基于PMAC和LabVIEW的環(huán)狀零件滾壓加工設備研制*

侯耀宗1，姚振強1，梁鑫光2

(1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海200240；2.上海航天設備制造總廠,上海200245)

摘要：航天閥門是運載火箭壓力輸送系統(tǒng)的關鍵零部件，其可靠性的高低將直接影響火箭發(fā)射的成敗以及相關人員、設備的安全，因此閥門密封結構的品質對于火箭的安全發(fā)射極為關鍵。目前，航天閥門密封結構件的塑性變形滾壓成型時在普通車床上通過配備定制滾壓刀具的方式完成的。由于加工是人工手動進給，因此不能保證生產節(jié)拍和生產效率。文章設計并研制了滾壓加工的自動化設備，應用PMAC運動控制卡為核心，結合LabVIEW完成了加工平臺的數控系統(tǒng)的編寫，并進行了控制系統(tǒng)PID參數調節(jié)和傳感器的標定。應用該滾壓加工平臺進行試驗加工表明，該加工平臺能夠實現恒速進給、恒扭矩進給的加工功能，并且能夠完成密封結構件的滾壓加工，加工后的零件經過檢驗能夠滿足密封要求。

關鍵詞：LabVIEW；環(huán)狀零件；滾壓加工；PMAC運動控制卡

文章編號：1001-2265(2015)09-0102-05

收稿日期：2014-12-29

基金項目：*上海市自然基金課題資助(14ZR1420600);航天先進技術聯(lián)合研究中心技術創(chuàng)新項目資助(USCAST2013-12)

作者簡介：侯耀宗(1992—)，男，河北邢臺人，上海交通大學碩士研究生，研究方向為滾壓加工工藝優(yōu)化與專機研制，(E-mail)hyz200926@yeah.net。

中圖分類號：TH69；TG506

Reseach on PMAC-LabVIEW-Based Processing Equipment for Ring-Parts Rolling Processing

HOU Yao-zong1, YAO Zhen-qiang1, LIANG Xin-guang2

(1.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China；2.Shanghai Aerospace Equipment Manufacturing General Factory, Shanghai 200245, China)

Abstract：Aerospace rocket valve is a key component of the pressure delivery system, its reliability will directly affect the safety of the success of the rocket launch and related personnel, equipment, and therefore the quality of the valve seal structure is critical for the safety of launching rockets. Currently, theroll forming process of sealing partiscompleted by lathe tool with customized tools. Because the process is manually feed, and therefore it can not guarantee the tact and productivity.Designed and developed In this paper, the rolling process automation equipment had been completed, and the control system was been designed by PMAC and LabVIEW. Then the PID parameters of control system were set and the sensors were calibrated. Finally, the seal part rolling finished in the equipment, which indicated this equipment can produce the seal part with the constant feeding rate or the constant torque method, and the quality of sealpart satisfied the design.

Key words： LabVIEW software;ring sealing part;rolling process;PMAC control card

0引言

航天閥門是運載火箭壓力輸送系統(tǒng)的關鍵零部件，其可靠性的高低將直接影響火箭發(fā)射的成敗以及相關人員、設備的安全，因此閥門密封結構的品質對于火箭的安全發(fā)射極為關鍵。目前，航天閥門密封結構件的塑性變形滾壓成型是在普通車床上通過配備定制滾壓刀具的方式進行加工，依靠工人手動調節(jié)進行滾壓加工，在批量生產中不能保證生產節(jié)拍和產品的一致性，因此，需要研制自動化的環(huán)狀結構件滾壓加工專用設備。

由于環(huán)狀零件滾壓加工工藝的特殊性，使其適合以現有加工設備為基礎進行數控化改造來達到工藝的要求。文獻[1]中以PMAC運動控制卡為基礎研制了一套適合柔性制孔的專用設備，通過PMAC來實現對多軸聯(lián)動的控制，系統(tǒng)人機界面采用VB進行編寫，文獻[2]中利用PMAC構建NC嵌入到PC中，實現了龍門鉆床的多軸控制，文獻[3]中詳細說明了PID參數在PMAC控制中的作用，并指出通過調整PID參數可以使系統(tǒng)獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)品質，文獻[4]中將PMAC應用于組合機床，使得其得到了極大的擴展性，并且提高了加工質量。上述文獻中采用的控制系統(tǒng)設計方法和思路為滾壓加工平臺的研制提供了指導和參考。

本文針對航天閥門密封結構件滾壓加工的特點和工藝要求，基于伺服電機、PMAC運動控制卡以及LabVIEW軟件，對普通機床進行數控化改造，并研制開發(fā)了一套專用滾壓加工數控系統(tǒng)，介紹了其硬件組成和功能特點，闡述了密封結構件滾壓平臺控制系統(tǒng)的建立方法以及硬件參數標定實驗；最后的工藝試驗說明了滾壓設備能夠滿足設計要求。

1滾壓加工設備組成

1.1滾壓加工設備及特點

航天閥門密封結構件的構成如圖1所示，通過滾壓加工使得密封結構件變形并抱緊塑料環(huán)，達到密封的效果。

圖1　航天閥門密封件滾壓成型示意圖

現有加工方式是在普通車床上(如圖2a)通過配備特定的滾壓刀具(如圖2b)進行加工，在加工時依靠操作員手動進給，滾壓力大小不均勻，加工質量和生產節(jié)拍不能得到保證。為提高零件的生產加工質量，保證其密封的可靠性，有必要研制專用于密封結構件加工的滾壓專機。

(a)滾壓加工設備

(b)滾壓加工刀具

1.2機械結構設計和組成

滾壓加工設備是在一臺CA6150普通車床上進行的數控化改造，為了滿足航天閥門密封件滾壓加工的工藝要求，將普通車床的y向進給軸改為數控控制，盡可能的提高滾壓加工的精度、剛度，以提高滾壓件的加工質量。改裝之后加工平臺的整體機械結構如圖3所示。改造之后滾壓加工的進給依靠伺服電機動作，提高了控制精度，扭矩傳感器作為扭矩控制環(huán)的閉環(huán)傳感器；并且將原來的滑動絲杠改為兩端固定的滾珠絲杠，提高了系統(tǒng)剛度和加工精度。

圖3　環(huán)狀密封結構件滾壓加工平臺

1.3伺服結構設計

航天閥門密封結構件的滾壓加工平臺所使用的伺服方案為：將PMAC運動控制卡作為下位機負責對伺服電機的控制，PC機作為控制系統(tǒng)的上位機，伺服電機的驅動器為日本松下公司的MDDKT3530，伺服電機為松下的高扭矩系列MDME102GCUM，能夠滿足滾壓加工中所需要的低轉速下的高扭矩要求。

2數控系統(tǒng)的設計與開發(fā)

2.1整體設計方案

系統(tǒng)所應用的PMAC運動控制卡為TurboPMAC2 PCI板卡、DTC-28B數模轉換卡、DTC-8B軸接口卡，應用這些硬件便可以實現PMAC和伺服控制器的硬件連接。

本文利用LabVIEW2012作為航天閥門密封結構件滾壓加工平臺控制系統(tǒng)的開發(fā)工具，并且應用泰道公司編寫的PComm32.dll文件作為上位機和PMAC之間進行軟件通訊的橋梁。在滾壓加工設備運行時，PMAC卡跟上位機之間的硬件接口是RS232并口轉USB串口線。圖4為加工平臺的控制系統(tǒng)結構圖。

圖4　加工平臺控制系統(tǒng)結構圖

2.2上位機與PMAC的通訊功能實現

控制系統(tǒng)的軟件是應用LabVIEW2012作為開發(fā)工具，充分利用PMAC的動態(tài)鏈接庫的相應函數，實現人機界面的各種操作功能。在LabVIEW中是以“調用函數庫結點”來實現的庫函數的使用，調用方式如圖5所示。模塊的左邊接線端是函數的輸入參數，右邊是函數的輸出返回值。雙擊結點模塊，便可以配置調用函數的各種屬性。

圖5　調用庫函數節(jié)點模塊

2.3人機交互界面功能介紹

利用LabVIEW可以實現人機界面的各項功能。滾壓加工數控程序的人機界面如圖6所示，主要包括：手動模式模塊、恒速進給模塊、恒力進給模塊、急停按鈕、實時加工扭矩顯示、錯誤信息查詢等。下面將詳細介紹各個模塊的功能。

圖6　加工平臺控制系統(tǒng)人機交互界面

(1)手動操作模塊

手動進給模塊(如圖7所示)主要用于調節(jié)滾壓加工平臺的伺服電機，由選擇軸、輸入行程組成。加、減按鈕用來控制刀具平臺的進給和后退，反轉行程和正轉行程用來控制每次后退和進給的距離，由于只有一個軸是數控軸，因此選擇y軸便可以進行控制。HOME鍵用來實現刀具臺的回零動作。

(2)恒速進給模塊

應用PMAC運動控制卡的速度閉環(huán)控制，可以實現滾壓加工的恒速度進給，恒速度進給加工控制模塊如圖8所示。其中手輪可以實現倍率調節(jié)，設定特定的滾壓進給速度和刀具的行程，設定完畢之后滾壓加工平臺便可以在所設定的行程之內按照特定的加工速度和進給倍率進行滾壓加工。

(3)恒扭矩加工模塊

安裝扭矩傳感器后，可以實現自動控制加工如圖9所示。根據滾壓加工工藝的理論指導，可以設定滾壓加工時的滾壓力大小，以及在滾壓加工中所允許的加工力的誤差。同時可以設定加工力的上限和下限，當滾壓加工力超過所設定的上限或者下限的時候右邊的綠燈將會變成紅燈警告；同樣可以設置加工的伺服周期來調整生產的節(jié)拍。

圖7　手動操作模塊

圖8　恒速度進給模塊

圖9　恒力加工模塊

圖10　實時扭矩監(jiān)控模塊

(4)實時扭矩/滾壓力監(jiān)控

在滾壓加工的時候，需要對滾壓時的扭矩和滾壓力進行實時監(jiān)測。PMAC卡可以獲取加工的實時扭矩(如圖10所示)，并且利用LabVIEW可以將加工時的扭矩數值和扭矩峰值顯示在人機交互界面上；在連接三向測力儀的時候，實時的滾壓力也能通過數控系統(tǒng)進行顯示。

候珂等[30]使用IAT的反應時指標得到的內部一致性系數最大為0.8.研究描述性統(tǒng)計部分發(fā)現，反應時作為考察指標，可以分析順序效應、內隱效應，在剔除測量誤差起到一定的作用.因此在此后的研究中可以嘗試增加反應時指標，用以輔助考察其信度和效度.

3數控系統(tǒng)的參數設定與調整

3.1PID控制參數設定

PMAC運動控制卡有兩種調節(jié)PID控制參數的方式，即手動調節(jié)和自動調節(jié)。手動調節(jié)是應用試湊法，繪制系統(tǒng)響應曲線，根據先比例、后積分、再微分的方式進行調節(jié)。手動調節(jié)適合所有的控制系統(tǒng)。對于剛度較大的系統(tǒng)，可以采用自動調節(jié)，由PMAC自身動作進行調節(jié)，在航天閥門密封件滾壓加工平臺的調節(jié)中，由于系統(tǒng)的剛度能夠滿足自動調節(jié)的要求，因此采用自動調節(jié)的方式對系統(tǒng)的控制參數進行了設定。

3.2扭矩傳感器靈敏度標定

我們使用的傳感器在原來的基礎上更換了輸出模塊，輸出電壓由原來的0V~+10V改為-5V~+5V，為了傳感器的輸出精度，必須對傳感器再次進行標定，來獲得傳感器的輸出靈敏度。在加載試驗中，采取先從0Nm開始對傳感器進行加載，每隔2Nm進行電壓采集直到10Nm，然后再對傳感器進行卸載，扭矩值依次降為0Nm，每隔2Nm采集卸載時的輸出電壓。反向的加載和卸載也按照上述方法進行。通過實驗的測試，我們獲得了更改電壓輸出模塊之后的傳感器參數如下表1所示。

表1　扭矩傳感器標定數據

我們應用表1的數據在Matlab中進行曲線擬合來獲得傳感器的靈敏度，擬合曲線如圖11所示。加載和卸載分別進行擬合求出靈敏度之后求其平均值，得到正向扭矩時的傳感器靈敏度。

圖11　扭矩傳感器扭矩—電壓曲線

通過圖11可以看到擬合曲線的斜率就是扭矩傳感器的靈敏度，經過計算得算得出正向加載和卸載的輸出特性曲線的斜率均為0.5006，故扭矩傳感器的靈敏度0.5006V/(Nm)。

在航天閥門密封結構件的滾壓加工中，滾壓力是影響滾壓加工質量的最重要的因素，以一定規(guī)律連續(xù)變化的滾壓力能夠使得滾壓加工質量得到改善，故控制系統(tǒng)要能夠實現按照某種滾壓力進給的閉環(huán)控制，這就不可避免的用到三向測力儀作為反饋環(huán)節(jié)，但是三向測力儀并不適合作為反饋環(huán)節(jié)應用于工業(yè)現場，故應用扭矩傳感器完成反饋環(huán)節(jié)。

要想應用扭矩傳感器完成力傳感器的工作，必須知道滾壓力和扭矩之間的變換關系。為此，我們通過實驗找到了他們之間的變換系數。

對于PMAC來說，能接受的信號為-10V~10V的電壓信號，因此需要得到扭矩傳感器的輸出電壓和滾壓力之間的對應關系，即：mV/N。

滾壓加工時的進給速度為0.1mm/s~0.4mm/s，加速度最大為1mm/s2，刀塔、拖板的重量最大為50kg，由加速而產生的額外軸向力為0.5N，可以忽略不計，故在標定三向測力儀和扭矩傳感器之間的系數的時候采用靜止加載的方法。將三向測力儀連接好，保證其可以頂到一個固定的裝置上，改變扭矩，同時記錄測力儀的數值和扭曲傳感器輸出電壓值，實驗中共獲得10個點如表2所示。

表2　扭矩傳感器輸出電壓與滾壓力系數標定實驗數據

圖12　扭矩傳感器輸出電壓和滾壓力關系曲線

得到了扭矩傳感器輸出電壓和滾壓力之間的系數，便可以方便的應用扭矩傳感器來實現航天閥門密封結構件滾壓加工平臺控制系統(tǒng)的力閉環(huán)控制。

4功能試驗驗證

應用搭建的滾壓加工平臺如圖13所示進行加工實驗，加工時應用恒速度進給模式，進給速度設為0.1mm/s，進給行程為1.8mm，加工得到的滾壓加工零件經過密封性檢測之后能夠滿足要求，零件的剖面如圖14所示，可以看到經過滾壓加工之后零件能夠達到設計的要求。工藝試驗也證明滾壓加工平臺的有效性。

圖13　自動化滾壓加工平臺

圖14　自動滾壓加工平臺加工的零件剖面

5結束語

本文研制了一套針對航天閥門密封結構件滾壓加工的自動化設備。該設備以PMAC為運動控制器的核心，結合上位機、伺服電機等構件。同時開發(fā)了控制系統(tǒng)的人機交互平臺，方便設備的操作。并對控制系統(tǒng)中所用到的不同傳感器進行了標定，使其能夠滿足控制系統(tǒng)的要求。最后應用設備零件進行了試加工，加工平臺能夠應用恒速和恒扭矩方式對零件進行滾壓，所加工的零件的密封性能達到了設計要求，并且在加工中提高了效率和質量穩(wěn)定性，因此滾壓加工平臺能夠滿足現有的加工需求。

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(編輯李秀敏)