基于SIMOTION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 201804）

0 引言

在深孔钻机床领域，刀具品种规格更加多样化，长则4 000 mm、短则100 mm，粗则Φ30 mm，细则Φ5 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PLC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PLC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SIMOTION。SIMOTION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PLC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［1］。

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SIMOTION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196 mm，一个左右贯通的深孔长达969 mm，在内部与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，孔深分别为456.5 mm和367.5 mm。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Φ27 mm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 min，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 min内完成，为保证机械设备安全，进给轴进给速度要控制在180 mm/min之内，进给过程分三个阶段:入孔阶段（V1=120 mm/min），钻孔阶段（V2=180 mm/min），出孔阶段（V3=150 mm/min）;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（28 mm位移，进给速度:V5=300 mm/min）;返回速度V4=4 000 mm/min。

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，HMI、控制驱动器、被控对象组成网络，各设备之间通过ProfiBus-DP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SIMOTION有强大的位置控制功能，根据SIMOTION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孔定位。

图1 深孔钻机床加工示意图

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27 mm刀和14 mm刀的前端差可以改变，加工方案以27 mm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20 mm，出孔深度15 mm;左滑台入孔深度30 mm，出孔深度16 mm;右滑台入孔深度30 mm，出孔深度20 mm。

2.1 左右滑台27 mm刀具之间不能撞刀

刀尖为锥形结构，为了保证27 mm深孔彻底贯通，因此要有10 mm左右的重合距离，共970 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L11=30 mm，钻孔距离L12待定，出孔距离L13=16 mm;右滑台入孔距离Lr1=30 mm，钻孔距离Lr2待定，出孔距离Lr3=20 mm;左滑台入孔时间t11=L11/V1=15 s，t12=L12/V2，t13=L13/V3=6.4 s，tr1=Lr1/V1=15 s，tr2=Lr2/V2，tr3=Lr3/V3=8 s;根据实际需求不难得到如下关系:

图2 硬件系统框图

右滑台退刀点进给量:

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:

约束条件:

左滑台处于出孔阶段:

经过计算发现不能得到完全满足（1）、（2）、（3）、（4）、（5）的Ll2和Lr2。

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:

时间最短的必要条件是L1+Lr≤950，要达到最优化，取:

由（1）、（2）、（6）、（7）不难计算出 L12=451 mm，Lr2=423 mm。

此方案是左、右滑台的最优加工方案，左、右滑台进给时间（取二者最大）:

左滑台进给量:L1max=L11+L12+L13=497 mm

右滑台进给量:Lrmax=Lr1+Lr2+Lr3=473 mm

左右滑台进给轴VS曲线图如图3、4所示。

图3 左滑台进给轴V（mm/min）－S（mm）曲线图

2.2 左右滑台27 mm刀具不能与上滑台刀具撞刀（27 mm孔与8 mm孔相互导通）

上滑台接近距离Lt1=28 mm，入孔距离Lt2=20 mm，钻孔距离Lt3=160 mm，出孔距离Lt4=15 mm;

为了追求时间最短化，上滑台刀头与左右滑台27 mm刀头干涉的临界点是工件左部第一个8 mm刀具与左滑台27 mm刀具交叉点，与左滑台零坐标相距98 mm（如图1所示），为了保证安全性，我们取10 mm冗余，左滑台27 mm主轴返回到此点左侧10 mm处作为临界点，左滑台27 mm刀头从最大进给点返回到此点所用时间 t2=（L1max－88）/V4=6.135 s。

图4 右滑台进给轴V（mm/min）－S（mm）曲线图

上滑台从钻套处进给到最大进给点（刚好与27 mm主轴孔相交）的VS曲线图如图5所示，运动时间:t3=Lt1/V5+Lt2/V1+Lt3/V2+Lt4/V3=74.934s;

上滑台返回时间:t4=Ltmax/V4=3.345 s;

上滑台相对于左右滑台运动滞后时间:t5=t1+t2－t3=102.9 s，此时左滑台位置:S=L11+（t4－t11）*V2=293.7 mm，因此当左滑台位置在293.7 mm且向前运动时，上滑台开始进给，就不会出现上滑台刀头与左右滑台27 mm刀头发生干涉，总时间可以达到最优，最优总时间:t=t1+t2+t4=181.18 s。

图5 上滑台进给轴VS曲线图

2.3 时间节拍要满足要求（加工时间尽量短，不能超过210 s）

按照此方案运行，加工总时间为181.18 s，完全满足工艺要求的210 s以内，经实践测试，实际运动时间与理论计算时间几乎相同，误差小于0.01 s，在允许范围内。

3 运行结果与分析

机床实际运行的位移曲线如图6所示（横坐标t指监控时间，并非进给轴实际运行时间）。

对右滑台达到最大进给量时左滑台位置进行放大（如图7所示），发现此时左滑台位置为476.956 mm，距离右滑台刀尖仍有10 mm左右距离，符合设计要求。

对左滑台返回到98 mm时刻上滑台位置进行放大（如图8所示），发现此时上滑台位置为222.71 mm，此位置小于223 mm，符合设计要求。

4 结束语

本方案三个进给伺服电机的实际运动轨迹符合加工要求，在各阶段进给速度下，主轴加工正常，机械共振等性能满足要求，没有出现异常，现已交付最终客户使用。逻辑控制部分设计严密，各设备之间的互锁考虑到了各种危险因素存在的可能性，加工工件过程中不会出现撞刀等情况。在安全性最高的前提下，节省了76.255s，使加工时间最小化，提高了机床工作效率，增加了企业生产率，得到了客户的好评。

［1］张杨，高明辉.SIMOTION在数字化对接系统中的多轴同步控制应用［J］.航空制造技术，2010，23:114 －116.

［2］侯维岩，费敏锐.PROFIBUS协议分析和系统应用［M］.北京:清华大学出版社，2006，12.

［3］廖常初.西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2008，06.

［4］ SIMOTION D manual［M］.SIEMENS AG A＆D，2008，.

［5］穆海涛.数控深孔钻加工斜孔的技巧［J］.金属加工，2011（1）:33.

［6］王星.不锈钢深孔加工技术探讨［J］.机械工人（冷加工），2005（6）:55－58.