文/范淑琴，趙升噸，梁錦濤，張琦·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

雙輥夾持旋壓成形數(shù)控實驗裝置的研制

文/范淑琴，趙升噸，梁錦濤，張琦·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，市場對一些具有復(fù)雜曲面法蘭結(jié)構(gòu)的薄壁回轉(zhuǎn)體零件的需求量越來越大，如廣泛應(yīng)用于供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)中的通風(fēng)設(shè)備、排氣過濾器，內(nèi)燃機(jī)的強力引風(fēng)罩、電除塵器喇叭口、高壓開關(guān)屏蔽罩、航空發(fā)動機(jī)延伸段和收斂段等，圖1所示為這些典型件的實物照片。

圖1 典型的具有復(fù)雜曲面法蘭的薄壁回轉(zhuǎn)體件

風(fēng)機(jī)機(jī)殼、風(fēng)筒等零件傳統(tǒng)的加工工序：首先將金屬薄板下料、卷制、焊接，得到粗成形的薄壁圓筒件，風(fēng)機(jī)零件上法蘭的成形基本采用按圓周方向分塊下料，之后每塊采用曲面板在模具上用沖床或油壓機(jī)熱壓制成形，然后再拼焊接成形得到法蘭邊，最后再與風(fēng)機(jī)風(fēng)筒焊接成形。該傳統(tǒng)加工方法工序繁瑣，造成生產(chǎn)效率和材料利用率低，而且法蘭和圓筒焊接時圓筒要承受高溫負(fù)荷，筒身易變形，影響筒身本身的剛度且無法保證圓筒外觀、尺寸及形位公差。

國際上較為著名的風(fēng)機(jī)制造企業(yè)的風(fēng)機(jī)零件質(zhì)量優(yōu)異，但是同類產(chǎn)品其售價為國內(nèi)價格的3～5倍，相當(dāng)昂貴。我國的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品相較于國外價格較低，但是受限于傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)零件生產(chǎn)設(shè)備和加工工藝，風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的表面質(zhì)量差、工作運行可靠性低。旋壓成形工藝綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)軋、橫軋和滾壓等工藝的優(yōu)點，具有少無切削的加工特點，是一種利用旋壓工具對旋轉(zhuǎn)坯料施加壓力，使坯料產(chǎn)生連續(xù)、逐點塑性變形的加工工藝。作為金屬塑性加工的一個重要分支，旋壓成形具有柔性好、成本低廉等優(yōu)點，適合加工多種金屬材料，是一種經(jīng)濟(jì)、快速成形薄壁回轉(zhuǎn)體零件的方法。國外著名的風(fēng)機(jī)制造企業(yè)正是普遍采用了旋壓成形技術(shù)，才生產(chǎn)出高質(zhì)量的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，但大型風(fēng)機(jī)機(jī)殼旋壓設(shè)備及工藝涉及技術(shù)保密，雖然國外有相關(guān)產(chǎn)品但無理論研究及成形工藝的相關(guān)報道。

為了開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)機(jī)機(jī)殼旋壓設(shè)備，筆者所在課題組提出了一種適合加工薄壁回轉(zhuǎn)體零件的曲面法蘭的新工藝，即雙輥夾持旋壓成形，采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法開展雙輥夾持旋壓成形的研究，以及雙輥夾持旋壓成形工藝的成形機(jī)理，建立相應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)庫。課題組研制了交流伺服電機(jī)驅(qū)動的三軸聯(lián)動雙輥夾持旋壓成形數(shù)控實驗裝置，為后續(xù)雙輥夾持旋壓成形的機(jī)理提供可靠的實驗平臺。

雙輥夾持旋壓成形數(shù)控實驗裝置

交流伺服電機(jī)驅(qū)動的三軸聯(lián)動雙輥夾持旋壓成形數(shù)控實驗裝置是在G-CNC6135型普通數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上研制的，由廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)，數(shù)控系統(tǒng)為廣數(shù)GSK928型數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)床采用不抬刀式自動刀架及導(dǎo)軌自動潤滑系統(tǒng)，運行穩(wěn)定、功能豐富，該機(jī)床的主要參數(shù)見表1。

■表1 G-CNC6135型普通數(shù)控車床主要參數(shù)

首先設(shè)計內(nèi)脹式夾具、雙輥夾持專用旋壓頭等關(guān)鍵零部件，將內(nèi)脹式夾具裝配到車床卡盤上，用來對薄壁回轉(zhuǎn)體毛坯件進(jìn)行夾持脹緊，將G-CNC6135型數(shù)控車床的刀架部分卸下，用雙輥夾持旋壓專用旋壓頭代替，該旋壓頭由伺服電機(jī)通過減速器帶動，進(jìn)行繞Y軸旋轉(zhuǎn)運動，同時利用車床原來的X軸和Z軸水平伺服驅(qū)動，實現(xiàn)旋壓頭的X軸和Z軸的水平運動，采用運動控制卡、計算機(jī)為核心的計算機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)旋壓頭用伺服電機(jī)和車床水平移動電機(jī)的伺服控制，最終實現(xiàn)旋輥的沿X軸和Z軸的水平運動以及繞Y軸的旋轉(zhuǎn)運動即三軸聯(lián)動，最終實現(xiàn)雙輥夾持旋壓成形過程的自動控制，雙輥夾持旋壓數(shù)控實驗裝置的實物如圖2所示。

圖2 雙輥夾持旋壓實驗裝置實物

圖3 內(nèi)脹式夾具

關(guān)鍵部件的設(shè)計

內(nèi)脹式夾具

內(nèi)脹式夾具結(jié)構(gòu)及加工出來的零件如圖3所示，主要包括：芯軸、分瓣模、推板等。芯軸的左端為圓柱面，作用是將內(nèi)脹式夾具整體裝夾到數(shù)控車床的三爪卡盤上，分瓣模的模瓣與芯軸右端面通過T形槽連接，內(nèi)六角螺栓的軸向旋進(jìn)旋出使得推板沿軸向進(jìn)給，實現(xiàn)分瓣模的閉合或張開。雙輥夾持旋壓成形前，首先將內(nèi)六角螺栓旋出，推板向右移動致使分瓣膜閉合，然后筒形坯料由夾具右端面裝入，之后再將內(nèi)六角螺栓旋入擰緊，通過擋板向左移動推動模瓣沿徑向張開，進(jìn)而夾緊坯料。

旋壓頭

如圖4所示，旋壓頭通過支架固定于數(shù)控車床的刀架位置上，由伺服電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動。旋壓頭主要由旋輥、旋座、旋輥支撐主桿和輔桿組成，旋座支撐并帶動旋輥支撐桿和旋輥轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對坯料的翻邊。旋座上安裝的兩個旋輥支撐桿，分別為旋輥支撐主桿和輔桿，其中主桿固聯(lián)在旋座上，而輔桿可以移動以調(diào)整兩旋輥之間的間隙，滿足不同壁厚工件的加工。旋壓頭伺服電機(jī)選用博美德SM130-150-15LFB型伺服電機(jī)，減速器為湖北行星傳動設(shè)備有限公司PL160型行星齒輪減速器。

圖4 旋壓頭

控制系統(tǒng)

根據(jù)雙輥夾持旋壓成形原理，坯料隨內(nèi)脹式夾具在主軸的帶動下以某一固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時旋壓頭有三個自由度的運動，即沿Z軸和X軸的直線運動，繞Y軸的轉(zhuǎn)動，最后實現(xiàn)帶法蘭薄壁回轉(zhuǎn)體件的雙輥夾持旋壓成形。

旋輥運動軌跡

實驗中工件跟隨內(nèi)脹式夾具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋輥上加載三個載荷：⑴沿Z軸方向的位移；⑵沿X軸方向的位移；⑶繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角位移。其中⑴和⑵是為了實現(xiàn)彎曲點不變，⑶是為了實現(xiàn)旋輥繞該彎曲點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)翻邊成形。圖5所示為實驗中的旋輥運動軌跡，成形時旋輥在Z-X平面以一定的角速度ω從起始點A開始運動，在時刻t到達(dá)B點，同時旋壓頭以角速度ω繞Y軸轉(zhuǎn)過θ角，由此得到旋輥的運動軌跡方程如下：

dx＝Rsin（ωt）

dz＝R（1-cosωt）

θ＝ωt

式中，dx——旋壓頭沿X軸方向的位移，單位mm；

R——旋壓頭轉(zhuǎn)動的圓弧半徑，單位mm；

ω——旋壓頭轉(zhuǎn)動角速度，單位rad·s-1；

t——旋壓頭運動時間，單位s；

dz——旋壓頭沿Z軸方向的位移，單位mm；

θ——旋壓頭繞Y軸的角位移，單位rad。

圖5 實驗中旋輥運動軌跡示意圖

控制系統(tǒng)原理

首先輸入圓弧插補數(shù)控程序，利用數(shù)控車床本身的數(shù)控系統(tǒng)去控制其Z軸和X軸方向的伺服電機(jī)，使伺服電機(jī)驅(qū)動安裝在刀架位置的旋壓頭按數(shù)控程序沿Z軸和X軸作水平運動，實現(xiàn)四分之一圓弧軌跡，同時將車床Z軸方向的伺服電機(jī)位置反饋信號引出，連接到固高運動控制卡的編碼器輸入端，該位置反饋信號經(jīng)固高運動控制卡被采集到計算機(jī)，之后經(jīng)過電機(jī)控制程序運算得到對應(yīng)的旋壓頭轉(zhuǎn)動的角位移，之后輸出相應(yīng)的位置脈沖去控制旋壓頭用伺服電機(jī)驅(qū)動器，進(jìn)而實現(xiàn)旋壓頭用伺服電機(jī)帶動旋壓頭繞Y軸轉(zhuǎn)動，并實時跟蹤車床Z軸和X軸方向的圓弧插補運動，保證了雙旋輥夾持坯料進(jìn)行旋壓成形時，繞一個定點翻邊。雙輥夾持旋壓成形實驗裝置控制系統(tǒng)如圖6所示，其實物如圖7所示。

圖6 雙輥夾持旋壓成形實驗裝置控制系統(tǒng)

圖7 雙輥夾持旋壓成形實驗裝置控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)硬件

雙輥夾持旋壓成形實驗控制系統(tǒng)的硬件主要包括數(shù)控車床的數(shù)控系統(tǒng)、旋壓頭控制用伺服電機(jī)驅(qū)動器、電機(jī)運動控制器。

⑴車床數(shù)控系統(tǒng)。車床數(shù)控系統(tǒng)為廣數(shù)GSK928型數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)采用8位和16位單片機(jī)組成的雙CPU系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件設(shè)計上采用中英文菜單操作方式，硬件上所用的I/O接口光電隔離。

⑵X軸和Z軸的伺服電機(jī)及其驅(qū)動器。X軸和Z軸的伺服電機(jī)為華中理工大學(xué)新型電機(jī)廠生產(chǎn)的STZ系列三相交流永磁同步伺服電機(jī)。X軸和Z軸的伺服電機(jī)驅(qū)動器均為廣州數(shù)控設(shè)備廠的DA98系列全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動器，型號分別為DA98-10、DA98-14。DA98交流伺服系統(tǒng)系國產(chǎn)第一代全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，采用國際最新數(shù)字信號處理器DSP、大規(guī)模可編程門陣列CPLD和MITSUBISHI智能化功率模塊IPM，集成度高、體積小、保護(hù)完善、可靠性好。

⑶旋壓頭用伺服電機(jī)驅(qū)動器。旋壓頭用伺服電機(jī)驅(qū)動器為博美德SA3L10B型驅(qū)動器，該驅(qū)動器采用德國進(jìn)口模塊，專業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計，先進(jìn)的PID算法，能與電機(jī)參數(shù)實現(xiàn)無縫聯(lián)接，使電機(jī)性能達(dá)到最佳效果。針對該伺服驅(qū)動器博美德公司配有獨立研發(fā)的SA系列伺服驅(qū)動器專用型軟件Servofly，能實時采集速度和轉(zhuǎn)矩波形，便于調(diào)試和分析。

⑷運動控制器。電機(jī)控制系統(tǒng)中的控制器選用固高科技有限公司生產(chǎn)的GE-400-SV-PCI-G型固高運動控制器，該控制器以IBM-PC及其兼容機(jī)為主機(jī)，提供標(biāo)準(zhǔn)PCI總線，可以輸出模擬量和脈沖量，能實現(xiàn)四個軸的協(xié)調(diào)運動和高速的點位運動，其核心是由DSP和FPGA組成，可以實現(xiàn)高性能的控制計算。該運動控制器提供C語言函數(shù)庫和Windows動態(tài)鏈接庫，可實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，可以將這些控制函數(shù)和自己控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起，建立符合特定應(yīng)用要求的控制系統(tǒng)。

在雙輥夾持旋壓實驗系統(tǒng)中，需要控制旋壓頭的角位移，因此選擇伺服電機(jī)的位置控制模式，伺服電機(jī)驅(qū)動器設(shè)置為位置控制方式，同時固高運動控制器設(shè)為脈沖輸出模式。控制器在脈沖輸出方式下有兩種工作模式，一種是脈沖＋方向信號模式，另一種是正/負(fù)脈沖信號模式，本文采用固高控制器默認(rèn)的脈沖＋方向信號模式。

圖8所示為固高運動控制器接線示意圖，首先將固高運動控制器插入計算機(jī)PCI插槽，通過并口線將控制器信號端引出至固高運動控制器接線端子板，通過穩(wěn)壓電源給端子板通24V電源，控制軸CN7接數(shù)控車床Z軸伺服電機(jī)驅(qū)動器編碼器輸出信號，將其反饋到固高運動控制器中，控制軸CN6接博美德伺服電機(jī)驅(qū)動器的控制信號，通過電機(jī)控制程序，根據(jù)車床Z軸伺服電機(jī)驅(qū)動器編碼器輸出信號給博美德電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送相應(yīng)的位置脈沖信號。這樣，通過車床數(shù)控系統(tǒng)和旋壓頭電機(jī)控制系統(tǒng)的相互配合，最終實現(xiàn)旋壓頭在Z軸和X軸方向的圓弧插補運動，以及繞Y軸的轉(zhuǎn)動，滿足雙輥夾持旋壓成形過程中旋輥運動軌跡的要求。

圖8 固高運動控制卡接線示意圖

控制系統(tǒng)軟件

⑴車床數(shù)控程序。車床數(shù)控程序為簡單的圓弧插補程序，在雙輥夾持旋壓成形不同工藝參數(shù)的工件時，只需改動圓弧半徑、終點坐標(biāo)、進(jìn)給速度等參數(shù)。該程序可以實現(xiàn)旋壓頭沿車床的X方向和Z方向的運動插補，最后使得旋壓頭在Z-X平面完成一個圓弧軌跡。

⑵旋壓頭用伺服電機(jī)控制。電機(jī)控制程序是在Visual C＋＋編程環(huán)境下，利用固高運動控制指令函數(shù)動態(tài)鏈接庫進(jìn)行程序編制的，可實現(xiàn)旋壓頭用伺服電機(jī)的位置控制，并且可實現(xiàn)旋壓頭伺服電機(jī)繞Y軸的角位移與旋壓頭的水平X方向和Z方向的差補運動相匹配，滿足雙輥夾持旋壓成形中運動軌跡的需求。

⑶數(shù)據(jù)采集程序。為了得到雙輥夾持旋壓成形過程中旋壓轉(zhuǎn)矩的變化情況，將旋壓頭用伺服電機(jī)驅(qū)動器的串口與計算機(jī)串口通過串口線相連，采用Microsoft Communications Control（MSComm）控件，根據(jù)博美德伺服電機(jī)驅(qū)動器串口通訊協(xié)議，用VC語言編寫串口數(shù)據(jù)采集程序，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)采集到計算機(jī)中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到旋壓頭雙輥夾持旋壓成形時的轉(zhuǎn)矩變化數(shù)據(jù)。雙輥夾持旋壓成形用電機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集程序可以配合數(shù)控車床的數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)雙輥夾持旋壓成形控制，并實現(xiàn)成形轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)采集工作。

雙輥夾持旋壓成形實驗

圖9所示為雙輥夾持旋壓成形實驗全過程，可見該實驗裝置可滿足雙輥夾持旋壓成形中旋輥運動軌跡的需求，使雙輥夾持旋壓成形能夠順利進(jìn)行。

圖9 雙輥夾持旋壓成形實驗過程

結(jié)束語

在現(xiàn)有普通數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)上研制的交流伺服電機(jī)驅(qū)動的三軸聯(lián)動雙輥夾持旋壓成形數(shù)控實驗裝置，可以實現(xiàn)雙輥夾持旋壓成形時坯料的夾緊，滿足旋輥運動軌跡的需求，并實現(xiàn)了整個雙輥夾持旋壓成形過程的自動控制，為雙輥夾持旋壓成形實驗提供了可靠平臺。