周 洋 劉雪梅

（1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.上汽通用東岳動力總成有限公司，煙臺 264000）

隨著對車用發(fā)動機(jī)性能、質(zhì)量要求的不斷提高，發(fā)動機(jī)曲軸作為關(guān)鍵零件之一，其材質(zhì)由球墨鑄鐵升級為鍛鋼。與球墨鑄鐵曲軸相比，鍛鋼曲軸具有良好的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，但鍛鋼曲軸機(jī)械加工性能較差，加工工藝復(fù)雜，對加工程序要求較高?，F(xiàn)有NILES車-車?yán)瓩C(jī)床加工球墨鑄鐵曲軸的程序執(zhí)行邏輯單一，無雙通道加工程序執(zhí)行模式，刀具管理系統(tǒng)不完善，加工尺寸不易調(diào)整，無法滿足鍛鋼曲軸的工藝要求。因此，對搭載西門子840D sl 系統(tǒng)的NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床加工程序進(jìn)行研究設(shè)計，實現(xiàn)加工鍛鋼曲軸的技術(shù)要求。

西門子840D sl 系統(tǒng)多通道控制功能可同時選擇10 個通道運行，控制的進(jìn)給軸、主軸多達(dá)31 個。每個通道對應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的一個插補(bǔ)器，多個通道可以同時控制執(zhí)行多個插補(bǔ)器進(jìn)行插補(bǔ)運算，實現(xiàn)多個加工程序相互獨立執(zhí)行，為NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床雙通道加工程序設(shè)計提供有力支撐。文章為實現(xiàn)NILES車-車?yán)瓩C(jī)床兩個主軸同時加工鍛鋼曲軸，設(shè)計雙通道加工程序的關(guān)鍵部分和功能，對于鍛鋼曲軸質(zhì)量、機(jī)床穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 曲軸加工工藝分析

車-車?yán)窜囅骷庸ず蛙嚴(yán)庸さ慕M合加工工藝，其中車?yán)瓰檐囅髋c拉削結(jié)合的加工工藝[1]。根據(jù)鍛鋼曲軸加工工藝要求，NILSE 車-車?yán)瓩C(jī)床加工曲軸的位置在主軸頸處，如圖1 所示。為滿足曲軸加工質(zhì)量和節(jié)拍要求，結(jié)合機(jī)床夾具、中心夾緊裝置執(zhí)行順序，應(yīng)用西門子840D sl 系統(tǒng)雙通道功能，對曲軸加工工藝進(jìn)行雙通道工步設(shè)計。

圖1 鍛鋼曲軸加工位置

2 構(gòu)建雙通道加工程序

雙通道加工程序包括雙通道加工切削程序框架和輔助功能程序。通過機(jī)床參數(shù)設(shè)置多通道功能，將NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床第一、第二車削主軸分配到第一、第二通道中，實現(xiàn)進(jìn)給軸帶動左、右刀盤執(zhí)行運動控制。為完善機(jī)床雙通道功能，每個通道加工程序可獨立執(zhí)行，在可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）程序OB1 中編寫雙通道程序塊FC121、FC122，如圖2 所示。

圖2 PLC 程序功能

2.1 構(gòu)建雙通道加工切削程序框架

雙通道加工切削程序控制軸的運動、尾架的動作、中心夾緊裝置的位置、切削參數(shù)和輔助功能。NILES車-車?yán)瓩C(jī)床軸類型有4 種，分別為主軸、進(jìn)給軸、中心夾緊裝置移動軸和刀盤旋轉(zhuǎn)軸，其中主軸為第一車削主軸、第二車削主軸，進(jìn)給軸為X軸、Z軸、U軸、W軸，中心夾緊裝置移動軸為EL1軸，刀盤旋轉(zhuǎn)軸控制刀盤更換刀具。在機(jī)床實際切削過程中，尾架的動作與中心夾緊裝置夾緊的位置相互配合，保障工件切削過程的穩(wěn)定性。依據(jù)圖3 的工步流程和西門子840D sl系統(tǒng)數(shù)控加工程序的編寫規(guī)則，定義第一主軸與尾架，取消所有軸的零點偏移值，確定X、Z、U、W軸的機(jī)械原點，設(shè)定夾具夾緊子程序、工件坐標(biāo)系原點和中心夾緊裝置的初始位置?；贜ILES 車-車?yán)瓩C(jī)床刀庫類型為雙刀盤（左、右刀盤）結(jié)構(gòu)，設(shè)計雙通道加工切削程序?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)雙通道加工切削功能，其中X、Z軸驅(qū)動左刀盤，U、W軸驅(qū)動右刀盤，EL1軸驅(qū)動中心夾緊裝置。雙通道加工切削程序框架如圖4所示。

圖3 工步流程

圖4 雙通道加工切削程序框架

2.2 設(shè)置輔助功能程序

西門子840D sl 系統(tǒng)輔助功能通過在加工程序中調(diào)用M 代碼實現(xiàn)。為簡化機(jī)床外部開關(guān)，在加工切削程序框架基礎(chǔ)上編制輔助功能M 代碼開啟或停止輔助功能，即可實現(xiàn)開、關(guān)刀具監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控切削過程。開啟防錯功能，判斷機(jī)床的運行狀態(tài)。設(shè)置節(jié)拍時間，實現(xiàn)加工程序與人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）交互可視化。

設(shè)定加工程序與刀具管理信息交互，實現(xiàn)信息實時更新[2]。與球磨鑄鐵曲軸加工程序相比，鍛鋼曲軸雙通道加工程序邏輯、輔助功能完善，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床兩個刀盤同時加工且相互獨立，解決了鍛鋼曲軸加工時長問題。

3 刀具管理系統(tǒng)設(shè)計

刀具信息是加工程序的一部分。良好的刀具管理系統(tǒng)可以簡化加工程序的執(zhí)行邏輯，提高管理效率。刀具管理系統(tǒng)由刀庫、刀具信息數(shù)據(jù)、刀具信息數(shù)據(jù)寫入程序3 部分組成。

3.1 建立刀盤式刀庫

球磨鑄鐵曲軸加工程序僅調(diào)用西門子840D sl 系統(tǒng)預(yù)置的刀具管理基本功能，并不適用于雙通道加工程序，需要激活刀具管理高級功能。刀庫信息（刀庫類型、刀庫狀態(tài)等）由刀庫管理系統(tǒng)通過變量來定義，通常編寫以下系統(tǒng)參數(shù)，其中n為刀庫號。

$TC_MAP1[n]：刀庫類型（1 為鏈?zhǔn)降稁欤? 為刀盤式刀庫）

3.2 定義刀具信息數(shù)據(jù)

刀具信息數(shù)據(jù)是指刀具狀態(tài)數(shù)據(jù)和刀具參數(shù)。刀具狀態(tài)數(shù)據(jù)包括刀盤編號、刀位號、刀具名稱、刀沿位置編號等信息，如表1 所示。根據(jù)西門子840D sl系統(tǒng)刀具管理功能，刀具參數(shù)包括刀具類型、刀沿類型、幾何尺寸、磨損量、刀具后角角度和刀盤加工角度等。對刀具狀態(tài)進(jìn)行可靠監(jiān)測，可以降低廢品率，縮短機(jī)床停機(jī)時間，延長機(jī)床使用壽命，同時降低企業(yè)成本，提高生產(chǎn)效率[3-4]。

表1 刀盤1 刀具管理狀態(tài)數(shù)據(jù)

3.3 刀具信息數(shù)據(jù)寫入程序

分析刀具信息數(shù)據(jù)可知，刀具管理系統(tǒng)包含大量刀具參數(shù)。基于簡化操作，設(shè)計刀具管理數(shù)據(jù)數(shù)控程序，在手動數(shù)據(jù)輸入模式下運行此程序，將刀具管理數(shù)據(jù)寫入刀具管理畫面。數(shù)控寫入程序如下：

刀具管理系統(tǒng)功能與雙通道加工程序結(jié)合，分通道對刀具信息、狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)實時監(jiān)控。其中，刀具信息數(shù)據(jù)寫入程序打破手動輸入刀具信息的規(guī)則，實現(xiàn)數(shù)控程序與刀具管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，大大提高了刀具信息的效率和準(zhǔn)確度。

4 尺寸補(bǔ)償界面

NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床加工鍛鋼曲軸使用的刀具數(shù)量多，雙通道加工程序邏輯復(fù)雜，加工尺寸波動大，更改加工程序操作風(fēng)險大。開發(fā)尺寸補(bǔ)償界面（見圖5），為用戶提供圖形化操作界面。只需在界面上更改工藝尺寸，機(jī)床便會自動激活補(bǔ)償程序調(diào)整工藝尺寸。

圖5 主軸頸5 尺寸補(bǔ)償界面（單位：mm）

4.1 尺寸補(bǔ)償工藝分析

尺寸補(bǔ)償是依據(jù)加工工藝、刀具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)確定需要補(bǔ)償?shù)墓に嚦叽绾脱a(bǔ)償基準(zhǔn)。以NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床加工主軸頸5 為例，其尺寸補(bǔ)償如圖6 所示。加工尺寸補(bǔ)償主要分為軸向和徑向兩類，由此確定主軸頸5 的尺寸補(bǔ)償基準(zhǔn)[5]。其中：主軸頸5 軸向尺寸是以工件定位基準(zhǔn)球的左端進(jìn)行定位，其他軸向尺寸是以主軸頸5 的中心為基準(zhǔn)；徑向定位以曲軸的回轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)。由于多個尺寸的加工均使用同一把刀具，要考慮為該刀具增加多組刀沿數(shù)據(jù)。

圖6 主軸頸5 局部視圖（單位：mm）

4.2 尺寸補(bǔ)償界面寫入程序設(shè)計

尺寸補(bǔ)償界面寫入程序能夠簡化界面操作，應(yīng)用數(shù)控程序與尺寸補(bǔ)償界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，降低尺寸補(bǔ)償界面與PLC 程序信號交互的復(fù)雜程度。

根據(jù)主軸頸5 尺寸補(bǔ)償界面，明確工藝尺寸、刀具、加工程序用戶變量三者的對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計寫入程序。寫入程序主要包括補(bǔ)償尺寸、補(bǔ)償?shù)毒?、刀沿號和補(bǔ)償軸等信息[6]。該程序在加工程序中調(diào)用，即用戶激活補(bǔ)償畫面輸入正確范圍內(nèi)的補(bǔ)償數(shù)值并確認(rèn)后，加工程序在下一次加工過程中會自動調(diào)用寫入程序?qū)Τ叽邕M(jìn)行補(bǔ)償，同時復(fù)位補(bǔ)償信號，清空補(bǔ)償數(shù)值。尺寸補(bǔ)償界面降低了調(diào)整加工鍛鋼曲軸尺寸的難度，為雙通道加工程序執(zhí)行的穩(wěn)定性提供保障。主軸頸5 尺寸補(bǔ)償界面中補(bǔ)償位置編號12 ～14 的寫入程序如下：

程序開始

5 結(jié)語

文章基于西門子840D sl 系統(tǒng)在NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床上設(shè)計雙通道加工程序，實現(xiàn)了NILES 車-車?yán)瓩C(jī)床由加工球磨鑄鐵曲軸轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸ゅ戜撉S的目標(biāo)，推動了數(shù)控機(jī)床的智能化發(fā)展。通過完善刀具管理系統(tǒng)功能，提升鍛鋼曲軸雙通道加工程序執(zhí)行能力，同時開發(fā)尺寸補(bǔ)償界面，穩(wěn)定了雙通道加工程序的加工尺寸，為用戶提供可視、圖形化的操作界面。