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(shè)備研究所，北京 100074；2. 深圳航天科創(chuàng)實(shí)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(fù)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(jī)床、精密數(shù)控磨床、工業(yè)機(jī)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(shí)時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的智能制造單元集成與控制技術(shù)。通過加工試驗(yàn)，驗(yàn)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(guān)鍵技術(shù)將為航空航天用新材料螺紋絲杠等復(fù)雜精密傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工與推廣應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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(zhì)量已達(dá)到國際中等制造水平，部分產(chǎn)品達(dá)到國際先進(jìn)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(dǎo)致了我國高精度螺紋絲杠大部分依賴進(jìn)口的局面[2]。在現(xiàn)有技術(shù)中，精密螺紋絲杠的制造方法主要以專用設(shè)備加工為主[3，4]，主流加工工藝包括旋風(fēng)銑削[5，6]以及滾軋[7]等技術(shù)，加工過程工序繁瑣，工時過長，一般適合大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，難以滿足在軍用精密裝備等領(lǐng)域?qū)π∨慨a(chǎn)品定制化生產(chǎn)的要求[8]。

隨著理論研究、材料技術(shù)以及新型加工工藝技術(shù)的成熟和發(fā)展[9]，螺紋絲杠的加工效率及加工質(zhì)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(shí)現(xiàn)智能制造最終目標(biāo)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(shè)備和輔助設(shè)備進(jìn)行模塊化、集成化、一體化處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠各項(xiàng)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(shí)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(fù)合加工的工藝基礎(chǔ)，實(shí)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(jī)床（VL900L）、一臺精密磨削機(jī)床、一臺機(jī)器人（KUKA KR210 R2700）、一臺自動上下料設(shè)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(guān)鍵技術(shù)

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(yīng)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(fù)合加工的工藝基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)具備狀態(tài)感知、實(shí)時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行功能的智能制造單元集成與控制技術(shù)。

a. 單元集成與控制。以智能制造技術(shù)推廣應(yīng)用發(fā)展需求為設(shè)計(jì)依據(jù)，按照“設(shè)備自動化+管理信息化+過程高效化+決策智能化”的建設(shè)理念，將單元內(nèi)設(shè)備及數(shù)據(jù)信息采集設(shè)備集成為智能制造單元的“硬件”系統(tǒng)；將數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、機(jī)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(gòu)成了智能制造單元的基礎(chǔ)模塊。

b. 復(fù)合加工工藝數(shù)據(jù)庫。復(fù)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(chǔ)，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(yīng)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(shè)計(jì)

3.1 單元硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

圖2 單元通信網(wǎng)絡(luò)

設(shè)備互聯(lián)中，單元PLC作為單元主控，通過IO點(diǎn)位獲取到單元內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)反饋，從而控制調(diào)度。機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過IO與電弧放電銑削機(jī)床、精密磨削機(jī)床進(jìn)行卡盤、夾具的動作配合。電弧放電銑削機(jī)床、精密磨削機(jī)床作為獨(dú)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(shè)計(jì)

圖3 單元運(yùn)行流程圖

單元運(yùn)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(jī)器人系統(tǒng)。主控系統(tǒng)包括單元集成控制、設(shè)備加工運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)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(jī)床的控制與管理、電弧電源系統(tǒng)等模塊，電弧放電銑削機(jī)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(jī)床的控制與管理、智能誤差補(bǔ)償系統(tǒng)等模塊，用于螺紋絲杠精加工。機(jī)器人系統(tǒng)主要分為運(yùn)行線程和后臺線程，運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)上報(bào)。

4 系統(tǒng)實(shí)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(yùn)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(jī)上，單元系統(tǒng)框架關(guān)系如圖4所示。系統(tǒng)通過主進(jìn)程調(diào)用主對話框，再調(diào)用數(shù)據(jù)庫服務(wù)以及相關(guān)設(shè)備設(shè)置界面，通過管理類管理各設(shè)備監(jiān)控界面。各設(shè)備監(jiān)控同樣通過該類來管理其子界面。每一個設(shè)備類中均包含一個線程用于與設(shè)備數(shù)據(jù)交互。

圖4 系統(tǒng)框架關(guān)系

電弧放電銑削機(jī)床系統(tǒng)、精密磨削機(jī)床系統(tǒng)預(yù)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(jī)器人、上下料設(shè)備通過socket采集數(shù)據(jù)，與PLC通過S7協(xié)議獲取IO點(diǎn)位狀態(tài)，設(shè)備部分?jǐn)?shù)據(jù)采集項(xiàng)如表1所示。

表1 設(shè)備數(shù)據(jù)采集項(xiàng)

主控PLC作為單元總控調(diào)度，與各節(jié)點(diǎn)設(shè)備部分信號通信如表2所示。PLC與電弧放電銑削機(jī)床、精密磨削機(jī)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(jī)器人驅(qū)動狀態(tài)，通過IO信號與機(jī)器人通信，通過中間變量與單元系統(tǒng)通信。

表2 設(shè)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(yīng)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(jī)器人啟動執(zhí)行

機(jī)器人接收到PLC的啟動信號后，開始執(zhí)行單元流程。機(jī)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(fù)合加工工藝數(shù)據(jù)庫

圖7 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)關(guān)系

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Mysql為基礎(chǔ)，包括復(fù)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(zhì)量模型表，數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖如圖7所示，其中復(fù)合加工工藝表的數(shù)據(jù)項(xiàng)為其它表的外鍵索引，其他數(shù)據(jù)表通過復(fù)合加工工藝庫構(gòu)成邏輯關(guān)系。

圖8 復(fù)合加工工藝庫構(gòu)建流程圖

復(fù)合加工工藝庫的建立依賴于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用正交實(shí)驗(yàn)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(chǔ)工藝特性，其構(gòu)建流程如圖8所示。

復(fù)合加工工藝表中，一條電弧銑削ID對應(yīng)的加工參數(shù)結(jié)果反映在加工性能表的對應(yīng)ID中，即輸入與輸出的關(guān)系。電弧銑削參數(shù)與高精磨削參數(shù)共同結(jié)果反映在加工質(zhì)量表中。通過Tensorflow構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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(yīng)知識庫與模型庫，優(yōu)化復(fù)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(yàn)證測試，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備的加工數(shù)據(jù)采集和實(shí)時監(jiān)控。

圖9 現(xiàn)場部署

5 螺紋絲杠加工試驗(yàn)

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(yàn)，如圖10所示。

圖10 加工試驗(yàn)

5.1 加工精度驗(yàn)證

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

表3 檢測結(jié)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(jìn)行，由系統(tǒng)控制機(jī)器人自動上下料，實(shí)現(xiàn)自動化加工。統(tǒng)計(jì)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(jì)結(jié)果，在智能制造單元進(jìn)行絲杠加工，縮短了加工周轉(zhuǎn)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(jì)表

6 結(jié)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(fù)合加工的技術(shù)，構(gòu)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(gòu)建了高效電弧放電與高精磨削復(fù)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(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)模型，通過數(shù)據(jù)分析預(yù)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(guān)鍵技術(shù)將為航空航天用新材料螺紋絲杠等復(fù)雜精密傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工與推廣應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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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(chǔ)科研計(jì)劃（JCKY2018204C040）。

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

2020-09-06