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汽车曲轴滚压校直机数控系统

文章作者:zhuobo 发布时间:2022-01-04 10:40:33 浏览次数:0

  

  1.概述

  校直机的全称为曲轴深滚压及滚压校直机,属于压力加工设备类,是汽车曲轴加工过程中“一步到位”的一道关键工序。其原理是通过在曲轴的主轴径、连杆径上进行滚压而造成材料局部的晶粒密度变大,产生一定的压应力,从而抵消曲轴在工作时产生的拉应力,目的是提高曲轴的工作寿命。

  这种加工技术在西方发达国家应用普遍,几乎所有的轿车曲轴都要经过这道工序,国内大型曲轴加工企业也基本有这道工序,但所用的全自动滚压校直机全部进口(因为该设备在曲轴加工设备中属于技术含量较高的高端设备)。一些小企业在这项技术上“土法上马”,用车床改造的手动、半自动的设备也不少,但国内尚未出现推向市场的、经过验证的全自动滚压校直机,故该项技术目前在国内属于新兴技术。

  北京圣蓝拓数控技术有限公司从电气系统的硬件构成、软件算法及工艺模型等方面进行了大量的设计与试验,在天润曲轴股份有限公司相关技术人员的大力协助下,成功研制了具有国内领先水平的、有自主知识产权的曲轴滚压校直机数控系统。到目前为止,已为天润曲轴有限公司提供了三台该数控系统(见图1),用于赫根赫特7892滚压校直机改造项目,其中两台已投入公司的生产线,批量加工曲轴近两年,性能稳定,加工的效率、合格率均已达到国外先进设备的水平。另一台在调试状态。

  


  图1 配套圣蓝拓数控系统的滚压校直机

  2.硬件结构

  由于该类机床的控制技术门槛相对较高,涉及高响应频率的液压伺服阀控制技术、多通道同步控制技术及曲轴精密动态测量技术等。在滚压校直数学模型方面又涉及材料力学方面的应用,同时又必须具备大量现场的实践(即经验数据库的应用)。故跨学科的技术融合特点使其在控制系统的构成上,与传统的以位置控制为主的数控系统有较大的区别。 其硬件结构如图2所示。控制结构中的任务如下:

  (1)工控机+触摸屏 作为系统的“上位机”,主要完成的任务是:曲轴滚压校直机的各种工作状态的显示,手动、自动状态下的控制指令输入,工艺参数及工件滚压数据的编辑与存储。

  (2)PLC控制器 主要完成的任务是:机床的液压站、润滑站及冲洗站的管理,曲轴滚压校直过程中的开关量动作的控制及到位检测。

  (3)多路伺服/液压控制器 主要完成的任务是:主轴伺服电动机的控制;多路伺服阀与比例阀的控制,伺服阀用于机床曲轴滚压头的压力控制,比例阀用于不同型号曲轴的机床连杆滚架的位置控制;曲轴的精密测量控制;主轴电动机的速度、位置反馈、滚压压力反馈及测量反馈的处理。

  上述三个控制部件中,每个都安排了任务协调软件,用于与其他两个模块的控制任务进行协调,系统高速的CAN总线与PROFIBUS总线接口保证了任务协调的及时性。

  


  图2

  3.软件构成

  由于曲轴圆角沉割滚压、校直的工艺流程及控制算法比较复杂,因此系统的软件需分为若干功能块以实现机床的加工功能。它们是:

  (1)报警控制模块。实时监控主轴、机床液压、润滑、轴支撑及滚轮破损等环节的状态,超出规定范围时给出报警提示,并限制相关动作的执行。

  (2)系统初始化与回原位模块。对系统的控制参数初始化,包括PLC参数及机床参数,回原位是指将机床运行至准备加工的原始位置的特定处理,包括不同曲轴工件的中心距调整。

  (3)滚压工艺过程实现模块。各种滚压加工的要素在此模块中解释、实施。该模块是系统的核心部分,主轴运动、滚轮压力的控制任务也在此模块中实施。如图3所示。

  (4)校直检测、计算与处理模块。完成曲轴滚压后的主轴径向圆跳动的精密测量,数据处理,并根据测量、处理的结果,在设定的校直参数下,实施最优化的校直处理。如图4所示。

  (5)液压控制模块。实现对机床的除滚轮压力控制外的所有液压辅助动作的控制,包括液压站、润滑站的管理。

  (6)人机界面的交互模块。处理操作员的键盘、触屏按钮输入指令,并以直观的方式显示滚压校直机各种工作状态下的主轴位置、速度、滚压头压力以及主轴径向圆跳动等数据,如图5所示。

  


  图3 滚压工艺过程实现模块

  


  图4 校直检测计算与处理模块

  


  图5 人机界面的交互模块

  (7)其他辅助功能模块。滚压校直机床在完成曲轴滚压、校直加工过程的各种顺序逻辑控制任务。

  4.滚压控制

  滚压校直机在对曲轴滚压时,要求曲轴在以较高速度由机床主轴带其旋转的过程中(一般在90~150r/min),滚压头按工艺要求,周期性地、准确地在曲轴主轴径和连杆径(尤其是连杆径)的不同角度上施加不同的压力。

  要实现上述功能,设备需具备以下特点:

  (1)机床液压部分要具备的是高灵敏度的、以伺服阀为核心的液压执行结构及高精度、高灵敏度的压力检测反馈。

  (2)控制系统要具备多通道的高速液压控制与调节平台(以五轴四连的直列曲轴为例,需要九个通道液压的高速控制)。

  (3)软件系统要具备多通道并行计算与控制能力。

  圣蓝拓公司在研发滚压校直机控制系统过程中,选用高性能的力士乐伺服阀、PARK液压缸作为液压核心部件,选用美国著名DT公司的多通道伺服控制器,配合公司专门开发的液压PID调节软件,构成了滚压校直机的硬、软件平台,阈在此基础上研发了滚压校直机的各种滚压、测量、校直的算法,较好地实现了上述要求。

  图6是在120r/min的转速下,系统对4G1曲轴第三连杆径的施压曲线。上述曲线由加速—变速—减速三段组成,由图6可以看出,系统的理论滚压曲线、给定滚压曲线及实际滚压曲线实现了较好的重合,从而达到了曲轴滚压工艺的要求。

  


  图6 施压曲线

  5.结语

  滚压校直机数控系统的关键核心是:实现曲轴滚压工艺要求的曲轴滚压的压力控制,曲轴的主轴径向圆跳动测量与模型转换的数据处理,根据材料力学原理实施的曲轴校直决策数学模型的实现。圣蓝拓公司研发人员在中国钢铁研究总院材料力学所专家的指导下,在天润曲轴公司技术人员的通力协助下,通过对用户提供的样品曲轴的力学试验,结合建立的曲轴ANSYS软件的滚压运动学模型,创立了通过实践证明行之有效的滚压与校直的控制算法。所滚压的曲轴通过了用户最严格的疲劳试验。两年来,所改造的两台滚压校直机已在用户生产线上批量滚压了各种型号的曲轴,如4G1、菲亚特1.4T以及康明斯2.8L等。

文章来源:【来    源】《金属加工(冷加工)》 2012年第22期 P25-27页

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