石亞平，王啟行，張明天

(1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山528000;2.華中科技大學(xué)制造裝備數(shù)字化國(guó)家工程研究中心，湖北武漢430074;3.深圳飛亞達(dá)科技有限公司，廣東深圳518128)

旋壓是一種運(yùn)用漸進(jìn)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)變形技術(shù)的先進(jìn)無(wú)屑金屬壓力加工方法［1－2］。它借助旋輪等工具作進(jìn)給動(dòng)力，將與隨芯模沿同一軸線旋轉(zhuǎn)的金屬毛坯壓向芯模輪廓，使其產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形而成為所需的空心回轉(zhuǎn)體零件［3］。隨著制造業(yè)發(fā)展的需要，旋壓機(jī)床越來(lái)越廣泛地運(yùn)用于自動(dòng)化和航空航天工業(yè)、藝術(shù)作品、樂器、廚房用具等的生產(chǎn)，特別是像噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪機(jī)、雷達(dá)反射器、衛(wèi)星頭錐體［4］，對(duì)旋壓機(jī)數(shù)控系統(tǒng)提出了更高的要求。

無(wú)論在何種數(shù)控系統(tǒng)中，手輪功能都是必不可少的，手輪一般是在非加工狀態(tài)下，用來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具微動(dòng)、工件對(duì)刀、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)等［5－7］。但是針對(duì)專用的旋壓機(jī)床來(lái)說，對(duì)手輪有著特殊的要求:(1)在旋壓加工前，調(diào)整芯模和旋輪之間的間隙繁瑣而耗時(shí)，要求手輪能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的調(diào)整間隙，即手輪能夠?qū)崿F(xiàn)加工前的普通調(diào)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(shí)調(diào)整芯模和旋輪之間的間隙，即手輪能夠?qū)崿F(xiàn)加工過程中的在線調(diào)整。

針對(duì)以上兩個(gè)問題，作者提出了對(duì)應(yīng)的解決方案，采用以“PC +運(yùn)動(dòng)控制器”為核心的開放式數(shù)控系統(tǒng)，運(yùn)用PLC 技術(shù)和Visual C + +6.0 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了手輪的普通調(diào)整和在線調(diào)整兩個(gè)功能。

1 手輪功能硬件平臺(tái)

針對(duì)旋壓機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)，采用以“PC +運(yùn)動(dòng)控制器”為核心的開放式數(shù)控系統(tǒng)，搭建了圖1所示的雙旋輪旋壓機(jī)床控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)。硬件平臺(tái)主要由PC 機(jī)、IMAC400 運(yùn)動(dòng)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(tǒng)硬件連接示意圖

多軸運(yùn)動(dòng)控制器選用泰道中國(guó)公司的IMAC400四軸運(yùn)動(dòng)控制器，它是基于Turbo PMAC2 專門為廣大OEM 自動(dòng)化設(shè)備制造商定制開發(fā)的能夠廣泛適用于各種工況的高性能、高可靠性的運(yùn)動(dòng)控制解決方案［8］。IMAC 400 的OPT－D 選項(xiàng)提供了一個(gè)8 k ×16位的雙端口RAM，雙端口RAM 通過網(wǎng)線連接PC 機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。它通過AMP 接口和伺服系統(tǒng)連接，同時(shí)控制4 個(gè)軸的伺服計(jì)算和伺服運(yùn)動(dòng)。光柵尺的反饋信號(hào)通過ENC 接口反饋給運(yùn)動(dòng)控制器。IMAC400 具有內(nèi)置PLC，可以在后臺(tái)同時(shí)運(yùn)行64 個(gè)異步PLC，提供了16 路本地?cái)?shù)字I/O、可擴(kuò)展多至2 048 個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)字I/O。同時(shí)，IMAC400 還提供了JHW 接口，主要負(fù)責(zé)手輪信號(hào)、主軸反饋信號(hào)的輸入和主軸信號(hào)的輸出。

JHW 是兩通道手輪接口，每一個(gè)手輪通道為用戶提供了一組脈沖和方向差分輸出信號(hào)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(hào)通過HA 和HB 兩路差分信號(hào)輸入到JHW接口，手輪的進(jìn)給軸選擇、進(jìn)給倍率等選擇開關(guān)作為IO 輸入信號(hào)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(gè)功能:第一個(gè)功能是旋壓機(jī)床在非加工狀態(tài)下，運(yùn)用手輪調(diào)整各個(gè)進(jìn)給軸的位置，以便于旋輪和芯模之間間隙的調(diào)整，為加工做準(zhǔn)備，稱這種功能為普通調(diào)整;第二個(gè)功能是旋壓機(jī)床在加工狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)偏差時(shí)運(yùn)用手輪及時(shí)對(duì)各軸的位置進(jìn)行在線調(diào)整，稱這種功能為在線調(diào)整。

不論是普通調(diào)整還是在線調(diào)整，手輪的功能都是基于IMAC400 提供的位置跟隨功能實(shí)現(xiàn)的。它是IMAC400 運(yùn)動(dòng)控制器在保持與外界事件同步的諸功能(位置跟隨，時(shí)基控制、位置捕捉和位置比較)中最基本的一種。

對(duì)于普通調(diào)整方式，首先將手輪脈沖編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)發(fā)送到IMAC400 中，IMAC400 對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后通過AMP 輸出口輸出到相應(yīng)液壓伺服，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的軸運(yùn)動(dòng)指定的距離。手輪調(diào)整后的位置可以由以下公式計(jì)算得到:

其中:p 為調(diào)整后的位置;

p0為調(diào)整前的位置;

c0為初始手輪碼盤讀數(shù);

c1為當(dāng)前手輪碼盤讀數(shù);

k 為進(jìn)給倍率;

u 為進(jìn)給脈沖當(dāng)量。

由公式(1)可知，通過計(jì)算手輪碼盤的當(dāng)前讀數(shù)和初始讀數(shù)的差就可以得到調(diào)整后的位置，因?yàn)檎{(diào)整前的位置、進(jìn)給倍率和脈沖當(dāng)量在調(diào)整之前都已經(jīng)確定。

對(duì)于在線調(diào)整方式，也是首先將手輪脈沖編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)發(fā)送到IMAC400 中，IMAC400 對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，此時(shí)需要調(diào)整的軸正在運(yùn)動(dòng)，手輪的脈沖信號(hào)會(huì)疊加到當(dāng)前運(yùn)行的程序當(dāng)中，改變對(duì)應(yīng)軸的實(shí)際位置。在線調(diào)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(huán)因子，Ixx09 表示速度環(huán)因子。

圖3 在線調(diào)整功能原理圖

在這種情況下，如果調(diào)整量過大或者調(diào)整速度過大，機(jī)床會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊，為了避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，必須在PLC 程序中，對(duì)脈沖的大小設(shè)置上限。如果發(fā)出脈沖高于上限，IMAC400 自動(dòng)將此視為上限輸出。

3 手輪功能的實(shí)現(xiàn)

要完成手輪的功能，在完成硬件的連接之后，需要對(duì)于手輪功能相關(guān)的一些IMAC400 的I 變量進(jìn)行設(shè)置，主要有Ixx05，Ixx06，Ixx07 和Ixx08，其中xx為對(duì)應(yīng)軸編號(hào)。

(1)Ixx05 為主動(dòng)軸位置和方式，確定主動(dòng)軸位置信息的寄存器地址。一般情況下，主動(dòng)軸位置寄存器的值是位置反饋信號(hào)在編碼器轉(zhuǎn)換表中經(jīng)過處理的一些數(shù)據(jù)，每個(gè)Ixx05 都有對(duì)應(yīng)的地址，比如I105 =$3501，I205 = $3502，I305 = $3503，I405 = $3504。在手輪跟隨情況下，1 ～4 號(hào)軸都為從動(dòng)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(gè)軸完全跟隨另一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，沒有自己的獨(dú)立運(yùn)動(dòng);疊加模式是某個(gè)軸不僅有自己的運(yùn)動(dòng)，而且還可以在自己的運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上疊加其他的脈沖當(dāng)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(dāng)Ixx06 =0 時(shí)表示跟隨功能禁止，普通模式;當(dāng)Ixx06 =1 時(shí)表示跟隨功能使能，普通模式;當(dāng)Ixx06 =2 時(shí)表示跟隨功能禁止，疊加模式;當(dāng)Ixx06 =3 時(shí)表示跟隨功能使能，疊加模式。當(dāng)手輪進(jìn)行普通調(diào)整的時(shí)候，處于普通模式，所以Ixx06 =1，其他軸都設(shè)置為0;當(dāng)手輪進(jìn)行在線調(diào)整的時(shí)候，處于疊加模式，所以Ixx06 =3，其余軸都設(shè)置為2。

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

其中:ΔCPn為從動(dòng)軸位置;

ΔMPn為主動(dòng)軸位置。

這個(gè)關(guān)系式可以由圖4 表示出來(lái)。

圖4 機(jī)械齒輪

一般情況下，只能改變Ixx07 的值來(lái)改變比例關(guān)系，Ixx08 的值固定為96。當(dāng)手輪進(jìn)行調(diào)整的時(shí)候，通過調(diào)整手輪上面的倍率可以來(lái)改變Ixx07 的值，在該系統(tǒng)中，Ixx07 的值與調(diào)整精度(調(diào)整精度表示手輪轉(zhuǎn)動(dòng)一格對(duì)應(yīng)軸運(yùn)動(dòng)的距離)如表1所示。

表1 比例數(shù)據(jù)

運(yùn)用IMAC400 內(nèi)置的PLC 編程改變Ixx05，Ixx06，Ixx07 和Ixx08 的值即可實(shí)現(xiàn)手輪的兩個(gè)調(diào)整功能。

4 應(yīng)用實(shí)例

該系統(tǒng)采用主從式雙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)PC 和下位機(jī)IMAC400 都有自己獨(dú)立的CPU、存儲(chǔ)器，分別構(gòu)成一套獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。利用這一優(yōu)勢(shì)，上位機(jī)采用Visual C+ +6.0 編寫控制界面，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)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(jī)IMAC400 完成運(yùn)動(dòng)控制、插補(bǔ)運(yùn)算、IO 管理以及PLC 的運(yùn)行等實(shí)時(shí)控制功能。

采用以上方法開發(fā)的旋壓機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某航天單位的雙旋輪旋壓機(jī)床的數(shù)控化改造中。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)處于非加工狀態(tài)下，旋輪能夠準(zhǔn)確跟隨手輪的動(dòng)作做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)平穩(wěn)連續(xù)，并且在調(diào)整旋輪和芯模之間的間隙的時(shí)候，能夠準(zhǔn)確定位，間隙調(diào)整非常方便。當(dāng)處于加工狀態(tài)下，通過改變手輪的進(jìn)給倍率和旋轉(zhuǎn)速度可以很方便地調(diào)整刀具的移動(dòng)速度，避免了在線調(diào)整時(shí)的沖擊作用，當(dāng)發(fā)現(xiàn)加工間隙增大或減小的時(shí)候，能夠及時(shí)調(diào)整，明顯地提高了產(chǎn)品的精度。

圖5 軟件控制界面

5 結(jié)論

作者提出的手輪普通調(diào)整功能和在線調(diào)整功能，使旋壓機(jī)加工前的間隙調(diào)整更加方便快捷，同時(shí)解決了加工過程中的間隙實(shí)時(shí)調(diào)整問題，提高了產(chǎn)品的精度，保護(hù)了芯模等安全，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。其研究成果已成功運(yùn)用于某航天系統(tǒng)雙旋輪數(shù)控旋壓機(jī)的數(shù)控化改造，旋壓力為20 ×104N，產(chǎn)品精度達(dá)到了0.001 mm，達(dá)到了預(yù)期的要求。

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