汽車曲軸滾壓校直機數控系統

　　1.概述

　　校直機的全稱為曲軸深滾壓及滾壓校直機，屬于壓力加工設備類，是汽車曲軸加工過程中“一步到位”的一道關鍵工序。其原理是通過在曲軸的主軸徑、連桿徑上進行滾壓而造成材料局部的晶粒密度變大，產生一定的壓應力，從而抵消曲軸在工作時產生的拉應力，目的是提高曲軸的工作壽命。

　　這種加工技術在西方發達國家應用普遍，幾乎所有的轎車曲軸都要經過這道工序，國內大型曲軸加工企業也基本有這道工序，但所用的全自動滾壓校直機全部進口(因為該設備在曲軸加工設備中屬于技術含量較高的高端設備)。一些小企業在這項技術上“土法上馬”，用車床改造的手動、半自動的設備也不少，但國內尚未出現推向市場的、經過驗證的全自動滾壓校直機，故該項技術目前在國內屬于新興技術。

　　北京圣藍拓數控技術有限公司從電氣系統的硬件構成、軟件算法及工藝模型等方面進行了大量的設計與試驗，在天潤曲軸股份有限公司相關技術人員的大力協助下，成功研制了具有國內領先水平的、有自主知識產權的曲軸滾壓校直機數控系統。到目前為止，已為天潤曲軸有限公司提供了三臺該數控系統(見圖1)，用于赫根赫特7892滾壓校直機改造項目，其中兩臺已投入公司的生產線，批量加工曲軸近兩年，性能穩定，加工的效率、合格率均已達到國外先進設備的水平。另一臺在調試狀態。

　　圖1 配套圣藍拓數控系統的滾壓校直機

　　2.硬件結構

　　由于該類機床的控制技術門檻相對較高，涉及高響應頻率的液壓伺服閥控制技術、多通道同步控制技術及曲軸精密動態測量技術等。在滾壓校直數學模型方面又涉及材料力學方面的應用，同時又必須具備大量現場的實踐(即經驗數據庫的應用)。故跨學科的技術融合特點使其在控制系統的構成上，與傳統的以位置控制為主的數控系統有較大的區別。 其硬件結構如圖2所示?？刂平Y構中的任務如下：

　　(1)工控機+觸摸屏 作為系統的“上位機”，主要完成的任務是：曲軸滾壓校直機的各種工作狀態的顯示，手動、自動狀態下的控制指令輸入，工藝參數及工件滾壓數據的編輯與存儲。

　　(2)PLC控制器 主要完成的任務是：機床的液壓站、潤滑站及沖洗站的管理，曲軸滾壓校直過程中的開關量動作的控制及到位檢測。

　　(3)多路伺服/液壓控制器 主要完成的任務是：主軸伺服電動機的控制;多路伺服閥與比例閥的控制，伺服閥用于機床曲軸滾壓頭的壓力控制，比例閥用于不同型號曲軸的機床連桿滾架的位置控制;曲軸的精密測量控制;主軸電動機的速度、位置反饋、滾壓壓力反饋及測量反饋的處理。

　　上述三個控制部件中，每個都安排了任務協調軟件，用于與其他兩個模塊的控制任務進行協調，系統高速的CAN總線與PROFIBUS總線接口保證了任務協調的及時性。

　　圖2

　　3.軟件構成

　　由于曲軸圓角沉割滾壓、校直的工藝流程及控制算法比較復雜，因此系統的軟件需分為若干功能塊以實現機床的加工功能。它們是：

　　(1)報警控制模塊。實時監控主軸、機床液壓、潤滑、軸支撐及滾輪破損等環節的狀態，超出規定范圍時給出報警提示，并限制相關動作的執行。

　　(2)系統初始化與回原位模塊。對系統的控制參數初始化，包括PLC參數及機床參數，回原位是指將機床運行至準備加工的原始位置的特定處理，包括不同曲軸工件的中心距調整。

　　(3)滾壓工藝過程實現模塊。各種滾壓加工的要素在此模塊中解釋、實施。該模塊是系統的核心部分，主軸運動、滾輪壓力的控制任務也在此模塊中實施。如圖3所示。

　　(4)校直檢測、計算與處理模塊。完成曲軸滾壓后的主軸徑向圓跳動的精密測量，數據處理，并根據測量、處理的結果，在設定的校直參數下，實施最優化的校直處理。如圖4所示。

　　(5)液壓控制模塊。實現對機床的除滾輪壓力控制外的所有液壓輔助動作的控制，包括液壓站、潤滑站的管理。

　　(6)人機界面的交互模塊。處理操作員的鍵盤、觸屏按鈕輸入指令，并以直觀的方式顯示滾壓校直機各種工作狀態下的主軸位置、速度、滾壓頭壓力以及主軸徑向圓跳動等數據，如圖5所示。

　　圖3 滾壓工藝過程實現模塊

　　圖4 校直檢測計算與處理模塊

　　圖5 人機界面的交互模塊

　　(7)其他輔助功能模塊。滾壓校直機床在完成曲軸滾壓、校直加工過程的各種順序邏輯控制任務。

　　4.滾壓控制

　　滾壓校直機在對曲軸滾壓時，要求曲軸在以較高速度由機床主軸帶其旋轉的過程中(一般在90～150r/min)，滾壓頭按工藝要求，周期性地、準確地在曲軸主軸徑和連桿徑(尤其是連桿徑)的不同角度上施加不同的壓力。

　　要實現上述功能，設備需具備以下特點：

　　(1)機床液壓部分要具備的是高靈敏度的、以伺服閥為核心的液壓執行結構及高精度、高靈敏度的壓力檢測反饋。

　　(2)控制系統要具備多通道的高速液壓控制與調節平臺(以五軸四連的直列曲軸為例，需要九個通道液壓的高速控制)。

　　(3)軟件系統要具備多通道并行計算與控制能力。

　　圣藍拓公司在研發滾壓校直機控制系統過程中，選用高性能的力士樂伺服閥、PARK液壓缸作為液壓核心部件，選用美國著名DT公司的多通道伺服控制器，配合公司專門開發的液壓PID調節軟件，構成了滾壓校直機的硬、軟件平臺，閾在此基礎上研發了滾壓校直機的各種滾壓、測量、校直的算法，較好地實現了上述要求。

　　圖6是在120r/min的轉速下，系統對4G1曲軸第三連桿徑的施壓曲線。上述曲線由加速—變速—減速三段組成，由圖6可以看出，系統的理論滾壓曲線、給定滾壓曲線及實際滾壓曲線實現了較好的重合，從而達到了曲軸滾壓工藝的要求。

　　圖6 施壓曲線

　　5.結語

　　滾壓校直機數控系統的關鍵核心是：實現曲軸滾壓工藝要求的曲軸滾壓的壓力控制，曲軸的主軸徑向圓跳動測量與模型轉換的數據處理，根據材料力學原理實施的曲軸校直決策數學模型的實現。圣藍拓公司研發人員在中國鋼鐵研究總院材料力學所專家的指導下，在天潤曲軸公司技術人員的通力協助下，通過對用戶提供的樣品曲軸的力學試驗，結合建立的曲軸ANSYS軟件的滾壓運動學模型，創立了通過實踐證明行之有效的滾壓與校直的控制算法。所滾壓的曲軸通過了用戶最嚴格的疲勞試驗。兩年來，所改造的兩臺滾壓校直機已在用戶生產線上批量滾壓了各種型號的曲軸，如4G1、菲亞特1.4T以及康明斯2.8L等。

文章來源：【來    源】《金屬加工(冷加工)》 2012年第22期 P25-27頁