1.概述

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

　　這種加工技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國家應(yīng)用普遍，幾乎所有的轎車曲軸都要經(jīng)過這道工序，國內(nèi)大型曲軸加工企業(yè)也基本有這道工序，但所用的全自動滾壓校直機(jī)全部進(jìn)口(因為該設(shè)備在曲軸加工設(shè)備中屬于技術(shù)含量較高的高端設(shè)備)。一些小企業(yè)在這項技術(shù)上“土法上馬”，用車床改造的手動、半自動的設(shè)備也不少，但國內(nèi)尚未出現(xiàn)推向市場的、經(jīng)過驗證的全自動滾壓校直機(jī)，故該項技術(shù)目前在國內(nèi)屬于新興技術(shù)。

　　北京圣藍(lán)拓數(shù)控技術(shù)有限公司從電氣系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、軟件算法及工藝模型等方面進(jìn)行了大量的設(shè)計與試驗，在天潤曲軸股份有限公司相關(guān)技術(shù)人員的大力協(xié)助下，成功研制了具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的、有自主知識產(chǎn)權(quán)的曲軸滾壓校直機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。到目前為止，已為天潤曲軸有限公司提供了三臺該數(shù)控系統(tǒng)(見圖1)，用于赫根赫特7892滾壓校直機(jī)改造項目，其中兩臺已投入公司的生產(chǎn)線，批量加工曲軸近兩年，性能穩(wěn)定，加工的效率、合格率均已達(dá)到國外先進(jìn)設(shè)備的水平。另一臺在調(diào)試狀態(tài)。

　　圖1 配套圣藍(lán)拓數(shù)控系統(tǒng)的滾壓校直機(jī)

　　2.硬件結(jié)構(gòu)

　　由于該類機(jī)床的控制技術(shù)門檻相對較高，涉及高響應(yīng)頻率的液壓伺服閥控制技術(shù)、多通道同步控制技術(shù)及曲軸精密動態(tài)測量技術(shù)等。在滾壓校直數(shù)學(xué)模型方面又涉及材料力學(xué)方面的應(yīng)用，同時又必須具備大量現(xiàn)場的實踐(即經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用)。故跨學(xué)科的技術(shù)融合特點(diǎn)使其在控制系統(tǒng)的構(gòu)成上，與傳統(tǒng)的以位置控制為主的數(shù)控系統(tǒng)有較大的區(qū)別。 其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示�？刂平Y(jié)構(gòu)中的任務(wù)如下：

　　(1)工控機(jī)+觸摸屏 作為系統(tǒng)的“上位機(jī)”，主要完成的任務(wù)是：曲軸滾壓校直機(jī)的各種工作狀態(tài)的顯示，手動、自動狀態(tài)下的控制指令輸入，工藝參數(shù)及工件滾壓數(shù)據(jù)的編輯與存儲。

　　(2)PLC控制器 主要完成的任務(wù)是：機(jī)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(guān)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(wù)是：主軸伺服電動機(jī)的控制;多路伺服閥與比例閥的控制，伺服閥用于機(jī)床曲軸滾壓頭的壓力控制，比例閥用于不同型號曲軸的機(jī)床連桿滾架的位置控制;曲軸的精密測量控制;主軸電動機(jī)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(wù)協(xié)調(diào)軟件，用于與其他兩個模塊的控制任務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，系統(tǒng)高速的CAN總線與PROFIBUS總線接口保證了任務(wù)協(xié)調(diào)的及時性。

　　圖2

　　3.軟件構(gòu)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(fù)雜，因此系統(tǒng)的軟件需分為若干功能塊以實現(xiàn)機(jī)床的加工功能。它們是：

　　(1)報警控制模塊。實時監(jiān)控主軸、機(jī)床液壓、潤滑、軸支撐及滾輪破損等環(huán)節(jié)的狀態(tài)，超出規(guī)定范圍時給出報警提示，并限制相關(guān)動作的執(zhí)行。

　　(2)系統(tǒng)初始化與回原位模塊。對系統(tǒng)的控制參數(shù)初始化，包括PLC參數(shù)及機(jī)床參數(shù)，回原位是指將機(jī)床運(yùn)行至準(zhǔn)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(diào)整。

　　(3)滾壓工藝過程實現(xiàn)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(tǒng)的核心部分，主軸運(yùn)動、滾輪壓力的控制任務(wù)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(shù)據(jù)處理，并根據(jù)測量、處理的結(jié)果，在設(shè)定的校直參數(shù)下，實施最優(yōu)化的校直處理。如圖4所示。

　　(5)液壓控制模塊。實現(xiàn)對機(jī)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(jī)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(jī)各種工作狀態(tài)下的主軸位置、速度、滾壓頭壓力以及主軸徑向圓跳動等數(shù)據(jù)，如圖5所示。

　　圖3 滾壓工藝過程實現(xiàn)模塊

　　圖4 校直檢測計算與處理模塊

　　圖5 人機(jī)界面的交互模塊

　　(7)其他輔助功能模塊。滾壓校直機(jī)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(wù)。

　　4.滾壓控制

　　滾壓校直機(jī)在對曲軸滾壓時，要求曲軸在以較高速度由機(jī)床主軸帶其旋轉(zhuǎn)的過程中(一般在90～150r/min)，滾壓頭按工藝要求，周期性地、準(zhǔn)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(xiàn)上述功能，設(shè)備需具備以下特點(diǎn)：

　　(1)機(jī)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(zhí)行結(jié)構(gòu)及高精度、高靈敏度的壓力檢測反饋。

　　(2)控制系統(tǒng)要具備多通道的高速液壓控制與調(diào)節(jié)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(tǒng)要具備多通道并行計算與控制能力。

　　圣藍(lán)拓公司在研發(fā)滾壓校直機(jī)控制系統(tǒng)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(fā)的液壓PID調(diào)節(jié)軟件，構(gòu)成了滾壓校直機(jī)的硬、軟件平臺，閾在此基礎(chǔ)上研發(fā)了滾壓校直機(jī)的各種滾壓、測量、校直的算法，較好地實現(xiàn)了上述要求。

　　圖6是在120r/min的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)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(tǒng)的理論滾壓曲線、給定滾壓曲線及實際滾壓曲線實現(xiàn)了較好的重合，從而達(dá)到了曲軸滾壓工藝的要求。

　　圖6 施壓曲線

　　5.結(jié)語

　　滾壓校直機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵核心是：實現(xiàn)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(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理，根據(jù)材料力學(xué)原理實施的曲軸校直決策數(shù)學(xué)模型的實現(xiàn)。圣藍(lán)拓公司研發(fā)人員在中國鋼鐵研究總院材料力學(xué)所專家的指導(dǎo)下，在天潤曲軸公司技術(shù)人員的通力協(xié)助下，通過對用戶提供的樣品曲軸的力學(xué)試驗，結(jié)合建立的曲軸ANSYS軟件的滾壓運(yùn)動學(xué)模型，創(chuàng)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(yán)格的疲勞試驗。兩年來，所改造的兩臺滾壓校直機(jī)已在用戶生產(chǎn)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。