基于SIMOTION的深孔钻机床设计与开发.pdf

一自动化装置与设备 Au t o ma t io n De v ic e s＆ E C l u i p me n 电气自动化 2 o 1 2年第3 4 卷 第 2 期 基 于 S I MOT I ON的深孔钻机床设计 与开发 贺旭光 ，朱劲 。王 晓年 同济大学 电子与信 息工程学 院， 上海2 0 1 8 0 4 摘要介绍了西门子推出的新一代运动控制平台 S I MO T I O N的特点及其应用， 分析了一种新型深孔钻机床的工艺和控制要求， 提出 了采用 P r o f i B u s D P的通信方式将所有主从站级联在一起形成网络 ， 实现机床全集成 自动化； 分析了机床各加工阶段 V S关 系， 计算出最优安全加工时间， 在避免了刀具之间相互干涉的前提下， 利用数学建模得到了最优加工时间。在整条生产线上的 工作表现证明， 在提高机床安全性能的同时极大地提高了整个工厂生产线的效率， 节约了工厂成本， 并增强了企业竞争力。 关键词 S I MO T I O N； P r o fi B u s D P； 人机界面 ； 深孔钻 [ 中图分类号]T P 2 3 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 03 8 8 6 2 0 1 2 0 2 0 0 8 50 3 De s i g n a n d De v e lo p me n t o f De e p - h o le Ma c h i n e B a s e d O n SI MOTI ON HE Xu g u a n g ，Z HU J i n g ， WANG Xi a o - n i a n S c h o o l o f E l e c t r o n i c s a n d I n f o r m a t i o n ，T o n g J i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e c h a r a c t e ri s t i c s a n d a p p l i c a t i o n o f S I MO T I ON wh i c h i s a n e w l y l a n c h e d mo t i o n c o n t r o l p l a t f o r m b y S i e me n s ． I t a n a l y s i s t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s a n d c o n t r o l r e q u i r e me n t s o f a n e w De e p - h o l e Dri l l s ma c h i n e ． a n d p r o p o s e d a t o t a l i n t e r g r a t e d s o l u t i o n b a s e d o n S i e me n s P r o fi B u s - DP p r o t o c o 1 ．F u r t h e r mo r e ，i t a n a l y s i s ma c h i n e V S r e l a t i o n s h i p i n e v e r y p r o c e s s i n g s e g me n t s t h e n g i v e s o p t i mi z e d p r o c e s s i n g t i me f o r s e c u r i t y p r o c e s s i n g ．I n t h e p r e mi s e o f a v o i d i n t e rf e r e n c e b e t we e n t h e t o o l s 。a ma t h e ma t i c al mo d e l i s a p p l i e d t o o b t a i n t h e o p t i mi z e d p r o c e s s i n g t i me ． Du rin g t h e p r o d u c i n g，t h e p e rfo r ma n c e a f t e r o p t i mi z a t i o n i s p r o v e d t o h a v e a c hi e v e d s i g n i f i c a nt i mpr o v e me nt i n b o t h s e c urit y a nd e ffi c i e n c y．T he t o t a l c o s t o f t h e pr o du c t i o n i s g r e a t l y r e d uc e d a n d i t r e s u l t s t o h i g h e r c o mp e t i t i v e n e s s o f e n t e r p ri s e s ． Ke y w o r d s S I MO T I O N； P r o fi B u s - D P ； H M I ； D e e p h o l e D ri l l s 0 引 言 在深孔钻机床领域 ， 刀具 品种规格更加多样化， 长则 4 0 0 0 m m、 短则 1 0 0 mm， 粗则 4 _ 3 O mm， 细则 _ 5 mm， 这对机床的整体性 能提出了更高的要求， 无论是机械精度、 抗震、 抗变形能力还是电 气响应速度、 控制精度都要符合加工设备的加工要求。 之前的运动控制领域中， 普通电机驱动器具备很强的运动控 制功能， 但是它的逻辑控制性能和运算功能较弱， 而普通 P L C提 供了较全面的逻辑控制功能 ， 但是不能满足运动控制的需求； 因 此传统的应用方式是将 P L C与伺服控制器配合使用， 这样存在 高速数据传输、 数据同步和精确控制等方面的问题。西门子公司 推出新一代的运动控制平台 S I MO T I O N 。S I MO T I O N是为运动控 制起主导作用的机器而设计的， 本身集成 了逻辑控制与运动控 制， 可以独立完成以往 P L C加电机调速器的所有功能， 主要应用 在控制要求复杂， 控制精度高和控制相应快的运动领域 J 。 本文在分析某型汽车发动机过油孔特点的基础上， 基于西门 子新一代控制驱动器 S I MO T I O N开发出一套汽车发动机过油孔 深孔钻机床 ， 提高过油孔加工环节的加工速度 ， 以满足整条发动 机 生产线的加工节拍要求 。 1 系统控制要求 该发动机需要九个互相贯通的过油孔， 其中发动机表面六个 深孔 ， 孔深 1 9 6 m m， 一个左右贯通的深孔长达 9 6 9 m m， 在内部与 收稿 日期 2 0 1 10 7 2 8 上面六个过油孔相通， 另外两个过油孔分别在工件左右两侧， 孑 L 深分别为4 5 6 ． 5 m m和 3 6 7 ． 5 m m。根据工件加工特点， 将深孔钻 机床设计成三面十轴， 其中左右各两个轴 ， 上面六个轴， 左右分别 有一个轴在同一个进给直线上相向运动， 最终打通工件 如图 1 所示 ， 上滑台刀具打孔最终与 税 7 m m孔相通； 各个方向分别有 一 台伺服电机作为进给轴。 发动机加工车间整条生产线每个环节最高加工时间 3 ． 5 m i n ， 因此， 为了与整条缸体生产线节拍保持一致， 满足整条生产 线要求， 过油孔加工环节必须控制在3 ． 5 m i n内完成， 为保证机械 设备安全， 进给轴进给速度要控制在 1 8 0 m m ／ mi n之内， 进给过程 分三个阶段 入孔阶段 1 2 0 m m ／ mi n ， 钻孔 阶段 1 8 0 m m ／ m i n ， 出孔阶段 1 5 0 m m ／ m i n ； 上滑台由于加工斜孔， 无法安装钻套， 于是有一个接近工件阶段 2 8 m m位移， 进给速 度 3 0 0 m m／ mi n ； 返回速度 v 4 4 0 0 0 m m ／ mi n 。 2 钻孔方案设计 根据 系统实际应用特点 ， 设计 系统 网络拓 扑图如 图 2所示 ， HM I 、 控制驱动器、 被控对象组成网络， 各设备之间通过 P r o fi B u s D P总线通信。 由于时间控制方式的定位功能是开环的， 在以时间控制实现 定位时会有累积误差 ， 因此不能达到精确的位置控制功能要求 ， 而 S I M O T I O N有强大的位置控制功能， 根据 S I MO T I O N在运动控 制中的优越性， 结合实际需求 ， 选择绝对控制方式实现钻孑 L 定位。 左右进给轴伺服电机都拖动两个主轴 ， 每把刀的刀长可以小 范围调节， 因此 2 7 m m刀和 1 4 m m刀的前端差可以改变， 加工方 电气自动化 2 0 1 2 年第 3 4卷 第2 期 一自动化装置与设备 Au t o ma t io n D e v ic e s＆ E q u ip me n 左滑 F 2 F 1 图 1 深孔钻机床加工示意图 案以2 7 m m主轴为基准， 同时不能与上滑台主轴刀具发生干涉。 机械要求上滑台入孔深度2 0 m m， 出孔深度 1 5 ra m； 左滑台入孔深 度 3 0 m m， 出孔深度 1 6 m m； 右滑台入孔深度 3 0 mm， 出孔深度 20mm。 2 ． 1 左右滑 台2 7 mm 刀具之间不能撞刀 刀尖为锥形结构 ， 为了保证 2 7 mm深孔彻底贯通 ， 因此要有 1 0m m左右的重合距离， 共9 7 0 mm。在左右滑台同时进给的前提 下 ， 只有一个滑台加工完成后先退刀， 另一个滑台继续进给到 目 的位置后退刀。上滑台预钻孔在工件靠右部位， 相对于左滑台， 同等条件下右滑台退刀过程中容易与上滑台刀具发生干涉， 为了 右滑台争取更多退刀时间， 需要右滑台先退刀， 为了保证安全性， 设计当右滑台退刀时 ， 左滑台刀头与右滑台刀头之间有 5 mm冗 余 距离 。 左滑台入孔距离 L 。 3 0‘m m， 钻孔距离 J巳 待定， 出孔距离 L 。 1 6 m m； 右滑台入孔距离 L r 3 0 m m， 钻孔距离 2待定， 出 孔距离 L r 3 2 0 m m； 左滑 台入孔 时间 t 1 1 L i 1 ／ 1 5 s ， t 1 2 L 1 2 ／ ，t l 3 L l 3 ／ 6 ． 4 s ， t ， l L ， l ／ 1 5 s ， t L ，2 ／ ， t r 3 L ／ ■■■■■■淄 ⋯ 线 图 2 硬件 系统框图 8 6 E l e c t r i c a l Au t o ma t io n 8 s ； 根据实际需求不难得到如下关系 ￡ l l 三 l 2 1 3L d工 r2L 9 7 0 1 右滑台退刀点进给量 L L ， 1 r 2L 2 右滑台退刀时， 如果左滑台处于出孔阶段， 可得到此时左滑台进 给总距离 L lL I 1工 1 2 t ， 1t ， 2t t l l t 1 2 宰 3 约束条件 L 】￡ ≤ 9 5 5 4 左滑台处于出孔阶段 t 1t r 2t t l lt 1 2≥ 0 5 经过计算发现不能得到完全满足 1 、 2 、 3 、 4 、 5 的 和 。 右滑台退刀时， 如果左滑台处于钻孔阶段 ， 可得到此时左滑 台进给总距离 L lL 1 1 t ， 1t r 2t 一t l 1 木 6 时间最短的必要条件是 L 一 u 1g， u J 山， 人