为了满足加工诸如汽轮机叶片、飞机螺旋桨等复杂曲面的需求,哈尔滨工业大学和哈尔滨量具刃具厂合作于2002年开发了BXK- 6127型七轴联动并联机床。此并联机床是在传统六轴并联机床的基础上,附加了一个转台,以实现七轴联动。然而该机床没有安装刀库,叶片的加工过程需要工人手动换刀,因此减少叶片加工的自动化程度,增加了工人的劳动负担。为此,哈尔滨工业大学和哈尔滨量具刃具厂合作开发新型并联机床叶片专机,在原有机床的基础上安装了一个刀库,实现了叶片加工的自动化,如图1所示。下面介绍该机床的数控系统和关键技术的实现。
一、数控系统硬件组成
图2所示为数控系统硬件组成。在所有硬件部分中,主PC机、运动控制卡和PLC组成数控系统控制核心。它们在数控系统中承担不同的作用,在机床运行时,这3个部分之间进行实时通信保证机床的正常工作。
1、主PC机
主PC机是数控系统的核心,它提供了数控系统的用户界面,编制和编译数控代码,模拟刀具的切削运动轨迹,协调、监控运动控制卡和PLC的运行等功能。此外,主机通过局域网还可以和远程计算机相互通讯,传递加工文件和工艺文件等数据。
2、运动控制卡
运动控制卡是运动控制的核心,它接受从主机来的运动控制指令并控制7个伺服电动机同步运动。运动控制卡采用VxWorks实时操作系统,它和伺服驱动器之间采用SERCOS光纤通信,这种方式可以保证通讯速度更快、通讯容量更大和抗干扰能力强。
3、PLC
PLC是机床电气控制的核心,它接受从主PC机传来的辅助控制指令(数控代码的M指令),并控制机床辅助设备相应动作。它还通过主轴变频器控制电主轴的工作。此外,机床的刀库也由PLC来控制。并联机床在工作中还需要PLC监控不同电器元件之间的逻辑关系以及诊断机床的各种故障。
4、远程PC机
远程PC机是多机床控制系统的控制核心,它通过局域网把多台机床的主PC机连接起来。远程PC机可以与每台并联机床的主PC机通讯,传递工件工艺和制造加工数据,并能远程控制并联机床运动。用这种方法,不同机床之间可以共享数据资源和软件资源,并能统一管理工件的加工数据,防止数据管理混乱。
5、刀库
刀库是机床刀具管理的中心,该刀库可安装24把刀具,刀库的控制通过PLC和主PC机联合实现。PLC实现刀库的转刀和换刀过程,主PC机控制刀库的转刀和换刀的开启。
三、数控系统的软件组成
并联机床数控系统的软件采用模块化设计,在原机床的基础上做了一点改动,简化了部分功能。机床功能分为:运动控制和监控模块、测量模块以及调整模块。
本并联机床的刀具轨迹描述语言基于APT轨迹描述语言而发展,为了用户使用方便,机床软件中提供了轨迹输入的用户图形界面。
1、运动控制和监控模块
此模块连接所有的机床硬件,并且包括许多子模块,如自动运行模块、手动控制模块、监控和错误处理模块、辅助指令执行模块、电主轴控制模块、刀库控制模块、I/O控制模块等。除了前面3个模块外,后面的几个模块的功能与普通数控系统相似。下面介绍前3个模块的功能。
(1)自动运行模块用于机床的连续加工。加工中使用的数据是在离线状态下。从刀具位置文件编译的运动控制数据,其编译流程如图3所示。加工所用刀位文件采用瑞士斯特拉格五坐标叶片专用机床所用文件,其刀位文件经处理编译后得到各杆杆长。Koll-morgen运动控制卡的电子凸轮的功能将保证机床的7个伺服电动机同步运动。
(2)手动控制模块用于以手轮控制机床的运动。在此模块程序中使用了实时在线编译方法以保证并联机床手动控制的实时性。结合机床的手动模块和测量模块,可以使机床实现测量机的功能。
(3)监控和错误处理模块用于处理机床各硬件的异常情况。其中PLC负责监控不同电器元件之间的逻辑关系、电主轴和刀库的工作。运动控制卡负责监控伺服电动机的运行和与PLC之间的相互通讯,以保证运动控制卡和PLC之间的相互合作。PLC和运动控制卡的错误信息通过主PC机的用户界面显示,对某些致命错误做出及时响应。远程计算机获得这些错误信息后存储起来,做出相应诊断。
2、测量模块
由于并联机床动平台运动的灵活性,使得此类机床更适合工件的测量。为了充分利用机床的这个特点,本机床添加了一个功能强大的测量模块以便机床当作测量机使用。测量模块的功能如下:
(1)测量刀具的长度和直径通过使用测头在刀具的轴线方向和径向方向测量,可以测出刀具的长度和半径。
(2)基本几何元素的测量可以测量直线、平面、圆弧、圆柱、球体等基本几何元素。同时,它还提供了基本几何形体的逻辑操作,如交叉点、平行线、垂直面等的测量。
(3)扫描工件表面轮廓提供了两种工件表面轮廓扫描的方法:网格投影法和封闭路径搜索法。通过获得的工件表面上的测量点,用拟合计算可以容易地得到工件表面轮廓。
3、调整模块
在某些场合,如机床的安装和拆卸时或者对机床标定时,需要对机床的单杆进行伸缩,因此需要增加一个调整和标定模块。该模块的主要功能包括以下几个方面:
(1)单杆调整对机床的一个驱动杆设定移动量及移动速度,并实现单个驱动杆长度的变化。
(2)整体调整对机床的6个驱动杆设定移动量及移动速度,实现6个驱动杆长度同时发生变化。
(3)机床标定为了简化机床标定过程,我们开发了机床标定模块。在测量完机床标定需要的数据量后,通过标定模块对机床的参数误差进行优化计算,用计算的误差值对机床参数进行补偿。
四、关键技术的实现
1、刀库的管理
刀库的转刀、换刀动作由PLC独立实现,其动作时间由主机控制。由于相互交换信息较少,因此主机和PLC间的通讯由I/O完成。
刀具参数由数据库管理。为了便于管理,定义了刀具类CTool:
calss Ctool{CString m_name; / /刀具名称
double m_length; / /刀具长度
double m_raduis; / /刀具半径
UINT m_StoreNo; / /刀具所在刀库号}
刀具所在的刀库号随着机床的换刀而改变,当前刀具,即机床正在使用的刀具的刀库号设为0,当要换下一把刀具时,当前刀具的刀库号置为下一把刀具的刀库号,并放在下一把刀具的刀库中,并更新刀具参数数据库。在机床的复位过程中,对刀具数据库进行检查,防止有两个相同的刀库号,并保证当前的刀具的刀库号为零。
2、自动加工的实现
为了实现自动加工,设计了工艺卡结构类Ctech-nicsCard:
class CtechnicsCard
CString m_name; / /加工程序名称
CString m_tool; / /加工所用刀具};
CTechnicsCard工艺卡类把一道工序所使用的刀具和加工程序信息保存起来。另外为了把所有的工序连起来,设计了工艺卡组类: CArray < CTechnicsCard,CTechnicsCard >。
加工过程中为:
while 工艺卡组指针! = EOF{
得到当前工艺卡;
获得工艺卡中的加工信息;
if (需要换刀具)
换刀;
加工;
工艺卡类组指针+ + ;}
五、结语
新型七轴联动并联机床在原有七轴联动并联机床上安装了刀库,提高了机床的自动化程度,减少了工人的劳动强度,提高了机床的加工效率。目前该机床已用于哈尔滨汽轮机厂加工叶片,其单个叶片的加工效率和瑞士斯特拉格五坐标叶片专用机床相当。我们希望该机床能在我国叶片加工领域有更多的应用。
