面向精密螺紋絲杠的智能制造單元系統(tǒng)研究

舒 釗 侯為康 彭 曦 陳宇秋 戴振萍 劉照云 徐 輝

面向精密螺紋絲杠的智能制造單元系統(tǒng)研究

舒 釗1侯為康1彭 曦2陳宇秋2戴振萍2劉照云2徐 輝2

（1. 北京自動化控制設備研究所，北京 100074；2. 深圳航天科創(chuàng)實業(yè)有限公司，深圳 518000）

為解決精密螺紋絲杠加工周期長和成本高的難題，提出一種新型精密螺紋絲杠復合加工方法，搭建了智能制造單元，該智能制造單元由單元集成與控制系統(tǒng)、新型電弧放電數(shù)控銑削機床、精密數(shù)控磨床、工業(yè)機器人、自動上下料裝置、PLC等模塊組成。主要研究具備狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行的智能制造單元集成與控制技術。通過加工試驗，驗證了智能制造單元的可靠性，降低了精密螺紋絲杠的加工成本，縮短了加工周期。智能制造關鍵技術將為航空航天用新材料螺紋絲杠等復雜精密傳動機構的設計、加工與推廣應用奠定堅實的技術基礎。

智能制造單元；精密螺紋絲杠；集成與控制系統(tǒng)

1 引言

隨著制造行業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)生產(chǎn)的螺紋絲杠副產(chǎn)品總體質量已達到國際中等制造水平，部分產(chǎn)品達到國際先進水平[1]，但和美國、德國等較早研究的國家相比差距較大，主要體現(xiàn)在原材料性能、加工工藝、檢測水平以及加工模式上，導致了我國高精度螺紋絲杠大部分依賴進口的局面[2]。在現(xiàn)有技術中，精密螺紋絲杠的制造方法主要以專用設備加工為主[3，4]，主流加工工藝包括旋風銑削[5，6]以及滾軋[7]等技術，加工過程工序繁瑣，工時過長，一般適合大批量標準化生產(chǎn)，難以滿足在軍用精密裝備等領域對小批量產(chǎn)品定制化生產(chǎn)的要求[8]。

隨著理論研究、材料技術以及新型加工工藝技術的成熟和發(fā)展[9]，螺紋絲杠的加工效率及加工質量有了一定的提升[9，10]。在“中國制造2025”的戰(zhàn)略規(guī)劃背景下，傳統(tǒng)加工方法已逐步向智能制造的方向發(fā)展[11]，其中，智能制造單元是實現(xiàn)智能制造最終目標之一的數(shù)字化工廠的基本工作單元[12]。智能制造單元針對裝備制造業(yè)的離散加工現(xiàn)場[13]，把一組能力相近的加工設備和輔助設備進行模塊化、集成化、一體化處理，實現(xiàn)數(shù)字化工廠各項能力的相互接口，具備多品種少批量產(chǎn)品生產(chǎn)能力輸出的組織模塊[14]。對精密螺紋絲杠而言，為滿足智能制造發(fā)展過程中對精密傳動部件高速度、高精度和高剛度的新要求，有必要尋找一種高效快捷的新型加工工藝方案[15]。面對裝備制造業(yè)中自動化、信息化以及智能化的發(fā)展趨勢，把新型加工工藝集成到智能制造單元中，實現(xiàn)高效制造、柔性定制的加工模式[16]。

提出了一種新型精密螺紋絲杠加工方法的智能制造單元，基于高效電弧放電與高精磨削復合加工的工藝基礎，實現(xiàn)螺紋絲杠的高效柔性定制制造。

2 螺紋絲杠加工單元概述

2.1 單元組成

螺紋絲杠加工單元主要包括一臺電弧放電銑削機床（VL900L）、一臺精密磨削機床、一臺機器人（KUKA KR210 R2700）、一臺自動上下料設備及PLC（Siemens S7-1200）。單元布局如圖1所示。

圖1 螺紋絲杠加工單元布局

2.2 單元關鍵技術

智能制造的核心在于生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的獲取、處理、優(yōu)化與應用。精密傳動螺紋絲杠加工單元在基于的高效電弧放電與高精磨削復合加工的工藝基礎上，實現(xiàn)具備狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行功能的智能制造單元集成與控制技術。

a. 單元集成與控制。以智能制造技術推廣應用發(fā)展需求為設計依據(jù)，按照“設備自動化+管理信息化+過程高效化+決策智能化”的建設理念，將單元內(nèi)設備及數(shù)據(jù)信息采集設備集成為智能制造單元的“硬件”系統(tǒng)；將數(shù)字化設計、數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡協(xié)議、機床數(shù)控系統(tǒng)、工藝管理數(shù)據(jù)庫、工藝知識庫與模型庫、數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)等典型數(shù)據(jù)，集成為智能制造單元的“軟件”系統(tǒng)，這些軟硬件系統(tǒng)構成了智能制造單元的基礎模塊。

b. 復合加工工藝數(shù)據(jù)庫。復合加工工藝的知識庫與模型庫是螺紋絲杠智能制造單元的數(shù)據(jù)基礎，智能制造單元通過處理、分析與挖掘，反饋與優(yōu)化這些數(shù)據(jù)，有利于加工參數(shù)快速選擇，并將這些信息加以應用，形成制造單元的狀態(tài)感知、分析和自主決策。

3 螺紋絲杠加工單元設計

3.1 單元硬件系統(tǒng)設計

單元通信網(wǎng)絡如圖2所示，在單元網(wǎng)絡中，電弧放電銑削機床、精密磨削機床、PLC、機器人和上下料設備通過以太網(wǎng)接口連接到交換機組成局域網(wǎng)。單元系統(tǒng)掛載在工控機上，通過以太網(wǎng)接口連接交換機，系統(tǒng)設置到與設備在統(tǒng)一網(wǎng)段。單元系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡將監(jiān)控界面投影到顯示看板上，將設備狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳到云端，用戶可以遠程監(jiān)控單元的運行狀態(tài)。

圖2 單元通信網(wǎng)絡

設備互聯(lián)中，單元PLC作為單元主控，通過IO點位獲取到單元內(nèi)各設備的運行狀態(tài)反饋，從而控制調(diào)度。機器人作為執(zhí)行機構，通過IO與電弧放電銑削機床、精密磨削機床進行卡盤、夾具的動作配合。電弧放電銑削機床、精密磨削機床作為獨立單元接收主控單元啟動信號啟動加工，加工完成后將停止信號發(fā)送到主控單元。

3.2 單元軟件系統(tǒng)設計

圖3 單元運行流程圖

單元運行流程如圖3所示，智能制造單元系統(tǒng)包括主控系統(tǒng)、電弧放電銑削加工系統(tǒng)、精密磨削加工系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)。主控系統(tǒng)包括單元集成控制、設備加工運行狀態(tài)監(jiān)控、復合加工工藝數(shù)據(jù)庫管理及分析等模塊。電弧放電銑削加工系統(tǒng)包括電弧放電銑削機床的控制與管理、電弧電源系統(tǒng)等模塊，電弧放電銑削機床用于螺紋絲杠粗加工。精密磨削加工系統(tǒng)包括精密磨削機床的控制與管理、智能誤差補償系統(tǒng)等模塊，用于螺紋絲杠精加工。機器人系統(tǒng)主要分為運行線程和后臺線程，運行線程用于邏輯程序執(zhí)行，后臺線程用于接收主控PLC的指令控制和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)上報。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與部署

4.1 單元總控系統(tǒng)集成與控制

智能單元系統(tǒng)基于Windows下.Net4.5的運行環(huán)境，采用Visual Studio開發(fā)環(huán)境基于MFC開發(fā)，部署在主控臺的工控機上，單元系統(tǒng)框架關系如圖4所示。系統(tǒng)通過主進程調(diào)用主對話框，再調(diào)用數(shù)據(jù)庫服務以及相關設備設置界面，通過管理類管理各設備監(jiān)控界面。各設備監(jiān)控同樣通過該類來管理其子界面。每一個設備類中均包含一個線程用于與設備數(shù)據(jù)交互。

圖4 系統(tǒng)框架關系

電弧放電銑削機床系統(tǒng)、精密磨削機床系統(tǒng)預留的數(shù)據(jù)交互接口為modbus-tcp，其中單元系統(tǒng)為客戶端。單元系統(tǒng)與機器人、上下料設備通過socket采集數(shù)據(jù)，與PLC通過S7協(xié)議獲取IO點位狀態(tài)，設備部分數(shù)據(jù)采集項如表1所示。

表1 設備數(shù)據(jù)采集項

主控PLC作為單元總控調(diào)度，與各節(jié)點設備部分信號通信如表2所示。PLC與電弧放電銑削機床、精密磨削機床間采用光耦隔離的IO信號交互，通過外部控制的方式控制機器人驅動狀態(tài)，通過IO信號與機器人通信，通過中間變量與單元系統(tǒng)通信。

表2 設備部分信號

系統(tǒng)啟停時，通過單元系統(tǒng)“啟動”、“停止”按鈕發(fā)送單元啟動指令到PLC，數(shù)據(jù)指令控制流如圖5a所示。也可以通過中控臺上按鈕發(fā)對應信號，PLC掃描到IO動作后執(zhí)行后續(xù)動作，部分執(zhí)行程序如圖5b所示。

圖6 機器人啟動執(zhí)行

機器人接收到PLC的啟動信號后，開始執(zhí)行單元流程。機器人初始化后，接收到外部啟動使能信號，執(zhí)行從PLC的IO選擇執(zhí)行的程序編號。其程序整體執(zhí)行框架如圖6所示。

4.2 復合加工工藝數(shù)據(jù)庫

圖7 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)關系

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以關系型數(shù)據(jù)庫Mysql為基礎，包括復合加工工藝索引表、電弧銑削模型表、精密磨削模型表、加工性能模型表、工件表面質量模型表，數(shù)據(jù)庫關系圖如圖7所示，其中復合加工工藝表的數(shù)據(jù)項為其它表的外鍵索引，其他數(shù)據(jù)表通過復合加工工藝庫構成邏輯關系。

圖8 復合加工工藝庫構建流程圖

復合加工工藝庫的建立依賴于大量的實驗數(shù)據(jù)，采用正交實驗測試與數(shù)據(jù)分析的方法系統(tǒng)地研究電弧放電銑削與高精磨削加工精密螺紋絲杠的基礎工藝特性，其構建流程如圖8所示。

復合加工工藝表中，一條電弧銑削ID對應的加工參數(shù)結果反映在加工性能表的對應ID中，即輸入與輸出的關系。電弧銑削參數(shù)與高精磨削參數(shù)共同結果反映在加工質量表中。通過Tensorflow構建網(wǎng)絡模型定量分析電弧放電銑削與高精磨削的各自加工參數(shù)對最終工藝性能指標的影響，分離出主要參數(shù)影響因子，找到提高加工性能的對應知識庫與模型庫，優(yōu)化復雜樣件加工數(shù)據(jù)庫的工藝參數(shù)。

4.3 現(xiàn)場部署

智能制造單元的現(xiàn)場布置如圖9所示。經(jīng)過驗證測試，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了對設備的加工數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控。

圖9 現(xiàn)場部署

5 螺紋絲杠加工試驗

依托智能制造單元，選用GQ32×10規(guī)格的GCr15螺紋絲杠加工試驗，如圖10所示。

圖10 加工試驗

5.1 加工精度驗證

絲杠的主要技術指標測量數(shù)據(jù)見表3。檢測結果顯示，使用智能單元加工絲杠，精度均滿足技術指標要求。

表3 檢測結果

5.2 加工效率分析

磨削加工及銑削加工工序均在智能制造單元進行，由系統(tǒng)控制機器人自動上下料，實現(xiàn)自動化加工。統(tǒng)計了原工藝和現(xiàn)工藝各工序加工時間，見表4（相同的工序未列出）。根據(jù)統(tǒng)計結果，在智能制造單元進行絲杠加工，縮短了加工周轉時間，加工時間減少4h。同時，能夠減少操作人員，有效降低人工成本。

表4 加工時間統(tǒng)計表

6 結束語

a. 基于精密傳動螺紋絲杠的高效電弧放電與高精磨削復合加工的技術，構建了一種新型精密螺紋絲杠加工方法的智能制造單元。基于此加工方式，有效縮短了螺紋絲杠的加工周期，降低了加工成本。

b. 構建了高效電弧放電與高精磨削復合加工的工藝庫系統(tǒng)，基于工藝庫數(shù)據(jù)搭建了加工性能和加工質量的網(wǎng)絡模型，通過數(shù)據(jù)分析預測螺紋絲杠加工參數(shù)的優(yōu)劣為優(yōu)化后續(xù)加工工藝方案提供數(shù)據(jù)支撐。

c. 智能制造關鍵技術將為航空航天用新材料螺紋絲杠等復雜精密傳動機構的設計、加工與推廣應用奠定堅實的技術基礎。

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Research on Intelligent Manufacturing Cell System to Machine Precision Thread Screw

Shu Zhao1Hou Weikang1Peng Xi2Chen Yuqiu2Dai Zhenping2Liu Zhaoyun2Xu Hui2

(1. Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074;2. Shenzhen Aerospace Technology & Innovation, Shenzhen, 518000)

In order to solve the problem of long cycle and high cost of precision threaded screw, a new type of intelligent manufacturing unit of precision threaded screw processing method is proposed. The intelligent manufacturing unit includes of unit integration and control system, new arc discharge CNC milling machine tool, precision CNC grinder, industrial robot, automatic loading and unloading device, PLC and other modules. This study studies the integration and control technology of intelligent manufacturing unit with state perception, real-time analysis, independent decision-making. Through the processing test, the reliability of intelligent manufacturing unit is verified, and precise execution, which reduces the processing cost of precision threaded screws, shortens the processing cycle. Its key technology will lay a solid technical foundation for the design, processing, popularization and application of complex and precise transmission mechanisms such as the new material threaded screw.

intelligent manufacturing unit；precision threaded screw；integration and control system

TH165

B

國防基礎科研計劃（JCKY2018204C040）。

舒釗（1983），博士，精密儀器及機械專業(yè)；研究方向：數(shù)字化精密加工技術。

2020-09-06