基于IMAC400的数控旋压机床手轮功能的实现

石亚平，王启行，张明天

(1.佛山职业技术学院，广东佛山528000;2.华中科技大学制造装备数字化国家工程研究中心，湖北武汉430074;3.深圳飞亚达科技有限公司，广东深圳518128)

旋压是一种运用渐进旋转点变形技术的先进无屑金属压力加工方法［1－2］。它借助旋轮等工具作进给动力，将与随芯模沿同一轴线旋转的金属毛坯压向芯模轮廓，使其产生连续的局部塑性变形而成为所需的空心回转体零件［3］。随着制造业发展的需要，旋压机床越来越广泛地运用于自动化和航空航天工业、艺术作品、乐器、厨房用具等的生产，特别是像喷气式发动机、涡轮机、雷达反射器、卫星头锥体［4］，对旋压机数控系统提出了更高的要求。

无论在何种数控系统中，手轮功能都是必不可少的，手轮一般是在非加工状态下，用来实现刀具微动、工件对刀、工作台运动等［5－7］。但是针对专用的旋压机床来说，对手轮有着特殊的要求:(1)在旋压加工前，调整芯模和旋轮之间的间隙繁琐而耗时，要求手轮能够实现准确的调整间隙，即手轮能够实现加工前的普通调整;(2)在旋压加工过程中，芯模不能被旋轮挤压变形，能够随时调整芯模和旋轮之间的间隙，即手轮能够实现加工过程中的在线调整。

针对以上两个问题，作者提出了对应的解决方案，采用以“PC +运动控制器”为核心的开放式数控系统，运用PLC 技术和Visual C + +6.0 技术，实现了手轮的普通调整和在线调整两个功能。

1 手轮功能硬件平台

针对旋压机床运动控制的特点，采用以“PC +运动控制器”为核心的开放式数控系统，搭建了图1所示的双旋轮旋压机床控制系统硬件平台。硬件平台主要由PC 机、IMAC400 运动控制器、放大器、液压伺服、伺服油缸、滑块、光栅尺、手轮等组成。

图1 控制系统硬件连接示意图

多轴运动控制器选用泰道中国公司的IMAC400四轴运动控制器，它是基于Turbo PMAC2 专门为广大OEM 自动化设备制造商定制开发的能够广泛适用于各种工况的高性能、高可靠性的运动控制解决方案［8］。IMAC 400 的OPT－D 选项提供了一个8 k ×16位的双端口RAM，双端口RAM 通过网线连接PC 机进行高速数据交换。它通过AMP 接口和伺服系统连接，同时控制4 个轴的伺服计算和伺服运动。光栅尺的反馈信号通过ENC 接口反馈给运动控制器。IMAC400 具有内置PLC，可以在后台同时运行64 个异步PLC，提供了16 路本地数字I/O、可扩展多至2 048 个远程数字I/O。同时，IMAC400 还提供了JHW 接口，主要负责手轮信号、主轴反馈信号的输入和主轴信号的输出。

JHW 是两通道手轮接口，每一个手轮通道为用户提供了一组脉冲和方向差分输出信号以及编码器反馈输入。手轮的硬件连接示意图［9］如图2所示，手轮的脉冲信号通过HA 和HB 两路差分信号输入到JHW接口，手轮的进给轴选择、进给倍率等选择开关作为IO 输入信号通过本地I/O 输入到IMAC400。

图2 手轮硬件连接示意图

2 手轮功能的基本原理

文中主要介绍手轮的两个功能:第一个功能是旋压机床在非加工状态下，运用手轮调整各个进给轴的位置，以便于旋轮和芯模之间间隙的调整，为加工做准备，称这种功能为普通调整;第二个功能是旋压机床在加工状态下，发现偏差时运用手轮及时对各轴的位置进行在线调整，称这种功能为在线调整。

不论是普通调整还是在线调整，手轮的功能都是基于IMAC400 提供的位置跟随功能实现的。它是IMAC400 运动控制器在保持与外界事件同步的诸功能(位置跟随，时基控制、位置捕捉和位置比较)中最基本的一种。

对于普通调整方式，首先将手轮脉冲编码器产生的脉冲信号发送到IMAC400 中，IMAC400 对脉冲信号进行相应的处理，然后通过AMP 输出口输出到相应液压伺服，驱动相应的轴运动指定的距离。手轮调整后的位置可以由以下公式计算得到:

其中:p 为调整后的位置;

p0为调整前的位置;

c0为初始手轮码盘读数;

c1为当前手轮码盘读数;

k 为进给倍率;

u 为进给脉冲当量。

由公式(1)可知，通过计算手轮码盘的当前读数和初始读数的差就可以得到调整后的位置，因为调整前的位置、进给倍率和脉冲当量在调整之前都已经确定。

对于在线调整方式，也是首先将手轮脉冲编码器产生的脉冲信号发送到IMAC400 中，IMAC400 对脉冲信号进行相应的处理，此时需要调整的轴正在运动，手轮的脉冲信号会叠加到当前运行的程序当中，改变对应轴的实际位置。在线调整的原理图如图3所示，其中Ixx05 表示主控位置，Ixx06 表示位置跟随方式，Ixx07 表示主控范围因子，Ixx08 表示位置环因子，Ixx09 表示速度环因子。

图3 在线调整功能原理图

在这种情况下，如果调整量过大或者调整速度过大，机床会产生很大的冲击，为了避免此类现象的发生，必须在PLC 程序中，对脉冲的大小设置上限。如果发出脉冲高于上限，IMAC400 自动将此视为上限输出。

3 手轮功能的实现

要完成手轮的功能，在完成硬件的连接之后，需要对于手轮功能相关的一些IMAC400 的I 变量进行设置，主要有Ixx05，Ixx06，Ixx07 和Ixx08，其中xx为对应轴编号。

(1)Ixx05 为主动轴位置和方式，确定主动轴位置信息的寄存器地址。一般情况下，主动轴位置寄存器的值是位置反馈信号在编码器转换表中经过处理的一些数据，每个Ixx05 都有对应的地址，比如I105 =$3501，I205 = $3502，I305 = $3503，I405 = $3504。在手轮跟随情况下，1 ～4 号轴都为从动轴，故Ixx05 =I605，I605 为手轮轴的寄存器地址。

(2)Ixx06 控制xx 轴的位置跟随方式。它不仅能够确定位置跟随的使能和禁止，还能够确定位置跟随是处于普通模式还是叠加模式。普通模式是指一个轴完全跟随另一个轴的运动状态，没有自己的独立运动;叠加模式是某个轴不仅有自己的运动，而且还可以在自己的运动的基础上叠加其他的脉冲当量。Ixx06 有两位，第一位决定跟随功能的使能与禁止，第二位确定跟随功能的模式。当Ixx06 =0 时表示跟随功能禁止，普通模式;当Ixx06 =1 时表示跟随功能使能，普通模式;当Ixx06 =2 时表示跟随功能禁止，叠加模式;当Ixx06 =3 时表示跟随功能使能，叠加模式。当手轮进行普通调整的时候，处于普通模式，所以Ixx06 =1，其他轴都设置为0;当手轮进行在线调整的时候，处于叠加模式，所以Ixx06 =3，其余轴都设置为2。

(3)Ixx07 和Ixx08 用来确定主动轴和从动轴的跟随比例关系，其值决定了跟随轴的倍率。其计算公式［10］为:

其中:ΔCPn为从动轴位置;

ΔMPn为主动轴位置。

这个关系式可以由图4 表示出来。

图4 机械齿轮

一般情况下，只能改变Ixx07 的值来改变比例关系，Ixx08 的值固定为96。当手轮进行调整的时候，通过调整手轮上面的倍率可以来改变Ixx07 的值，在该系统中，Ixx07 的值与调整精度(调整精度表示手轮转动一格对应轴运动的距离)如表1所示。

表1 比例数据

运用IMAC400 内置的PLC 编程改变Ixx05，Ixx06，Ixx07 和Ixx08 的值即可实现手轮的两个调整功能。

4 应用实例

该系统采用主从式双系统结构，上位机PC 和下位机IMAC400 都有自己独立的CPU、存储器，分别构成一套独立的计算机系统。利用这一优势，上位机采用Visual C+ +6.0 编写控制界面，实现良好的人机交互、数据处理、实时显示、加工程序生成等功能，软件控制界面如图5所示;下位机IMAC400 完成运动控制、插补运算、IO 管理以及PLC 的运行等实时控制功能。

采用以上方法开发的旋压机控制系统已经成功应用于某航天单位的双旋轮旋压机床的数控化改造中。在实际运行中，当处于非加工状态下，旋轮能够准确跟随手轮的动作做相应的运动，移动平稳连续，并且在调整旋轮和芯模之间的间隙的时候，能够准确定位，间隙调整非常方便。当处于加工状态下，通过改变手轮的进给倍率和旋转速度可以很方便地调整刀具的移动速度，避免了在线调整时的冲击作用，当发现加工间隙增大或减小的时候，能够及时调整，明显地提高了产品的精度。

图5 软件控制界面

5 结论

作者提出的手轮普通调整功能和在线调整功能，使旋压机加工前的间隙调整更加方便快捷，同时解决了加工过程中的间隙实时调整问题，提高了产品的精度，保护了芯模等安全，实现了安全生产。其研究成果已成功运用于某航天系统双旋轮数控旋压机的数控化改造，旋压力为20 ×104N，产品精度达到了0.001 mm，达到了预期的要求。

【1】MOLLADAVOUDI Hamid R，FARAMARZ Djavanroodi.Experimental Study of Thickness Reduction Effects on Mechanical Properties and Spinning Accuracy of Aluminum 7075-O，during Flow Forming［J］.Int J Adv Manuf Technol，2011，52(9/10/11/12):949－957.

【2】王成和，刘克璋.旋压技术［M］.北京:机械工业出版社，1986.

【3】WONG C C，DEAN T A，LIN J.A Review of Spinning，Shear Forming and Flow Forming Processes［J］.J Mats Proc Tech，2004，43(14):1419－1435.

【4】MUSIC O，ALLWOOD J M，KAWAI K.A Review of the Mechanics of Metal Spinning［J］.Journal of Materials Processing Technology，2010，210(1):3－23.

【5】汤兆红，张运安，区锐相，等.数控系统中手轮信号处理方法［J］.机床与液压，2007，35(6):32－37.

【6】赵海军，叶佩青.手轮脉冲驱动均匀化控制［J］.机床与液压，2003(1):117－118.

【7】王辉，黄田，倪雁冰，等.并联机床手轮功能的实现［J］.机械工程学报，2002，38:212－214.

【8】IMAC400 用户手册VER004［M］.DELTATAU Data Systems，Inc.2010.

【9】王益红，陈志同.基于PMAC 的数控机床手轮功能的实现［J］.机械工程师，2005(12):68－70.

【10】TURBO PMAC USER MANUAL［M］.DELTATAU Data Systems，Inc.2003.