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艙體非（fēi）連續內型麵數（shù）控銑削控製係統設計

2020-4-30 來源：上海航天精密（mì）機械研究所作者：張維軒黎（lí）朝暉何軍周願願張小龍（lóng）

摘要: 為了提（tí）高艙體（tǐ）內型麵加工的效率和自動化（huà）程度，突破艙體加工工（gōng）藝瓶頸，研製（zhì）了基於西門子 828D數控係統的銑削專用加工設備（bèi）。並針對設（shè）備結構特點和（hé）加（jiā）工的（de）特殊（shū）需求，設計開發了該設備的數控係統，完成數控係統的 PLC 程序和艙體內型麵加工的數控編程，並通過了實際工件的工藝試驗驗證。試驗結果表明該設備及（jí）數控係統運行穩定可靠，滿（mǎn）足零（líng）件加工需求（qiú），有效提高了加工效率。

關鍵詞: 艙體內型麵; 西門子 828D; 銑削加工

非連續內型麵結構可以有效地減輕艙體重量、降低成本，此類結構遍布於多種武器型號鎂鋁合金鑄造艙體中［1］。以某型（xíng）號艙體為例（lì），艙體（tǐ）內型麵結構如圖1 所示。

對其（qí）內型（xíng）麵結構進（jìn）行了工藝（yì）分析: 該艙體大（dà）致呈圓柱體，選擇艙體左端麵為夾持麵( 借用艙體左端麵的銷孔進行定位) ，刀具從右端（duān）麵進入艙（cāng）體（tǐ）內部加工。艙體內（nèi）型（xíng）麵結（jié）構十分複雜，為了提高艙體加工效率，保（bǎo）證艙體加工精度和質量，迫切需要研製一台專用的數控銑削專用機床。機（jī）床結構部分已經設（shè）計完成，需要研（yán）製一套可（kě）以配合機床結構的控製係統，滿（mǎn）足艙體內型麵（miàn）加工要求並提高加工效率，進而實現（xiàn）艙體的批量生產加（jiā）工（gōng）。

1 、設備控製係統硬件布局

控製係統的設計（jì）主（zhǔ）要包括兩部分: 硬件（jiàn）結構的布局和軟件程序的設計（jì）。其中，硬件結構的布局主要是數控裝置、PLC、伺服（fú）驅動器、伺（sì）服電動機、反饋係統以及其他輔助裝置的集（jí）成; 軟件程序（xù）設計主要（yào）包括機床參數設置、PLC 編程等（děng）程（chéng）序設計（jì）。控製係統（tǒng）是數（shù）控機床的（de）核心部（bù）分，主要包括數控係統（tǒng）、驅動係統以及反饋係統三部分［3］。數控係統由數控裝置、PLC、控製（zhì）麵板、手輪、人機接口單（dān）元組成，信息通過控製（zhì）麵板和手輪輸入到數控裝置中，經處理後再傳輸到 PLC 和驅動器中; 驅動係統具（jù）體由電源模塊、電動機模塊、伺（sì）服電動（dòng）機等部件組成，主要任務是執行加工信息（xī），帶動機床移動部件實現艙體內型麵銑削加（jiā）工; 反饋（kuì）係統主要由光柵尺、圓光柵、編碼器和集（jí）線器等部件組成，它（tā）的作用是實時測量加工的當前位置，通過編碼器處理將信息反饋（kuì）給控製係統，使控製係（xì）統實時對驅（qū）動係統（tǒng）進行調（diào）整（zhěng）和誤差補償。控製係（xì）統原理如圖 2 所示。

1. 1 數控係（xì）統布局與選型

數控係統是控製係統的核心部分，數控係統的型號（hào）對機（jī）床的工作方式、工作效（xiào）率有決（jué）定性作用。根據機床工作原理和艙體加工需求對數控係統進（jìn）行（háng）選型，考慮可靠性和性（xìng）價比等因素（sù），最終選擇（zé）西門子SINUMEＲIK 828D 數控（kòng）係統，它（tā）是將 CNC、PLC、HMI( 人機（jī）界麵) 、閉環控（kòng）製功能和通訊功能集合（hé）成一個數控單元 NCU 的數控係統［4］，極大地提高（gāo）了係統的耐久度和可靠性。西門子 828D 數控係統實物如圖 3所示。

根據（jù）所選數控係統的型號設計適合其工作原理的控（kòng）製係統電氣圖，控製係統電氣圖是控製係統總體和（hé）局部設計的說明書（shū），主要包括 AC 電源電氣圖、數控係統電氣圖、驅動連接電氣圖、反饋係（xì）統（tǒng）電氣圖、其他輔助電氣圖等。總電源為 380 V/50 Hz 交流電（diàn），通過變壓器、整流器和電抗器轉化為 24 V 直流（liú）電給數控（kòng）係統、電源模塊和反饋（kuì）係統供電。數控係統連接如圖 4所示。

1. 2 驅動係統設計與選（xuǎn）型（xíng）

驅動係統是（shì）控（kòng）製係統的重要組成部分，主要包括伺服驅動器、伺服電動機、驅動電路（lù）等部件。其中，伺服電動機（jī）和伺服驅動器是主（zhǔ）要部件。

伺服電動（dòng）機分為永磁同步伺服電動機和感（gǎn）應異步（bù）伺服電動機。永磁同步伺服電（diàn）動機在反應速度、控製精度、可靠性等各個方麵都優異於（yú）感應（yīng）異步伺服電（diàn）動（dòng）機，因（yīn）此選擇永磁同步型（xíng）。在伺服（fú）電動機具體型號的選擇上，分別根據轉速要求計算（suàn）、轉動慣（guàn）量要求計（jì）算和轉矩要求計算綜合考慮伺（sì）服電動機型號的選擇; 又依據價格、係統（tǒng）兼容性（xìng）等實際問題，最終選（xuǎn）擇西門子1FK7 係列伺（sì）服電動機。具體為 2 個 1FK7103 －2AC71－1ＲH1 型（xíng）號、2 個 1FK7084－2AF71－1ＲH1 型號和 1 個（gè）1FK7083－2AF71－1ＲH1 型號（hào）的伺服電動機，其容量分別為: Y 軸和 Z 軸 ( 3. 1kW/20N · m) 、X 軸和（hé）主軸( 5. 2kW/36N·m) 、A 軸( 3. 8kW/16N·m) 。

為了（le）配合西門子 1FK7 型號係列伺服電動機，選（xuǎn）擇西門子公司最（zuì）新一代驅動器———Sinamics S120 驅動器。該驅動器采用最先進的硬件、軟（ruǎn）件和通訊技術，可以（yǐ）自動識別 1FK7 係列伺（sì）服電動（dòng）機，具有更好的控製精度和動態控製特性。根據各（gè）軸伺服電動機的（de）總容（róng）量，最終選擇了 Sinamics S120 書本型非調節驅動器，包含 16 k W 的（de）電源模塊、主軸 X 軸共用的雙軸電動機模塊、Y 軸 Z 軸共用的雙軸（zhóu）電動機模塊和 A 軸的單軸電動機模塊。驅動器連接（jiē）如圖 5 所示。

電（diàn）流經過（guò）熔斷（duàn）器、濾波器、電抗器等電路元件進入電源模塊，再由電源模（mó）塊給 3 個電動機模塊供電; 主軸 Z軸電動機模（mó）塊的 X200 接口通過 DＲIVE CLIQ 通訊電（diàn）纜與數（shù）控係統（tǒng） X100 接口（kǒu）連接通訊，3 個電機模塊之間也通過 DＲIVE CLIQ 通（tōng）訊電纜連接通訊; 電（diàn）動機模塊的 X202、X203 接口與各台伺服電動機（jī）連接通訊（xùn）。

1. 3 反饋係（xì）統設計

在實際加工中，由於很多不確定因（yīn）素和機床固有問題的（de）存在，導致了多種類型（xíng）的加工誤差，因此需要一個反饋係統對加工情況進行實時監測和信息反饋，使數控係統及時做出調整以（yǐ）補償加工誤差。數控係統、驅動係統和反（fǎn）饋係統構成了一套完整的閉環控製係統，根據反饋係統測量位置的不同，分為半閉（bì）環（huán）控（kòng）製係統和全閉環控製係統，如圖 6 所示。

由於（yú）全閉環控製係統是直接將加工位移信息反饋給數控係（xì）統（tǒng），從而使加工精（jīng）度更（gèng）高（gāo），因此采用全閉環控製（zhì）係統方案。全閉環控製係統中，反饋係統的（de）測量元件位於機床移動部（bù）件上，使用光柵尺作為 XYZ 軸（zhóu）直線位置測量元件，使用圓光柵作為 A 軸角度測量（liàng）元件。根據價格性能對比，光柵尺選（xuǎn）擇海德漢公司的 LC485係列絕對式直線光柵尺，精度等級為±3 μm，輸出（chū）信號為（wéi） EnDat2. 2; 圓光柵選擇海德漢公（gōng）司的（de）絕對值圓（yuán）光柵ＲBN2239。反饋係統連接如圖 7 所（suǒ）示。

光柵尺和圓（yuán）光柵測量到位置和角度信息通過編碼器 SMC20 處理，將信息轉換為電（diàn）信號傳輸至集線器DMC20，信號經過放大處理傳（chuán）輸至數控係統。數控係統再根據信號（hào）控製驅動係統對（duì）加工誤差實時補償，最終實現全（quán）閉環控製。該設備全閉環控製（zhì）係統如圖 8所示。

2 、設備控製係統（tǒng）軟件編程

PLC 是實現數控係統與機床信息交換的模塊，是數控係（xì）統（tǒng）和機床機械結構之間連接的紐帶。PLC 的工作方式（shì）是采（cǎi）用循環掃描的模式［5］，在程序（xù）開始執行的時候（hòu），所有輸入的狀態都被發送（sòng）至輸入映像寄（jì）存（cún）器，之後才開始執行用戶程序。所有的用戶子程序都是通過主程序 OB1 順序調用執行的，當一個掃描周期完成的（de）時候，所有的（de）結果都被傳送至輸（shū）出映像寄存器用以控製 PLC 實際（jì）輸出，如此循環往複。PLC 可以接受數控裝（zhuāng）置發出的控製指令，還可以接受機（jī）床測量係統反饋的信號，進而發送控製指令到機床驅動係（xì）統（tǒng）進行調整和誤差補償，同時（shí）也可以控製繼電器、報警指示燈（dēng）等外圍元件［6］。

PLC 接口信號負責 PLC 和數控係統、PLC 和 HMI 之（zhī）間的信息（xī）交換（huàn），常規的功能主要包括 MCP( 機床操作（zuò）麵板) 、手輪、急停、主軸進給軸使能、報警排屑等邏輯控製，對於不同功能的機床，根據係統的需要外加一些控製功能。該專機的控製（zhì）程序如圖 9 所示。

SINUMEＲIK 828D 集成基於（yú） SIMATIC S7 － 200 的PLC，采用梯（tī）形圖編程（chéng）的方式可支持高達（dá） 24000 步指令（lìng）語句，使（shǐ）用“Programming Tool PLC828”進行 PLC 程序的編（biān）輯、診斷，其（qí）中（zhōng） OB1 隻能用來調用子（zǐ）程序，具體如（rú）圖 10 所示。

PLC 軟件的設計直接影響著（zhe）數控機床加工（gōng）的（de）質量。PLC 的編程采用梯形圖的方式，具有直觀易懂的優勢，以快速進（jìn）給控製功能梯（tī）形圖為例，如圖 11所示。

3、工（gōng）藝試驗

工（gōng）藝試驗是檢驗（yàn）該設備是否可以滿足加工生產要求的有（yǒu）效途徑，工藝試驗流程如圖 12 所示（shì）。

3. 1 數控銑削 G 代碼編程

在 Pro /E 製造模塊中，設計（jì）並生成走刀路徑和刀（dāo）位信息，如（rú）圖（tú） 13 所示。

通（tōng）過設計後置處理係（xì）統，編輯並生成 NC 代碼。NC 代碼分（fèn）為開端、主體、結尾，程序內容如下:

( 1) 程（chéng）序（xù）開端

( 2) 程序主體

( 3) 程序結（jié）尾

3. 2 工藝應用試驗與結果分析

使用 VEＲICUT 軟件進行仿真加工，經過仿真模擬，如圖 14 所示，發現了加工幹涉的問題，經分（fèn）析是坐標係設置和 Z 向插補過深等（děng）問題引起，對 NC 程序進行改進，解決了加工幹涉等問題。

對某型號艙體做（zuò）數控加工試驗，艙（cāng）體裝（zhuāng）夾定位後，使用上述編譯完善的數控程序進行銑削加工，依據鎂鋁合金切削手冊和艙體內型麵（miàn）加工經驗對（duì）主（zhǔ）軸轉速和進給速率的優（yōu）化進行工藝試驗和結果分析，加工現場如圖 15 所示（shì）。

實際試驗中發現數控係統運行時遇到電磁幹擾的問題，為（wéi）此重（chóng）新設（shè）計了電氣櫃結構，將電氣櫃的強電弱電分隔開; 初次試驗時加工表麵粗糙度以及加工效率（lǜ）未達到預（yù）期要求（qiú），主要是由於程序設定的切削參（cān）數以及刀軌路徑不夠優化等問題引起，為此對（duì）後置處（chù）理進行優化，使加工質量和效率得到明顯提高。經過多（duō）次加工試（shì）驗結果表明: 當主軸（zhóu）轉速 S 為 1 500 r/min，X軸進給速率為50mm/min，Y軸（zhóu）進給速率為（wéi）50 mm / min，Z 軸進給速率為 200 mm / min，該專機滿足加（jiā）工要求（qiú）; 該數控（kòng）銑削專機的加工效率相對於手動銑削機床提高了 3 倍; 加工後的艙體（tǐ）內型（xíng）麵精度（dù）符合要求（qiú），合格率達 100%。

4 、結（jié）語

該設備的（de）數控係統經設（shè）計和工藝試驗（yàn）驗證，係統硬件和軟件設計正確，數控（kòng）加工的程序編製合理可行。通過實際艙體內型麵的銑（xǐ）削加工，加工（gōng）精度和效率能夠滿足典型艙體內型麵結構的加工需求，設（shè）備運行穩定可靠，可應用於型號（hào）產品批量生產。

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