基于西门子机床耦合功能的双旋轮旋压机床设计

贾春雷 刘佳佳

（北京航空制造工程研究所，北京 100024）

科学技术的快速发展，对机加产品提出了高精度、高复杂性的要求。数控技术就是为了实现机床控制自动化要求而发展的，随着数控技术的发展，数控机床的功能越来越强大，加工零件的形式也更加复杂。特别是在专用机床领域，对数控技术有特殊的要求。下面就西门子840D系统中机床坐标轴耦合功能的原理和特点来说明其在旋压机床中的应用。

1 机床坐标系耦合功能的产生

一是提高加工效率，二是加工大型复杂对称零件。随着市场化的进行，产品竞争日益激烈，设备的加工效率和加工质量就成为生产环节至关重要的事情，为提高加工效率和节约成本，采用的一种方法是在同一台设备上同时加工多个工件，这就可以成倍地提高加工效率，并且由于是一台设备，所以设备成本也会相应降低，这就产生了西门子840D的MCS Coupling功能，即机床坐标系耦合功能。该功能可以在同一台机床上定义功能完全相同的多个坐标系。

2 机床坐标系耦合功能的原理

机床坐标系耦合英文全称为“Machine Coordinate System Coupling”，简写为“MCS Coupling”。是机床中相对独立的几个坐标系为完成相同的动作而使用的功能。如图1所示两个相互独立的机床头K1和K2：其中 K1 由 Y、Z、C、A、W 五个轴组成；K2 由 Y2、Z2、C2、A2、W2 组成。这两个坐标系中 Y、Y2，Z、Z2，C、C2，A、A2，W、W2共五对坐标轴可以进行耦合。

在坐标系K1和K2中，Y、Y2相对于K1、K2是位于两个相对独立的坐标系，两个坐标系统中的坐标轴在机械上具有间接联系，在机械加工时我们需要Y、Y2之间具有位移和速度同步功能，即Y、Y2同时以同样大小的速度运动，并保证Y和Y2运动时两个坐标位置的差在设定的范围内，如果两者间的误差超过设定的值，系统将根据设计者的要求进行处理。这种功能称为坐标系耦合同步功能，即机床上由于功能需要建立的几个独立坐标系中的几个坐标轴，在运动时通过误差跟随、检测和补偿功能实现坐标轴之间的位置和速度同步。

3 机床坐标系耦合功能的具体用法

（1）在西门子机床坐标系耦合功能中两个耦合轴可以以1∶1或者1∶-1的方式耦合，即两个耦合轴在运动时速度方向可以相同也可以相反。

（2）在机床坐标系耦合中，有主动轴（CC_Master）和从动轴（CC_Slave）之分，主动轴可以有1个或者多个从动轴，并且从动轴不能作为主动轴使用。作为从动轴有下面约束：!从动轴不能是一个PLC轴；"从动轴不能作为控制轴；#从动轴不能在JOG模式下通过它的主动轴进行单独操作。

（3）西门子MCS耦合功能对轴的要求：!从动轴和主动轴必须都是旋转轴或者直线轴；"机床主轴不能作为MCS耦合轴使用；#主动轴和从动轴不能是转换轴。

（4）西门子机床坐标系耦合功能中的坐标轴在机床数据（Axis Machine Data）MD63540中定义，并且耦合轴的激活和失效是通过系统开放的编程语言实现的。

耦合命令：

去耦命令：

（5）为了在去耦状态或者1∶-1耦合状态下对机床头进行碰撞保护，在机床数据中可以设定碰撞保护功能，并通过机床数据或者PLC程序激活。主动轴和从动轴之间可以有位置上的偏移，并且可以根据需要设定碰撞保护。机床坐标系耦合的碰撞保护功能配置如图2。

例子：主动轴PMaster=X，从动轴PSlave=X2。碰撞保护设定CC_CILLISION_WIN=10 mm，X和X2在零件程序中的起始点分别是X=0，X2=20，那么对于语句N50 G0 X100 X2=90在去耦状态下系统会通过碰撞保护设定进行报警处理。

4 在双旋轮数控旋压机中的应用

旋压机床是用来成形薄壁空心回转零件的一种金属压力专用加工机床，在航空航天、船舶、兵器、汽车、食品以及轻工机械等行业得到广泛的应用。机床借助旋轮等工具作进给运动，加压于随芯模沿同一轴线旋转的金属毛坯，使其产生连续的局部塑性变形而成为所需回转体零件。

旋压成形具有显著的优点：!无屑加工、柔性好、成本低廉；"复杂构件的旋压成形减少了零件之间的连接，零件数量减少，加工精度大为提高；#避免母线焊缝带来的缺陷，提高了构件的强度和疲劳性能。同时旋压成形是大长径比薄壁空心回转体零件的唯一有效的加工方法。

双旋轮数控旋压机是指具有两个旋轮的旋压机床，双旋轮在加工中通常联动动作，一般也可以单独动作，作为单旋轮旋压机使用，其用途广泛，旋压成形区间大，在军工等行业应用非常广泛。图3是双旋轮旋压机床旋轮、工件和旋转芯模分布及工作示意图。

如图4所示，在双旋轮强力数控旋压机中可以应用机床坐标系耦合功能，旋轮的径向移动由分布在主轴SP两侧的X、X2伺服轴驱动，并受机床床身结构的限制，旋轮的纵向移动由分布在SP两侧的两个伺服轴Y、Y2驱动，X与Y两个轴和X2与Y2两个轴各组成一组运动坐标系，且在双旋轮同步加工时要求X、X2之间以及Y、Y2之间的位置和速度同步，并且监视两个坐标系内对应轴的位置和速度误差，在这种情况下应用西门子840D的机床坐标系耦合功能较为合适。

5 编程举例

设主动轴PMaster1=X，PMaster2=Y，从动轴PS-lave1=X2，Pslave2=Y2

例1：

例2：

6 结语

采用西门子机床坐标系耦合功能的双旋轮强力旋压机，通用性和实用性更加广阔，特别是在旋制高精度薄壁空心回转体、复杂曲母线形状零件时，可以显著提高零件的加工效率和精度。

［1］王成和，刘克璋，等.旋压技术［M］.北京：机械工业出版社，1986.

［2］日本塑性加工协会.旋压成形技术［M］.陈敬之译，陈适先校.北京：机械工业出版社，1988.

［3］陈子银，陈为华.数控机床结构原理与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2006.