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基于840Dsl的汽车后桥端面铣削机床控制系统设计与实现pdf

作者:澳門葡京  来源:澳門葡京娱乐  时间:2019-10-28 19:27  点击:

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  第7期 组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术 No.7 2014年 7月 ModularMachineTool& AutomaticM anufacturingTechnique Ju1.2014 文章编号:1001—2265(2014)07—0053—04 DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.015 基于 840Dsl的汽车后桥端面铣削机床 控制系统设计与实现 吴冬春 ,崔海斌 ,孙启林 ,马俊庆 (1.盐城工学院 电气工程学院 ,江苏 盐城 224051;2.江苏高精机 电装备有限公司,江苏 盐城 224053;3.大连机床集 团有限责任公司,辽宁 大连 116000) 摘要:目前,汽车生产行业中汽车后桥端面铣削加工大都采用固定位置加工,这种方式存在对工件焊 S_r-艺要求高,对焊X_r-件 自适应能力低 ,加工合格率低等 问题。该系统采用西门子 840Dsl双通道 数控系统,利用直线测量探头测量计算工件的铣削位置调整补偿参数,构建的系统 自适应能力和加 工合格率都得到了较大提高。在系统中嵌入HMI专用二次界面,结合加工程序的参数化编程,简化 机床 的功能操作和维护。文章通过结合现行开发的基于840Dsl双通道控制的汽车后桥端面铣加工 组合机床 系统,主要介绍带有测量探头的工件测量计算模型以及整个系统的软件控制实现的相关技 术。 关键词 :汽车后桥 ;840Dsl;调整补偿 ;HMI二次界面 中图分类号:TH16:TG65 文献标识码 :A Designand RealizationoftheAutomobileRearAxleM illingMachineBasedon840DsI WUDong—chun,CUIHai.bin .SUNQi.1in,MAJun.qing (1.SchoolofElectricalEngineering,YanchengInstituteofTechnology,YanehengJiangsu224051,China;2. JiangsuGaojingMechanical&ElectricalEquipmentCo.Ltd,YanchengJiangsu224053,China) Abstract:Presently,theproductionofautomobilerearaxleflangemillingprocessmostlyusedfixedmanu— facturingposition,whichmethodhashighrequirementsontheworkpieceweldingprocess,low adaptiveca— pacity,low processingqualifiedrateandotherissues.Siemens840D solutionlinedual—channelcontrolsys— tem isadaptedinthesystem ,inwhichthesrtaight—linemeasurementprobeisusedastheimportantcompo— nent,bywhichtheactualmillingpositioncompensationparametersiscalculated.Theadaptivecapacityand themanufacturepassing ratehasbeen greatly enhanced.Theoperation and maintenance ofhte machine functionshasbeen simplifiedbyhtewaysofdevelopingHM IandtheNC processprogram withtheuserde— finedparameters.Thispapermainly introduceshtemoduleoftheworkpiecemeasurementand calculation andthemethodofthesystem conrtolrealizinginthesystem . Keywords:automobilerearaxle;840Dsl;adjustmentcompensation;developingHM1 0 引言 在铣削刀具侧增加直线测量探头,用以检测待加工工 件的原始尺寸,反馈给控制器,由控制算法计算出当前 目前,国内汽车后桥两侧端面铣削加工大部分采 待加工工件理论铣削深度 ,按照工艺要求计算出实际 用位置固定式加工方式 ,这种加工方式下,铣削刀具位 铣削加工的位置,实现工件的测量反馈加工 ,极大地提 置是固定不变的,而待加工工件都是焊接生产 ,这就 高了机床对焊机工件的 自适应能力以及工件端部法兰 决定了待加工工件本身尺寸都是存在较大的离散性, 盘厚度加工的合格率。 采用这种位置固定式的加工方式 ,虽然保证了工件整 体尺寸的精度 ,但是不能保证工件端部厚度尺寸 的合 1 工件的安装和定位 格率 ,使得机床对不同尺寸工件 自适应能力低 ,端部厚 新型汽车后桥卧式双面数控铣专用机床 ,机床整 度尺寸加工合格率低。 体防护安装在整体铸造 的床身上,左右两个下滑台安 针对实际生产中后桥两侧端面铣削加工采用固定 装在整体铸造床身上,夹具垫块安装在整体铸造床身 位置工作方式中存在的端部法兰盘厚度加工合格率 上,机床中间固定安装一套液压夹具,卧式装夹一个后 低 ,对工件尺寸离散性 自适应能力低的缺陷,我们提出 桥工件 ,采用液压夹紧和气动夹紧,机床两侧铣平面为 收稿 日期 :2014—03—07:修 回臼期 :2014—04—11 作者简介:吴冬春(1975一),男,江苏盐城人,盐城工学院讲师,硕士,主要研究领域为逆变焊机、电力 电子及其 自动化等,(E—mail)wudc1975@ 163.eom。 · 54 · 组合机床与自动化~p-l-技术 第7期 专用铣刀盘,左右各布置两个个数控移动工作台,自动 机床坐标位置也随着待加工工件尺寸变化 ,其计算公 直线测量探头安装在主轴 内侧 ,测量时由气动推杆退 式 (2)如下所示 出测头进行测量,测量完毕测头缩回。本专用机床外 Z IIJ=z Ⅲ一(Mr—M )一(M ,,一Mp) 形美观、结构紧凑、自动化程度高、加工效率高。机床 = Z 一(M r—Mp) (2) 的结构设计如图1所示。 其中: z 一表示待加工工件的端面在进给z轴坐标 上的绝对机床坐标位置 ; z 一表示参考工件 的端面在进给 z轴坐标上 的绝对机床坐标位置; ,一 表示测量探头在测量点处测得的参考工件 端面的实测数据; 一 表示测量探头在测量点处测得的参考工件 没有铣加工前的端面的实测数据 ; 图1 汽车后桥端面铣削专用机床结构 一 表示测量探头在测量点处测得 的待加工工 件端面的实测数据 ; 加工工件的结构如图2所示 ,工件的尺寸是基于 由此可以得到待加工工件端部理论铣削深度计算 工件的定位点测量得到的数据。 公式(3)如下所示: ALⅢ=L… 一L =L,+(肘 一M )一L = (Lr—L )+(M f—Mp) (3) 其中: I △ 一表示待加工工件端部理论计算得到 的铣 削深度 ; 图2 工件结构示慝图 一 表示标准合格工件在三维坐标下测得 的定 将一个已加工后的合格工件做三维坐标检测 ,得 位点到端面的尺寸 ; 到该工件的尺寸数据。并且将此工件作为参考工件 , 对机床测量探头测量数据做转换标定 ,建立测量探头 数据和三坐标测量 的转换关系,实现测头数据转换为 以_丁件定位点为基准测得的工件尺寸数据。工件测量 示意图如图3所示 ,可得测量探头的测量数据转换为 工件尺寸的计算公式 (1)。 L… =Lf+ (M ,一 ) (1) 其中: 图4 参考工件加工坐标位置示意图 L… 一 表示数据转换得到的待加工工件的定位点 待加工工件是由不同部件焊接联合而成 ,焊接工 到端面的尺寸 ; 艺决定了工件尺寸存在离散性,即工件两端焊接 的部 ,J厂 表示参考工件 的在三维坐标下测得 的定位 件在测量时,计算得到的理论铣削深度 △ 存在一个 点到端面的尺寸 ; 一 范同。当该值超出合理范围,判别待加工工件焊接不 表示测量探头在测量点处测得的参考工件 合格 ,对于判定焊接合格的待加工工件 ,需要考虑理论 端面的实测数据 ; 一 铣削深度 △£ 较大时,端部强度减弱,而 △蒯较小 表示测量探头在测量点处测得的待加工工 件端面的实测数据。 时,工件端部存在不能完全加工到位。综合考虑以上 占 因素,在加工中设定一个微小加工调整量 z ,其是 由 T件 磊靠 埘 工件尺寸精度和强度因素影响决定 。 岸位点 参参考考工工件件 广I ’探量头 待加工工件在进给 z轴坐标上的最终加工时的 I —_‘_J 绝对机床坐标位置计算公式(4)如下所示: L-.=_T件 % Z fh = Z 。H +△ +Z 端部 测量 =z 。Ⅳ一(M r—Mp)+(JLr—L )+(M,一Mp)+Zm 待加工 件 I 探头 I ] i z,咖Ⅲ+(Lr—L )+Z (4) 其中: l 上 z蒯 一表示待加工工件在进给 z轴坐标上的最 终加工时的绝对机床坐标位置 ; 图3 工件尺寸计算示意图 AL 一表示待加工工件端部铣削深度理论计算 图4所示为参考_丁件在进给z轴坐标上的绝对机 值; 床坐标位置示意图。工件端面在进给 z轴上 的绝对 z 一表示综合考虑加工尺寸精度和端面强度以 2014年7月 吴冬春,等:基于840Dsl的汽车后桥端面铣削机床控制系统设计与实现 ·55 · 及工件端部焊接角度因素得到的数据; 3.1 HMI二次人机界面设计 刮 从上述得出的待加工工件在进给z轴坐标上的最 HMI二次人机界面是面向机床实际操作人员的, 终加工时的绝对机床坐标位置公式(4)中可以得知, 在数控系统中开发的机床操作专用界面,因此HMI专 对于参考工件 ,其 z删和 ,是确定值,而 L 也是确 用人机界面显得尤为重要。在人机界面中配置 Wince 定值 ,因此待加工工件的加工位置是一个固定位置加 Flexible与 SINUMERRIKPLC以及 SINUMERRIKNC 上一个 z 调整量补偿值 。 连接 ,实现 HMI与 NC系统变量和 PLC变量数据连 2 机床控制系统组成 接。在加工程序中采用 GUD变量参数化编程 ,在 HM1 人机界面中设置 GUD变量参数,需要建立 userdata- 整个机床控制系统采用西 门子 840Dsl 数控系 base.ddb用户变量数据库文件 ,建立WinceFlexible和 统,其以NCU数控单元作为整个系统的控制核心。系 系统GUD数据变量之间的数据连接。系统数据连接 统配置独立的智能可回馈电SLM 电源模块,主轴功率 如图6所示。 驱动模块,双轴进给功率驱动模块,人机界面用 PCU 3.2 PLC逻辑程序设计 块一通~~ 单元和MCP操作面板,分布式远程 IO模块,直线测量 堕 模块以及气阀集 中控制模块。整个控制系统由3层网 PLC程序是基于西门子的软件开发环境 Step7设 络DriveCLiQ ,Ethernet和 Profibus,DP连接构成,其 计完成的。机床的系统设计 中,直线测量模块测量数 结构示意如图5所示。系统的逻辑控制功能,诸如液 据通过 Profibus.DP网络传送给 PLC,PLC按照工件的 压系统控制 、气动系统控制、排屑等辅助设备由系统内 计算模型实时得出各个测量点测量尺寸,并将该计算 部的PLC.317.2DP 可编程逻辑控制器实现。 得到的测量尺寸通过 SINUMERIKPLC连接将数据传 机床的加工要求左右两侧加工互不干扰,可以独立 送给HMI专用人机界面显示给操作人员当前的工件 也可以协同加工,因此数控系统必须配置双通道控制功 状况。同时还需要将该测量尺寸数据发送给 NC系统 能,每个通道控制机床一侧的进给轴以及主轴运动。 中的GUD全局用户变量,用于NC中加工算法使用计 算出调整补偿量。而PLC与NC数控系统之间的GUD ET200 量直线测ll直线测ll气阀 远 程 模块 数据传送 必须通过专用通讯功能函数 FB5和 FB3 I/0 NO_1 flll量N模O_块8flIl器 站号:1 来实现的,其代码实现如下: NCU7l0 CALL”GETGUD”,”FB5 Read GUD L11” 站号l站号1....·· I站 Ⅲ 一 — — Ⅺ26 Req:=#read — start//功能块使能信号,上升沿有效 Ⅺ 20 Addr:=#String Value — — L11//读取的GUD变量字 豳 囱 Elbernet符串名称 IP:192.168.214.192 IP:192.168.214.241 DriveCtl Area:=B#16#O//读取的GUD变量所在区域 Ⅺ00 Unit::B#16#1//读取的GUD变量所在单元 SLM SP2 CnvtToken:=TRUE//是否将 GUD地址转换为 10 电 源 驱 动 字节的NC地址 模 块 WR GUD”.Value Ptr LI1 VarToken:=”PLC 一 — — — — FB5//存放该GUD变量所在NC中地址 图5 机床控制系统网络结构图 Error:=#Error Value L11 — — ~ FB5//存放读 GUD过 3 控制系统软件设计 程的错误标志 Done:=#Done Value L11 — — 一 FB5//存放读 GUD过 整个控制系统的软件设计按照系统结构可分为三 程的完成标志 部分 :HMI二次人机界面设计、S7-300PLC的逻辑程序 State:=#FB5 Error _ — Code//存放读 GUD过程的状 设计、NC加工程序设计。三部分程序通过840Dsl数 态标志 控系统 内部 CP通信处理单元实现相互之间数据交 RD :=#Measr _ L11//存放读取的GUD变量数据 换 ,完成三部分软件协同对整个控制系统的动作控制。 CALL”PUT”.”DB FB3 W riteGUD L” — _ — _ Req:=#write — sta~//功能块使能信号,上升沿有 效 NumVar:=7 Addrl:=”PLC WR GUD”.Value Ptr L11 FB5// — ~ ~ 一 — 要写的GUD变量地址 Error::#Error Value一 1 — 一 FB3//存放写 GUD过程 的错误标志 Done::#Done Value 1 — 一 一 FB3//存放写 GUD过程 完成标志 图6 系统数据连接示意图 State:=#FB3 Error _ _ Code//存放写 GUD过程状态 · 56· 组合机床与自动化N-r技术 第7期 标志 工测试 ,采用调整补偿实现全部测试工件的合格加工。 SD1:=”DB MeasureData”.NC USe 11 L Real// — — 一 一 — 选取其 中代表性的5个工件的测量数据和算法计算的 要写的GUD变量的数值 实际调整补偿量数据 ,如表 1所示。 测量数据是整个控制系统的重要的数据 ,对于在 表 1 实际工件加工前后测量数据表 读写 GUD变量时出现 Error错误标志,程序设计中不 设定 设定 测量 理论 调整 加工后 尺寸 端部 可忽略,必须通过 PLC和 NC之间的数据接 口,禁止 种类 尺寸 公差 尺寸 铣削 补偿量 尺寸 误差 最终 ( 深度 厚度 NC的继续执行,并发出用户报警信息。对于在 Profi— mm (inrn) (Flim) ( (mm) (Flim) (mm) inn1) (/iqIl1) bus—DP总线通讯中出现故障时” ,必须处理通讯故障 122.O5 ±O.8 124.153 2.1O3 _o.5 l22.537 0 487 5397 加 1 模块 OB82,OB86,0B122,保证即使网络中出现故障, 1408.55 ±O.8 1409.715 1.165 O 1408.6l】0.061 5.835 PLC仍然处于运行状态 ,避免PLC进入stop状态。 l22.05 土0.8 123.236 1.186 O 122.103 0.053 5.814 #O2 1408.55 ±0.8 410.113 1.563 -o.2 1408.736 O.186 5.637 3.3 NC加工程序设计 I22.O5 士O.8 122.623 0.573 0.3 121.8l2 -0.238 6.127 {I()3 汽车后桥端面铣专用机床在加工过程 中,通过直 408.55 ±O.8 4l0.735 2.185 _0.5 l409.0780.528 53l5 线测量模块检测待加工工件的实际尺寸数据,计算与 #04 122.O5 ±0.8 122 3l2 0.262 O4 l21.732 _o.3l8 6 338 1408.55 ±0.8 I409.103 0.553 O 5 1408.018-0.532 5.947 设定尺寸的偏差 ,通过计算得到的偏差值获取加工调 122 05 ±O.8 123.082 1.032 O 122.1O3 0.053 5.968 整补偿量,机床根据该调整补偿量加工工件。 群O5 408.55 ±0.8 409.703 l,153 0 1408.6180.068 5.847 工件测试加工中,对于种类 5和种类 2,两侧理论 的铣削深度在合法铣削深度 [0.65,1.95]区间范围 内,用普通的不带测量反馈的机床加工也是能够合格 图 7 测量加工控制流程原理 图 的,占试件总数78.7%,种类 1,3和4,两侧理论铣削 从公式4中可以看到 ,整个机床加工的最重要部 深度中至少有一侧超出合法铣削深度区间,此时若使 分就是计算加工调整补偿量 。在整个测量加工控 用不带测量反馈机床加工只能保证工件两侧法兰盘相 制系统中,调整补偿量具有非线性 ,其与工件的理论铣 对于定位点的尺寸合格,但是法兰盘厚度小于最小厚 削深度,工件加工端面的角度以及工件设计尺寸公差 度 ,工件加工不合格,该类型试件 占总数的21。3%。 密切相关,具有多因素耦合 ,数学模型复杂 的特点,因 对于种类 1,3和4类型工件 ,从表 1中工件加工 此建立实际计算公式计算调整补偿量并不可取。在实 后的尺寸数据和端部厚度的测量数据 ,可以得知,工件 际加工中,采用生产经验数据查表法来获取加工调整 在经过设计好的测量加工控制流程加工后 ,工件的尺 补偿量。机床整体的测量控制流程图如图7所示 。在 寸数据是在工件设计公差 ±0.8范围内的,并且工件 图7所示的测量加工控制流程示意图中的虚线框 中所 的端部厚度也是满足设计 的最小厚度 5mm的设计要 示为获取加工调整补偿量 zcz 的流程 ,其具体的程序 求的,实现对该类型工件 的合格加工,相 比于普通机 实现流程图如图8所示: 床 ,工件合格率提高21.3%。 图9 汽车后桥端 面铣机床实物 图 表 1中的数据显示出,在计算 出的端部理论铣削 深度较大或是较小时,通过调整补偿量很好的控制 了 铣削深度过大而端部厚度强度不足 ,铣削深度过小而 端部不能完整加工到位的情况,实现了机床对焊接_T 件尺寸分散性的极大适应性 ,很好的提高了工件加_T 图8 测量控制算法程序流程图 的合格率。 4 /roT结果分析 5 结束语 汽车后桥端面铣机床的具体实现如图9所示。在 针对当前汽车后桥两侧端面铣削加工方式对焊接 实际加工测试中,随机选取 了75个待加工工件进行加 工件尺寸分散性适应能力低和加工合 (下转第61页) 2014年 7月 史建强,等:一种数控机床空间圆运动轨迹测试方法 ·61· 形 ,原因是内置传感器信号无法表示数控机床 的几何 certaintyofMachineToolsandMeasuringMachinesandits 误差。因此,在基于内置位置信号圆运动测试之前,需 RelationtotheMachineErrors 『J].CIRPAnnals—Manufac— 要首先消除机床的几何误差。 turingTechnology,1983,32(1):459—464. 表2是球杆仪和内置位置信号测试方法所测得的 [4]J6zwikJ,PieskoP,KrajewskiG.EvaluationofQC10ball— bardiagnosticsmethodforCNC machine.Eksplnatacjai 在 、y平面上 的间隙、反 向越冲和圆度的结果对 比。 Niezawodnosc—MaintenanceandReliability2010,3(47): 从表2中可以看出,在 、l,轴换 向处两种测试方法得 10—20. 5 4 6 7 到的反向间隙误差差值最小为0.1z/m,最大为0. m; 3 5 9 l [5]SchmitzT,ZiegertJ.DynamicevaluationofspatialCNC 反向越冲误差差值最小为 0.1/xm,最大为 1. m。可 5 3 6 8 contouringaccuracy[J].PrecisionEngineering,2000,24 4 3 5 0 见,内置位置信号测试方法获得的典型特性误差与球 (2):99—118. 杆仪测试结果在相同数量级 内。 O一 12. O4. O一. [6]IbarakiS,OyamaC,OtsuboH.Constructionofanerror . 表2 圆轨迹测试特性误差表 1 9 mapofrotaryaxesonafive-axismachiningcenterbystatic I 6 R—testlJ1.InternationalJournalofMachineToolsandMan. 6 【 ufacture.2011,51(3):190—200. 9 9 [7]刘焕牢,师汉民,李斌,等.数控机床圆轨迹运动误差测 O。 2.O 1.9 0.1 ~ 试仪器和方法的研究[J].中国机械工程 ,2006,17(7): 180。 2.1 1.7 O.4 3 3 691—695. 90。 1.2 1.9 —0.7 , 270o 1.3 1.8 一O.5 [8]Heidenhain.Measuringsystemsofrmachinetoolinspection andacceptancetesting[OL].http://.ur/ fileadmin/pdb/media/img/208 871 — 27.pdf. Sept., 3 总结 — 1997. 本文以内置传感器测试技术为基础,提出了基于内 [9]姚余 良,赵飞,张东升.基于球杆仪的空间误差测量分析 置传感器信号的数控机床伺服进给系统空间圆轨迹测试 方法研究[J].组合机床与 自动化加工技术 ,2011(8): 方法。该方法具有方便、快捷、测量半径灵活、无需

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