0.02 mm，主軸徑向跳動不大于0.03 mm，縱向導軌直線度不大于0.03mm (全長)。對數控系統的基本要求為:CNC 可同時控制5 個軸(2 個進給軸X，2 個進給軸Z，1 個旋轉軸C);PLC 可處理I/O為1 024/1 024 個以上;用戶程序存儲容量要求在256 kB 以上;CNC 系統必須有較快的運算速度，以滿足X-Z 軸聯動的實時計算，要求至少32 位CPU。

西門子SINUMERIK 840D 是西門子公司推出的高性能數控系統，具有良好的開放性，整個系統分成NCU、MMC、PLC 三部分，各自具有獨立的CPU 單元［1］:MMC CPU 與PC 兼容可提供8～16 MB 內存空間并具有1GB 硬盤供用戶使用，其運行于Windows環境下的系統軟件允許用戶方便添加自己的操作界面或新功能;NCU CPU 鏈接數字伺服SIMODRI VE611-D，最多可同時控制31 根軸，控制精度可以達到0.001 mm，進給速度范圍0.01～10 000 mm/min，主軸轉速范圍0.1～99 000 r/min，進給倍率0～120%，快速進給倍率200%;PLC CPU 利用總線技術可實現遠距離控制，PLC 采用STEP 7 編程語言，分別具有128 個計時器和計數器，1 024 個標志位，I/O 點采用模塊化結構最多可擴展至1 024/1 024。數控系統的各項任務在三部分內分別獨立完成，通過三者的協同工作共同完成整個數控系統的控制功能。840D 與SIMODRIVE 611D 數字驅動系統和SIMATIC S7 可編程控制器一起，構成一個全數字控制系統，動態品質和控制精度優異。因此，選用西門子SINUMERIK 840D數控系統作為改造后萬能旋壓機的數控系統。

2 旋壓機橫、縱向進給系統設計

旋壓機旋壓加工過程中旋輪的運動由旋壓機橫、縱向進給機構實現，旋壓機橫、縱向進給系統設計是數控改造的重點。目前主要有軸向柱塞馬達驅動、電機絲杠驅動和推力油缸驅動3 種方案來實現［2］。軸向柱塞馬達分為直軸式和斜軸式兩大類:直軸式低速穩定性和換向靈敏性較好，但工作承受壓力小;斜軸式耐沖擊性和抗振性較好，但結構較復雜、成本高。推力油缸驅動具有反應靈敏、平穩性好、功率大的特點，但由于液壓系統本身的特點，使得旋壓加工過程中不可避免地產生彈性退讓，影響加工質量。電機絲杠驅動把旋轉運動轉化成直線運動，以較小的轉矩得到較大的推力，并且電機絲桿傳動摩擦阻力小、傳動效率高、運行平穩、低速不爬行，故障率低、工作壽命長。隨著伺服電機的不斷發展和滾珠絲杠制造水平的不斷提高，電機絲杠驅動控制精度更高、工作速度更快、動態性能更好，越來越成為機床進給驅動系統的首選。綜上考慮，旋壓機橫向進給系統采用伺服電機通過減速機構與滾珠絲杠相連，帶動支撐旋輪的旋輪座作橫向運動的進給結構;采用伺服電機通過減速機構與滑動絲杠螺母機構相連帶動旋輪作縱向進給的縱向進給結構。實踐證明該方案結構簡單，傳動件數少，易于實現，如圖1 所示，如與螺距校正機構和消隙機構配合使用，還可實現精密位移的進給。

圖1 機床橫、縱向進給結構示意圖

3 旋輪擺動系統設計

在旋壓機加工曲母線形、葫蘆形等特殊形狀零件時，旋輪在加工過程中要不斷改變工作角度，產生擺動。

該擺動具有來回擺動角度會隨道次的不同而變化，擺動角度小于90°，擺動起始位置不變、終端位置變化等特點。考慮采用蝸輪蝸桿傳動機構來實現擺盤的時變往復運動。如圖2 所示。

具體結構是將旋輪裝置與蝸輪固連，并使旋輪的頂點位于蝸輪的中心，伺服電機通過減速機構與蝸桿相連，渦輪為從動件。在擺動的過程中，CNC 裝置能夠更好地控制旋輪的運動軌跡，可以實現不同旋壓工藝要求的旋輪角度的改變，而旋輪頂點的位置卻不改變。該結構可以使控制系統根據反饋回來的CNC信號嚴格控制伺服電機的轉動量來實現擺動角度的精確控制。

圖2 擺動機構結構示意圖

4 旋輪同步運動控制設計

旋壓機根據實際加工需要，有時只有一個旋輪投入工作;有時則需要兩個旋輪同步工作，不僅要速度同步還要位置同步。這可以通過西門子840D 數控系統的MCS Coupling 功能來實現。MCS Coupling 功能即機床坐標系耦合功能，此功能可使同一機床上兩個或兩個以上的相互獨立的結構相同的運動部件同步運動，通過誤差跟隨、檢測和補償功能實現不同運動部件之間的位置和速度同步。具體方法:(1)在每一組運動部件上建立相互獨立的坐標系，坐標系的坐標軸稱為耦合軸，可通過機床數據(Axis Machine Data)MD63540 定義坐標軸，同一坐標系的耦合軸不能耦合;(2)設置主動軸和從動軸，主動軸可以有多個從動軸，耦合軸性質須相同，轉換軸不能作耦合軸;(3)設置兩個或多個耦合軸耦合時的速度方向，速度方向可以相同(1∶1)也可以相反(1∶-1)，根據工作需要確定;(4)根據耦合、去耦合指令編寫程序。具體格式如下:

需同步工作時，可令一個旋輪的橫、縱向進給為主動軸，另一個旋輪的橫、縱向進給作從動軸，設主動軸分別為PMaster1=X，PMaster2=Z，從動軸分別為Pslave1=X1，Pslave2=Z1。可作程序:

5 旋壓機人機界面的二次開發

改造后的數控旋壓機可以用西門子840D 系統提供的通用人機界面功能實現加工、編程、設置、監控和診斷等操作，也可根據實際需要對人機界面進行二次開發。西門子840D 數控系統提供了3 種用于開發人機界面的方法［3］:使用Toolbox 和擴展用戶接口，使用專業組態軟件WinCC Flexible，利用HMI 編程包和OEM 軟件開發包。3 種方法特點如表1 所示。

表1 3 種界面開發方法特點比較

下面通過HMI 編程包和OEM 軟件開發包詳細介紹HMI 二次開發過程:(1)根據旋壓機實際工作需要，繪制旋壓機HMI 總體框圖。(2)在VB 環境下進行界面設計。設計時應以菜單作為界面的區分單位，以窗體作為界面的構成單位。為便于程序的引用和調用，應按照窗體的序列來設置屬性。為使界面設計簡潔實用，應充分利用VB 的各種控件，可使用幀控件將控件分組以進一步分割窗體;設計時首先設計幀控件，然后再設計幀內控件。(3)利用VC ++創建動態鏈接庫。機床操作界面內所有文本內容不是在VB 環境下寫入的，而是通過動態數據庫鏈接進來的。動態鏈接庫(DLL)是用作共享函數庫的可執行文件。DLL 中的代碼在運行時動態加載，可允許幾個不同的進程同時共享DLL。但DLL 文件不能單獨運行，而只能被其他程序調用。在創建DLL 時前應先創建一個RC 源文件，RC 文件中的文本應與軟鍵標簽、對話框等控件一一對應。除此之外，在開發DLL 時，還應先創建一個EXE 應用程序作為主工程 (Project)，再創建一個DLL 作為主工程的子工程(Subproject)，最終通過主工程調用DLL。(4)將設計好的操作界面嵌入到西門子840D 系統。借助OEM 開發包，用VB、VC ++編程調用西門子840D 系統函數，實現操作界面和控制函數的嵌入。最后，利用NCDDE 服務器提供的DDE 鏈接實現HMI 信息與數控系統變量和數據的傳遞，如圖3 所示，便得到了真正意義上的操作系統。

圖3 HMI 與840D 通信示意圖

6 結束語

數控系統和數控裝置的選取和設計是機床數控化改造的核心，但不能認為將數控裝置與普通機床連接在一起就達到了數控改造的要求，還應對主要部件進行相應的機械和電氣改造才能獲得預期的目的。文中結合工作實踐，論述了兩旋輪普通臥式旋壓機數控改造過程中的幾個關鍵問題，包括數控系統的選型、旋輪運動機構的設計以及基于西門子840D 數控系統的兩旋輪同步工作控制和HMI 的二次開發技術。對普通旋壓機的數控化改造問題具有一定的參考價值。

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