葉 駿，錢 翔，李 靜，沈南燕，房小燕

（上海大學上海市機械自動化及機器人重點實驗室，上海 200072）

汽車發(fā)動機生產線用數(shù)控曲軸磨床軟件研發(fā)*

葉 駿，錢 翔，李 靜，沈南燕，房小燕

（上海大學上海市機械自動化及機器人重點實驗室，上海 200072）

為滿足汽車發(fā)動機生產線上曲軸高效、高精、柔性加工的需求，設計了曲軸磨床軟件功能模塊，對西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)人機界面二次開發(fā)技術展開深入研究，在西門子Operate Programming Package開發(fā)包的支持下利用C++編程語言結合Access數(shù)據(jù)庫以及Matlab COM組件技術，開發(fā)了專用曲軸磨削軟件界面并嵌入標準西門子數(shù)控系統(tǒng)HMI中，實現(xiàn)了機床、在線量儀與曲軸磨削工藝的集成，更好地發(fā)揮了數(shù)控系統(tǒng)性能、提高了曲軸磨床自動化水平。

汽車發(fā)動機；生產線；數(shù)控曲軸磨床

0 引言

曲軸是汽車發(fā)動機上的關鍵零件，輪廓形狀復雜，精度要求高，其加工質量直接影響發(fā)動機的工作性能。隨著汽車制造業(yè)的迅速發(fā)展，高速、高效加工技術及裝備在汽車制造業(yè)大量采用，汽車企業(yè)對發(fā)動機生產線用數(shù)控曲軸磨床的工序能力指數(shù)提出了Cpk≥1.67的要求，數(shù)控曲軸磨床除了要有良好的靜態(tài)、動態(tài)剛度和加工精度外，還要有很高的磨削效率、加工穩(wěn)定性和柔性［1］。

目前國外汽車發(fā)動機曲軸的磨削加工主要采用以美國Landis、日本Toyada、德國Junker、德國Naxos-U-nion為代表的數(shù)控曲軸磨床［2］，這些機床普遍采用先進的切點跟蹤磨削方式，即一次裝夾磨削所有主軸頸和連桿軸頸，具有加工精度高、柔性化好的特點，配合專用曲軸磨削軟件能夠將曲軸磨床、加工工藝、在線量儀、上下料機械手等元素有機結合，實現(xiàn)無人化操作，大大提高了自動化程度［3］。其中，德國Junker的曲軸磨削軟件功能已十分成熟，可以實現(xiàn)工件自動定位、自動測量、砂輪自動修整、磨削過程自動控制，還具有生產管理、安全保護、故障自診斷等功能。

相比之下，國內曲軸生產設備仍比較落后，大多采用手動或半自動普通曲軸磨床，生產效率低、質量不易保證，不能適應生產線上大批量生產的需求。而少數(shù)大型汽車生產企業(yè)依靠大量引進國外先進設備已達到了較高的曲軸生產水平，但前期投資巨大且易受到國外限制。因此，汽車發(fā)動機生產線用數(shù)控曲軸磨床及其配套磨削軟件的研發(fā)反映了我國汽車制造行業(yè)的迫切需求，對于突破高性能曲軸磨床制造關鍵技術瓶頸、提高曲軸磨床自動化程度、實現(xiàn)替代進口、降低生產成本、提升我國高檔數(shù)控機床技術水平和國際競爭力具有重大意義。

1 曲軸磨床軟件設計

1.1 數(shù)控曲軸磨床硬件配置

由上海機床廠有限公司針對汽車發(fā)動機生產線研發(fā)的MK8220/SD數(shù)控切點跟蹤曲軸磨床（如圖1所示）配備了高動態(tài)響應雙砂輪架進給系統(tǒng)，采用工作臺固定、雙砂輪架后移動式布局，可實現(xiàn)曲軸不同相位連桿軸頸的同時磨削或者一個連桿軸頸和一個主軸頸的同時磨削。此外，機床配備了砂輪修整裝置及多套在機測量儀，從而提高曲軸磨床的自動化水平以及生產效率。

圖1 MK8220/SD數(shù)控曲軸磨床布置圖

1.2 曲軸磨削軟件功能設計

為更好地滿足生產線需求、最大限度發(fā)揮機床性能，需要根據(jù)曲軸磨削工藝流程并結合數(shù)控曲軸磨床的硬件配置情況進行功能整合，在數(shù)控系統(tǒng)標準人機界面的基礎上開發(fā)與數(shù)控曲軸磨床相配套的專用磨削軟件，所制定的曲軸磨削軟件基本功能模塊，如圖2所示。

圖2 曲軸磨削軟件功能模塊

（1）工件裝卸

汽車發(fā)動機生產線上采用桁架機械手實現(xiàn)工件上下料，為更好地配合機械手實現(xiàn)自動上下料功能，從而達到最大限度降低輔助時間、提高生產效率的目的，需要根據(jù)機械手動作流程及交互信號定制曲軸磨床工件裝卸軟件界面，實現(xiàn)上下料流程的顯示、裝卸位置參數(shù)的設定以及頭尾架夾緊的控制。

（2）加工定位

受到工件裝夾及毛坯尺寸不均的影響，只有在磨削之前對曲軸軸頸進行精確的軸向以及角向定位，才能保證曲軸的磨削加工精度。針對汽車曲軸生產線上連續(xù)高效生產的要求，需構建具有高精度和自動化特點的在線測量定位系統(tǒng)并制定與之相對應的軟件模塊，根據(jù)獲得的測量數(shù)據(jù)自動計算，得到工件與機床坐標系相對位置的補償量。

（3）磨削數(shù)據(jù)庫

磨削加工中需要確定大量的磨削工藝參數(shù)，選擇合理的工藝參數(shù)可以改善機床磨削性能，獲得更好的磨削加工質量和經(jīng)濟效益。［4］在曲軸磨床軟件中構建磨削數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中包含大量磨削實驗以及機床、刀具、工件等數(shù)據(jù)，并集成智能磨削參數(shù)選擇決策系統(tǒng)，提供合理、優(yōu)化的磨削工藝參數(shù)以支撐汽車發(fā)動機生產線上曲軸的高效高精加工。

（4）雙砂輪的修整及磨損補償

針對汽車曲軸微量中凸（中凹）軸頸的成型磨削需求，在曲軸磨床尾架端安裝砂輪修整裝置，在軟件界面中可配置砂輪及修整輪參數(shù)、校準修整器安裝位置、參數(shù)化設定修整輪廓并自動生成修整軌跡，利用機床X軸、Z軸的兩軸聯(lián)動實現(xiàn)雙砂輪的插補修整。

在生產線上工件連續(xù)磨削加工過程中，不可避免地會產生砂輪的磨損現(xiàn)象，為了保證加工精度，需要及時對砂輪直徑的磨損量進行檢測。利用安裝在砂輪架上的聲發(fā)射傳感器，可以測量砂輪相對于機床某一基準的相對位置，間接得到砂輪的磨損量，并將測量結果反饋至數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)砂輪磨損的自動補償。

（5）工件幾何尺寸和形狀精度控制

磨削加工作為曲軸精加工工序，必須能精確控制工件的尺寸及圓度。在曲軸磨床兩個砂輪架上分別安裝了馬波斯Fenar-L量儀用于控制工件尺寸。該量儀可輸出4個信號，分別對軸頸的粗磨、半精磨、精磨和最終尺寸進行有效控制，保證一批工件尺寸的重復性。在軟件界面中能夠輔助完成量儀的標定及各檔發(fā)信尺寸的設定，并可通過生產線上的直徑量儀檢測成品曲軸各軸頸的尺寸誤差，記錄在曲軸磨削軟件中，在下次磨削時用于工件尺寸的補償。

在汽車曲軸生產線上配備Adcole綜合測量儀控制曲軸軸頸圓度，可對一批次曲軸進行抽檢并生成測量報告。曲軸磨削軟件可導入Adcole測量文件，顯示軸頸圓度測量信息，并根據(jù)事先制定的誤差補償策略，對圓度超差的軸頸誤差數(shù)據(jù)進行處理，自動生成符合機床編程語法要求的補償程序，將補償量疊加在機床原有X軸進給運動上實現(xiàn)圓度誤差的補償［5］。

（6）生產過程管理

針對生產線上生產過程管理方面的需求，在曲軸磨削軟件中加入了生產管理界面，能夠實時監(jiān)控機床的運行狀態(tài)、實現(xiàn)工件計數(shù)、加工節(jié)拍控制并生成軟件的操作記錄及參數(shù)修改記錄，為機床的調試、維護以及故障診斷提供必要的信息。

1.3 曲軸磨削軟件開發(fā)規(guī)范

曲軸磨削軟件研發(fā)的最終目標是應用于汽車發(fā)動機生產線曲軸磨床，近年來，汽車企業(yè)對機械設備的人機界面提出了更高的要求，制定了相應的軟件開發(fā)規(guī)范：磨削軟件界面應具有統(tǒng)一的風格，使用國際通用的符號及術語，具有圖形化顯示以及操作提示功能，根據(jù)曲軸磨削的工藝流程建立一個層次清晰、操作方便的菜單系統(tǒng)，此外，用戶界面應提供更簡潔的操作，從而減少操作者誤解、縮短機床設置過程、提高生產效率。

2 數(shù)控曲軸磨削軟件開發(fā)平臺

MK8220/SD數(shù)控曲軸磨床配置西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)提供的多通道控制以及多軸聯(lián)動功能可以滿足雙砂輪曲軸切點跟蹤磨削運動控制的需求，能將工件的加工、砂輪修整、自動上下料等動作單獨分離出來，使其互不干涉地同時執(zhí)行，提高機床的工作效率［6］。作為高端數(shù)控系統(tǒng)，840Dsl具有很強的開放性，其人機界面HMI具有專門的軟件接口和開發(fā)標準，可以靈活地根據(jù)生產需求擴展數(shù)控系統(tǒng)的功能，在標準人機界面中加入符合西門子界面規(guī)范和風格的用戶定制界面，并通過softbus總線與NCK/PLC通訊（如圖3所示），實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問、文件的傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖3 HM I與數(shù)控系統(tǒng)間的通訊

2.1 西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)方式

西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)提供了3種二次開發(fā)方式，其特點如表1所示。

表1 西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)方式

2.2 西門子Operate Programm ing Package二次開

發(fā)基礎

Operate Programming Package軟件開發(fā)包能夠支持Windows和Linux系統(tǒng)，本文主要介紹基于Windows操作系統(tǒng)下軟件的二次開發(fā)，所對應的西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的硬件配置方式為PCU和NCU，軟件的開發(fā)平臺為Visual Studio 2008，編程語言為C++和XML，軟件界面主要用Qt（Q toolkit）圖形用戶界面庫來實現(xiàn)。

3 曲軸磨削軟件與數(shù)控磨床的集成

3.1 磨削軟件與西門子數(shù)控系統(tǒng)標準HM I的融合

西門子標準人機界面主要由四部分組成：狀態(tài)信息欄用來顯示機床狀態(tài)參數(shù)，對話欄用來顯示軟件操作提示信息，這兩部分可采用西門子默認界面風格；工作區(qū)域即為軟件要顯示的窗體；菜單欄包含水平軟鍵和垂直軟鍵，與工作區(qū)域顯示的窗體對應，用于實現(xiàn)功能的觸發(fā)及界面的跳轉。因此，曲軸磨削軟件的嵌入就是要將所設計的窗體顯示到界面工作區(qū)域，并配置菜單欄，使得軟件中的按鈕一一對應到水平軟鍵和垂直軟鍵上［7］。

曲軸磨削軟件窗體采用Qt開發(fā)，Qt提供了一個跨平臺C++圖形用戶界面應用程序框架，良好封裝機制使得Qt的模塊化程度非常高，可重用性較好。信號和槽是Qt編程的核心機制，信號和槽是一種高級接口，應用于對象之間的通信，可以通過Connect（sender，SIGNAL（signal），receiver，SLOT（slot））函數(shù)連接在一起，每當發(fā)射一個信號，就能自動調用對應的槽，實現(xiàn)相應的功能［8］。使用Qt Designer，可以較快的完成軟件窗體的設計、布局工作，并連接已有的信號和槽，提高軟件開發(fā)的效率。

要實現(xiàn)用戶界面嵌入840Dsl系統(tǒng)，需要使用四個文件：crank.dll、crank.hmi、systemconfiguration.ini和slamconfig.ini。其中systemconfiguration.ini是系統(tǒng)配置文件，包含了系統(tǒng)初始化信息，描述了把哪個用戶界面嵌入到840Dsl系統(tǒng)中，slamconfig.ini文件用于對用戶自建區(qū)域的屬性進行配置，可用記事本編輯，定義用戶自建區(qū)域啟動軟鍵屬性，在840Dsl數(shù)控系統(tǒng)上，包含有默認的slamconfig.ini配置文件，可以對其進行修改后，拷貝到相應的路徑下使其生效。

crank.dll為動態(tài)鏈接庫文件，由Visual Studio 2008中HMI項目編譯生成，用來實現(xiàn)曲軸磨削軟件的功能。

crank.hmi描述了用戶界面的屬性、對應的菜單欄以及各界面間的調用關系，crank.hmi文件需要使用西門子slHmiConverterGui工具，由項目中的crank.xm l文件轉化生成，crank.xml文件可在HMI項目中直接用XML語言編輯，由于曲軸磨削軟件窗體較多，其界面配置及菜單欄的定義方式接近，這里只列舉了一個窗體的定義過程。

其中，formpanel屬性可定義窗體在工作區(qū)域的顯示布局方式，softkeybar可定義所編輯菜單欄軟鍵的類型，"hu"代表水平軟鍵，"vr"代表垂直軟鍵，F(xiàn)UNCTION name可定義功能函數(shù)名，并在軟鍵對應窗體的on-Function（）函數(shù)中添加代碼以實現(xiàn)軟鍵功能，通過NAVIGATION語句，能夠定義跳轉的類型以及跳轉的目標，實現(xiàn)軟件界面的切換。

將上述文件復制到指定的路徑中，就能將符合西門子界面風格的用戶定制界面添加到標準人機界面中，實現(xiàn)曲軸磨削軟件與數(shù)控系統(tǒng)標準界面的融合。

另外，為了實現(xiàn)軟件的國際化，需要使用qm文件實現(xiàn)多國語言的切換，qm文件是Qt中用于自定義翻譯的源文件，可由項目中的ts文件生成。Qt采用基于關鍵字的多國語言切換機制，需要在ts文件中建立語言切換時顯示的文字與對應索引編碼的對照表，一個完整的翻譯文件如下。

context標簽是一個翻譯文本章節(jié)的開始標志，name標簽指明了該章節(jié)的名稱，message標簽包含一條需要翻譯語句，source是用于匹配所需翻譯語句的關鍵字，translation是翻譯后的語句。

3.2 曲軸磨削軟件在數(shù)控磨床上的安裝

曲軸磨削軟件的開發(fā)過程中還需考慮軟件可移植性以適應不同計算機的軟硬件環(huán)境，將軟件安裝到數(shù)控系統(tǒng)上進行實際驗證應用時，還需要注意以下問題：

（1）數(shù)據(jù)庫的移植

為保證曲軸磨削軟件各模塊之間數(shù)據(jù)的共享以及良好的可擴展性，軟件中采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與管理［9］。由于840Dsl數(shù)控系統(tǒng)中安裝的是Windows英文操作系統(tǒng)，不支持Access數(shù)據(jù)庫默認的中文排序方式，軟件安裝到數(shù)控系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)庫進行操作時可能會出現(xiàn)錯誤。為避免這種情況，在軟件開發(fā)過程中就應選用合適的數(shù)據(jù)庫排序方式，并在目標機上對用戶數(shù)據(jù)源進行配置。

（2）Matlab Com組件的調用

在曲軸磨削軟件研發(fā)中運用了VC與Matlab的混合編程技術，在VC中調用Matlab生成的Com組件能更方便地實現(xiàn)曲軸連桿頸切點跟蹤磨削運動軌跡計算以及其他磨削過程優(yōu)化算法，從而發(fā)揮Matlab數(shù)學計算優(yōu)勢、縮短磨削軟件開發(fā)周期［10］。為了能使曲軸磨削軟件在數(shù)控系統(tǒng)上能夠脫離Matlab環(huán)境運行，需要在生成COM組件時，將包含相應版本Matlab運行環(huán)境的MCR一起打包，在目標機上安裝MCR并將其安裝路徑添加到該計算機的環(huán)境變量中。

4 曲軸磨削軟件圓度誤差測量與補償模塊的實現(xiàn)

將所開發(fā)的曲軸磨削軟件安裝到西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)上，進行曲軸磨削軟件的功能驗證以及可靠性實驗。其中，軟件圓度誤差測量補償模塊的運行情況如圖4所示。

圖4 圓度誤差測量與補償模塊運行情況

5 結論

本文從曲軸磨削軟件開發(fā)的角度，針對汽車發(fā)動機生產線上數(shù)控雙砂輪架切點跟蹤曲軸磨床的硬件配置及需求情況，設計了相配套的曲軸磨削軟件功能模塊，對西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)進行了技術攻關，并在此基礎上完成了曲軸磨削軟件的開發(fā)。實驗證明，所開發(fā)的軟件成功嵌入了840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了既定功能，更好地發(fā)揮了數(shù)控系統(tǒng)性能、提高了曲軸磨床自動化水平，對基于Operate Programming Package開發(fā)包的西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)人機界面二次開發(fā)具有普遍的參考價值。

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（編輯 李秀敏）

Design of Software for Crankshaft Grinding M achine Use on Car Engine Production Lines

YE Jun，QIAN Xiang，LI Jing，SHEN Nan-yan，F(xiàn)ANG Xiao-yan
（Shanghai Key Lab of Mechanical Automation and Robotics，Shanghai University，Shanghai200072，China）

The function module of crankshaft grinding software is designed and the secondary development technology of SINUMERIK 840Dsl HM I（Human Machine Interface）is deeply studied to meet the demand of high efficiency，high precision crankshaft processing in car engine production lines.The dedicated grinding software for crankshaftwhich is embeded in standard HM I is developed by using C++programm ing language，Access database and Matlab COM componentw ith the supportof SINUMERIK Operate Programming Package to realize the integration of grinding machine，online instrument and crankshaft grinding process，make better use of the CNC system，raise the automation level of crankshaft grinding machine.

car engine；production line；CNC crankshaft grinding machine

TH166；TG595

A

1001-2265（2015）07-0029-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.009

2014-09-30；

2014-10-28

重大專項"汽車發(fā)動機生產線用數(shù)控曲軸磨床、凸輪軸磨床"（2013ZX04002-031）

葉駿（1990-），男，上海人，上海大學碩士研究生，研究方向為數(shù)控技術及機器人，（E-mail）yejun0406@126.com。