航天異形緊固件加工多工位機(jī)床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李雪曉 李 闊 畢星瑞

（①安陽鑫盛機(jī)床股份有限公司，河南 安陽 455000；鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；國家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 101312）

航空航天領(lǐng)域的制造水平的高低，是一個(gè)國家綜合制造實(shí)力的體現(xiàn)。近些年航空航天領(lǐng)域的高速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了神舟系列載人飛船的順利升空，空間站的在軌運(yùn)行，我國的航天事業(yè)取得了令人矚目的成就。隨著航空領(lǐng)域越來越受到關(guān)注，航空器的各類結(jié)構(gòu)組成件的加工技術(shù)問題也備受重視[1]。

航天異形緊固件作為航空航天器的基礎(chǔ)連接件，它的精度高低直接影響著航天器的裝配制造精度和整機(jī)運(yùn)行的可靠性[2]。大型關(guān)鍵航天構(gòu)件由專門精密機(jī)床進(jìn)行加工，但機(jī)床核心技術(shù)仍受制于國外機(jī)床制造公司，對我國存在著一定程度的技術(shù)封鎖。相比于重要構(gòu)件，異形緊固件有體積尺寸較小、應(yīng)用面廣和加工精度要求高的特點(diǎn)，但行業(yè)存在著加工設(shè)備落后、加工工序分散，加工效率和加工精度低的問題。通過引進(jìn)國外機(jī)床加工技術(shù)，不僅引進(jìn)成本較高，后期運(yùn)行維護(hù)成本也較大，而且無法掌握機(jī)床加工核心技術(shù)，提升我國的航空航天領(lǐng)域制造業(yè)競爭力。

為滿足企業(yè)緊固件月計(jì)劃產(chǎn)能4.5 萬件，解決航天異形緊固件生產(chǎn)的加工難題，針對某型號(hào)緊固件特開發(fā)出該多工位自動(dòng)化組合機(jī)床，并對機(jī)床的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將多軸運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)用于機(jī)床的加工控制系統(tǒng)。

1 多工位組合機(jī)床的總體設(shè)計(jì)

1.1 異形緊固件工藝設(shè)計(jì)

異形緊固件毛坯預(yù)制為冷鐓加工，內(nèi)孔預(yù)制有?4.6 mm 孔，外圓尺寸精度較高可做為內(nèi)孔加工的裝夾基準(zhǔn)。緊固件內(nèi)孔加工需求為臺(tái)階孔、兩端錐角、MJ 螺紋，緊固件加工成品詳細(xì)尺寸如圖1 所示。

圖1 緊固件加工成品尺寸圖

緊固件現(xiàn)階段的生產(chǎn)工藝為：裝夾緊固件外圓→車緊固件臺(tái)階孔、螺紋底孔和左端錐角→掉頭裝夾→車右端錐角→裝夾于攻絲機(jī)上攻螺紋。該加工過程中，緊固件需要多次裝夾，在不同機(jī)床上完成所有尺寸加工。多次裝夾影響緊固件的加工精度，分散加工增加輔助工時(shí)，不僅降低生產(chǎn)效率，而且成品的一致性差。

通過對緊固件加工工藝分析優(yōu)化[3]，綜合機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，緊固件的生產(chǎn)工藝更改為：自動(dòng)上料氣動(dòng)夾緊外圓→激光測定臺(tái)階厚度內(nèi)部換算刀具起點(diǎn)→擴(kuò)孔加工→鉸孔加工→倒右端錐角→攻螺紋。在該工藝中，緊固件通過中空氣動(dòng)卡盤夾緊，只需一次裝夾，通過轉(zhuǎn)盤分度，即完成各個(gè)工序內(nèi)容的同時(shí)加工，提高加工精度和加工效率，實(shí)現(xiàn)緊固件的自動(dòng)化生產(chǎn)。

1.2 多工位機(jī)床的整機(jī)結(jié)構(gòu)及動(dòng)作流程

參考組合機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]，結(jié)合緊固件的加工工藝，通過相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算和選型，確定采用八工位轉(zhuǎn)盤分度，該多工位組合機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 多工位機(jī)床結(jié)構(gòu)圖

整機(jī)加工的工作流程為：振動(dòng)盤理料滑入氣動(dòng)定位槽→上料氣動(dòng)手指內(nèi)漲取料→送料氣缸平移送料→氣動(dòng)卡盤夾緊工件→轉(zhuǎn)盤分度→定位銷伸出定位→激光測距→定位銷縮回→轉(zhuǎn)盤分度→轉(zhuǎn)盤定位銷伸出定位→擴(kuò)孔加工→定位銷縮回→轉(zhuǎn)盤分度→轉(zhuǎn)盤定位銷伸出定位→鉸孔加工定位銷縮回→轉(zhuǎn)盤分度→轉(zhuǎn)盤定位銷伸出定位→倒角加工→定位銷縮回→轉(zhuǎn)盤分度→轉(zhuǎn)盤定位銷伸出定位→攻螺紋加工→定位銷縮回→轉(zhuǎn)盤分度→轉(zhuǎn)盤定位銷伸出定位→內(nèi)孔清洗→定位銷縮回→轉(zhuǎn)盤分度→轉(zhuǎn)盤定位銷伸出定位→下料氣動(dòng)手指內(nèi)漲取料→氣動(dòng)卡盤松開工件→送料氣缸平移送料→氣動(dòng)手指縮回放料。

2 多工位機(jī)床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 多工位機(jī)床控制系統(tǒng)平臺(tái)搭建

由多工位機(jī)床的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)孔、鉸孔、倒角、攻螺紋單元加工主軸和Z軸進(jìn)給均采用伺服電機(jī)提供動(dòng)力。轉(zhuǎn)盤在分度過程中要求轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，采用伺服電機(jī)配減速機(jī)通過帶傳動(dòng)確保分度精準(zhǔn)。機(jī)床伺服軸較多，故選用正運(yùn)動(dòng)ZMC406 多軸運(yùn)動(dòng)控制器為控制核心，通過脈沖控制伺服，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高[5]。運(yùn)動(dòng)控制器以ZDevelop 軟件作為PC 端程序的開發(fā)調(diào)試。程序以ZBasic 為編程語言，連接到運(yùn)動(dòng)控制器通過對伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入實(shí)現(xiàn)對各個(gè)伺服電機(jī)軸的控制。該多工位機(jī)床的整機(jī)控制方案如圖3 所示。

圖3 整機(jī)控制原理圖

通過二位五通電磁閥控制氣體的通斷，實(shí)現(xiàn)緊固件的上下料、夾緊，以及分度轉(zhuǎn)盤的定位和加工過程中的吹氣。測距工位的激光位移傳感器測定緊固件臺(tái)階厚度，程序自動(dòng)處理得出刀具加工起點(diǎn)位置。兩個(gè)霍爾傳感器，用于感應(yīng)分度轉(zhuǎn)盤在啟動(dòng)后是否處于零位，以及分度是否到位配合定位銷使用。

上位機(jī)用C#語言，在Microsoft Studio 環(huán)境內(nèi)進(jìn)行上位機(jī)程序的編寫和調(diào)試。為方便操作人員對機(jī)床操作和參數(shù)設(shè)置，觸摸屏采用工控一體機(jī)，配備Windows 操作系統(tǒng)，具有快速響應(yīng)和大量加工數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力[6-7]。工控一體機(jī)觸摸屏和運(yùn)動(dòng)控制器通過Ethernet 百兆網(wǎng)口進(jìn)行通訊。Ethernet 通訊接口和EthereCAT 通訊接口均采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)RJ45。

2.2 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合多工位機(jī)床結(jié)構(gòu)和總體控制系統(tǒng)平臺(tái)，要實(shí)現(xiàn)緊固件的加工，控制系統(tǒng)需控制機(jī)械結(jié)構(gòu)完成的具體動(dòng)作：（1）能夠控制與機(jī)械主軸相聯(lián)結(jié)的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，達(dá)到緊固件內(nèi)孔的光潔度要求。（2）能夠?qū)χ本€模組配備的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，并能控制Z軸上升下降的具體停靠位置。（3）能夠控制多工位分度轉(zhuǎn)盤每次均勻分度，并在分度完成后控制定位銷升降實(shí)現(xiàn)定位。（4）能夠控制自動(dòng)上下料機(jī)械夾爪，在上料工位無待加工件時(shí)上料，下料工位有加工完成件時(shí)取料。（5）能夠控制激光測距傳感器，在有待加工件時(shí)將刀具加工零位數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)系統(tǒng)，進(jìn)行加工換算。（6）能夠監(jiān)測每個(gè)工位的加工狀態(tài)，停機(jī)再生產(chǎn)啟動(dòng)后可完成后續(xù)加工。（7）可對刀具使用壽命進(jìn)行檢測，達(dá)到預(yù)設(shè)加工次數(shù)后設(shè)備報(bào)警提示，進(jìn)行刀具更換。（8）可實(shí)現(xiàn)對切削加工過程中的冷卻潤滑與吹氣的通斷控制等[8]。多工位組合機(jī)床的控制系統(tǒng)方案原理如圖4 所示。

圖4 控制原理方案簡圖

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)緊固件加工機(jī)床的功能要求，對實(shí)現(xiàn)該加工功能進(jìn)行模塊劃分。根據(jù)控制流程和加工工藝將控制系統(tǒng)劃分為加工前處理模塊、加工模塊和加工過程中處理模塊，方便程序的模塊化設(shè)計(jì)以及后續(xù)對各個(gè)模塊進(jìn)行銜接[9]。系統(tǒng)的模塊框架如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)框架圖

通過對控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，在三大模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行了細(xì)分出各個(gè)具體功能模塊[10]。每個(gè)小功能模塊下可再細(xì)分為自動(dòng)/手動(dòng)兩種操作模式，分別進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，方便對各個(gè)模塊單獨(dú)調(diào)用和調(diào)整，提高編程的效率。

多工位機(jī)床的觸摸屏采用工業(yè)控制一體機(jī)，具有高速處理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。利用C#語言進(jìn)行控制界面的編寫，通過人機(jī)界面交互操作，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的方便直觀操作[11]。機(jī)床觸摸屏參數(shù)設(shè)置界面如圖6 所示。

圖6 觸摸屏參數(shù)設(shè)置界面

在操作界面，可進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)界面的切換。自動(dòng)化界面可實(shí)時(shí)顯示加工主軸轉(zhuǎn)速和Z軸移動(dòng)位移。切換至手動(dòng)界面時(shí)，可進(jìn)行加工速度、加工刀具參數(shù)的設(shè)定，并可對各個(gè)部件實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。在觸摸屏界面最下方有機(jī)床工作日志，方便對機(jī)床的加工狀態(tài)進(jìn)行定期統(tǒng)計(jì)分析。

3 多工位機(jī)床系統(tǒng)調(diào)校及試加工

3.1 整機(jī)系統(tǒng)調(diào)校

組合機(jī)床的調(diào)校，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)相對位置的校正和控制程序的調(diào)試。機(jī)床上電后，通過Ethernet接口連接至PC 端ZDevelop 軟件，將編制程序通過PC 端連接至運(yùn)動(dòng)控制器，下載到運(yùn)動(dòng)控制器[12]。設(shè)計(jì)的機(jī)床按照控制程序模塊進(jìn)行分步動(dòng)作調(diào)試。

機(jī)床單步動(dòng)作調(diào)校完成后，可利用緊固件樣品對機(jī)械動(dòng)作進(jìn)行驗(yàn)證。調(diào)校時(shí)出現(xiàn)加工主軸與緊固件定位卡盤不同心，通過利用加工主軸自加工方式，對氣動(dòng)卡盤軟爪進(jìn)行加工，保證兩者同心。

對分度轉(zhuǎn)盤控制調(diào)校時(shí)，轉(zhuǎn)盤外徑和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，會(huì)出現(xiàn)分度位置過沖的情況，為解決該問題，在轉(zhuǎn)盤下方增加霍爾開關(guān)。當(dāng)伺服電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤按照程序預(yù)設(shè)度數(shù)分度到位時(shí)，開關(guān)觸發(fā)，轉(zhuǎn)盤定位銷伸出，確保轉(zhuǎn)盤分度位置準(zhǔn)確，解決方案如圖7所示。圖中一個(gè)開關(guān)為機(jī)床上電后轉(zhuǎn)盤復(fù)位感應(yīng)開關(guān)，另一個(gè)為加工過程中防止轉(zhuǎn)盤過沖感應(yīng)開關(guān)。

圖7 增加霍爾開關(guān)

3.2 試加工及分析

企業(yè)現(xiàn)有加工模式對緊固件加工的實(shí)際情況見表1。企業(yè)現(xiàn)階段加工精度和效率都較低，無法滿足企業(yè)月計(jì)劃產(chǎn)能需求。

表1 企業(yè)分散加工結(jié)果分析

按照程序模塊對機(jī)床動(dòng)作調(diào)試完成后，整機(jī)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)程序的空運(yùn)行。空運(yùn)行一段時(shí)間，無任何故障后，進(jìn)行小批量緊固件的試加工。對試加工緊固件結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表2。

表2 多工位機(jī)床加工結(jié)果分析

利用研發(fā)組合機(jī)床加工緊固件，提高零件的加工精度和加工效率，成品緊固件的尺寸一致性較好，滿足企業(yè)月計(jì)劃4 萬件的加工需求。該多工位組合機(jī)床的實(shí)物如圖8 所示。經(jīng)該多工位機(jī)床試加工出的異形緊固螺母部分成品如圖9 所示。

對比兩種生產(chǎn)模式下緊固件的加工結(jié)果，研制該組合機(jī)床達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高了緊固件加工技術(shù)水平。

4 結(jié)語

針對異形航天緊固件內(nèi)孔加工工序分散、加工效率和精度低的問題，研發(fā)出多工位自動(dòng)化機(jī)床。機(jī)床采用“工控PC 機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器”的模式，設(shè)計(jì)機(jī)床控制系統(tǒng)，配合機(jī)械結(jié)構(gòu)完成特定型號(hào)異形緊固件內(nèi)孔尺寸的精加工。

（1）該機(jī)床可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，通過一次裝夾完成內(nèi)孔尺寸加工，提高加工的精度和效率。

（2）所有加工工序集中于一臺(tái)加工設(shè)備，避免了緊固件加工過程中的多次周轉(zhuǎn)和裝夾，縮短輔助加工時(shí)間。

（3）經(jīng)實(shí)際加工驗(yàn)證，研發(fā)機(jī)床加工緊固件成品生產(chǎn)節(jié)拍較快，產(chǎn)品合格率高，產(chǎn)品一致性較好。

（4）設(shè)計(jì)開發(fā)控制程序滿足緊固件自動(dòng)化加工精度要求，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。

（5）該機(jī)床當(dāng)前只針對特定異形緊固件進(jìn)行加工，但緊固件型號(hào)和結(jié)構(gòu)較多，需考慮通過模塊化設(shè)計(jì)，通過快換定位夾具和刀具，滿足不同型號(hào)的加工。