王震霞

（通用技術(shù)集團(tuán)機(jī)床工程研究院有限公司上海分公司，上海 200433）

普鏜機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且要求操作人員有一定的經(jīng)驗(yàn)。通常普鏜機(jī)床專業(yè)操作人員的培養(yǎng)周期在5 年以上，人力成本較高。隨著自動(dòng)化發(fā)展水平的不斷提高，伺服系統(tǒng)成本不斷下降，且電氣系統(tǒng)響應(yīng)快、維護(hù)簡(jiǎn)便，用部分電氣系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)成為一種趨勢(shì)。普鏜機(jī)床這種過于復(fù)雜的機(jī)床，不但生產(chǎn)成本、維護(hù)成本、人力成本較高，而且已經(jīng)很難滿足客戶的個(gè)性化需求。因此，本次改造的目的是簡(jiǎn)化機(jī)械機(jī)構(gòu)，用電氣方案取代機(jī)械裝置，達(dá)到滿足80%鏜床用戶的需求，實(shí)現(xiàn)無須對(duì)操作人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)就能快速上手的普鏜機(jī)床，同時(shí)降低整機(jī)成本，使其具有更好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

1 原方案

原普鏜機(jī)床如圖1 所示。機(jī)床結(jié)構(gòu)采用齒輪變速箱進(jìn)行各機(jī)床軸切換。想要移動(dòng)某個(gè)機(jī)床軸，要先利用床身上的操作手柄進(jìn)行撥檔切換，然后通過面板上的按鈕進(jìn)行軸移動(dòng)操作。不但機(jī)床軸移動(dòng)操作煩瑣，而且由于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較多，機(jī)械傳動(dòng)間隙導(dǎo)致軸的定位和重復(fù)定位精度較差。

圖1 原普鏜機(jī)床

2 改造方案

普鏜機(jī)床整機(jī)改造包括機(jī)械和操控系統(tǒng)兩大部分，本文重點(diǎn)關(guān)注普鏜機(jī)床操控系統(tǒng)部分的改造。

普鏜機(jī)床操控系統(tǒng)部分的升級(jí)改造主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，依托X86 控制平臺(tái)自主研發(fā)的i5數(shù)控系統(tǒng)定制開發(fā)普鏜人機(jī)系統(tǒng)。另一方面，全新設(shè)計(jì)鋁合金框架結(jié)構(gòu)的硬件機(jī)頭，其中人機(jī)系統(tǒng)軟件操作界面部分會(huì)根據(jù)普鏜機(jī)床的使用習(xí)慣和工藝特點(diǎn)，定制開發(fā)全新的交互界面，實(shí)現(xiàn)“傻瓜式”對(duì)話編程、操作，并進(jìn)行常用工藝循環(huán)的定制開發(fā)。

從操控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案入手，著重體現(xiàn)經(jīng)過數(shù)字化改造后普鏜機(jī)床整體操控性的提升，不僅降低了成本，而且提升了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力[2]。

2.1 系統(tǒng)軟件

2.1.1 i5 系統(tǒng)

i5 系統(tǒng)是在Linux 操作系統(tǒng)上開發(fā)的系統(tǒng)。不同于Windows 系統(tǒng)，Linux 是一個(gè)開源的操作系統(tǒng)，安裝環(huán)境靈活且不會(huì)占用太多資源?；诖?，平臺(tái)自主開發(fā)的i5 系統(tǒng)專注于運(yùn)動(dòng)控制底層研發(fā)，結(jié)合各領(lǐng)域的技術(shù)沉淀進(jìn)行行業(yè)專屬定制研發(fā)。它的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)普鏜機(jī)床的工藝特點(diǎn)、操作經(jīng)驗(yàn)等裁剪和修訂操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)專屬操作系統(tǒng)的定制開發(fā)[3]。

2.1.2 數(shù)字總線

開放式的EtherCAT 總線，是一種基于以太網(wǎng)開發(fā)架構(gòu)的實(shí)時(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議。在工業(yè)控制領(lǐng)域，EtherCAT 總線在傳輸形式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)性以及同步精度等方面都具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。EtherCAT 總線的最大優(yōu)點(diǎn)在于能夠支撐數(shù)控系統(tǒng)未來的擴(kuò)展應(yīng)用，并且具有豐富的開放資源和第三方設(shè)備支持[4]。

機(jī)床在加工不同零件時(shí)需要不同的工藝設(shè)計(jì)，而工藝設(shè)計(jì)的背后實(shí)際上是不斷沉淀的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，只有經(jīng)驗(yàn)豐富的老師傅才能熟練地設(shè)定加工參數(shù)，對(duì)話式引導(dǎo)編程，把不斷沉淀的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為程序代碼[5]。

2.2 系統(tǒng)硬件

2.2.1 普鏜機(jī)床硬件機(jī)頭

基于簡(jiǎn)單、易學(xué)的普鏜機(jī)床使用原則，進(jìn)行全新的人機(jī)設(shè)計(jì)，如圖2 所示。機(jī)頭采用全鋁合金框架結(jié)構(gòu)，防水防塵，杜絕了現(xiàn)場(chǎng)油污對(duì)內(nèi)部電子元器件的影響。

圖2 普鏜硬件機(jī)頭改造

2.2.2 操作面板

操作面板包括系統(tǒng)按鍵、倍率旋鈕、急停按鈕和通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口。面板按鍵設(shè)計(jì)更加合理，操作區(qū)域易區(qū)分，且按鍵的防油、防水等防護(hù)等級(jí)完全符合加工環(huán)境要求。利用人機(jī)功能學(xué)設(shè)計(jì)按鍵大小，方便操作，也能有效防止誤觸。面板按鍵采用大圖標(biāo)配小字方案，使初學(xué)者容易上手，降低了操作者的使用難度。

3 對(duì)話式操作系統(tǒng)

3.1 主頁面

操作界面采用觸控屏操作，界面操作信息一目了然，如圖3 所示。根據(jù)普鏜機(jī)床的使用習(xí)慣進(jìn)行全面的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，使其操作體現(xiàn)出簡(jiǎn)單易用性。

圖3 主頁面

通過主頁面中的軸選按鍵選擇軸，加上面板的方向鍵可進(jìn)行手動(dòng)單軸移動(dòng)或多軸移動(dòng)。通過清零按鍵快速建立“零點(diǎn)”，亦可通過設(shè)置具體的位置信息快速定位到指定位置，無須煩瑣的手動(dòng)操作切換邏輯，如表1 所示。軸選操作后，系統(tǒng)內(nèi)部通過多軸切換邏輯進(jìn)行自動(dòng)切換，包括控制參數(shù)的自動(dòng)切換。

表1 定位執(zhí)行到設(shè)定點(diǎn)

人機(jī)界面按鈕定義清晰，可通過觸控屏操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軸選、定位、清零等功能，還可以通過定制的工藝循環(huán)快速建立加工程序，無須G 指令輸入，即可完成面銑、鉆孔、攻絲等加工工藝，極大地降低了對(duì)操作人員的要求。

3.2 定制工藝循環(huán)

普鏜機(jī)床定制開發(fā)的工藝循環(huán)包括單孔加工、矩形陣列、圓周陣列、銑平面以及圓孔銑削等。

3.2.1 單孔加工

點(diǎn)擊主頁面的“單孔”功能按鈕，進(jìn)入孔加工工藝設(shè)定頁面，如圖4 所示。通過選擇“孔種類”實(shí)現(xiàn)一般孔、深孔斷屑、深孔排屑以及攻絲工藝功能。選擇的工藝不同，可設(shè)置的工藝參數(shù)也會(huì)隨著改變。設(shè)置完成后可點(diǎn)擊“執(zhí)行”按鈕，配合面板的“循環(huán)啟動(dòng)”按鍵，進(jìn)行單孔的自動(dòng)加工。

圖4 單孔加工

3.2.2 矩形陣列/圓周陣列

點(diǎn)擊主頁面的“矩形陣列”功能按鈕，進(jìn)入矩形陣列工藝參數(shù)設(shè)定頁面，如圖5 所示。通過設(shè)置工件特征參數(shù)，可定義矩形陣列孔的具體分布位置。切削參數(shù)可設(shè)置孔的加工工藝種類，包括一般孔、深孔鉆削、深孔排屑以及攻絲工藝。

圖5 矩形陣列

選擇合適的工藝參數(shù)，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕可生成具體孔的位置信息。然后可對(duì)具體的孔位進(jìn)行編輯，或者取消不需要加工的孔位。確定要加工的孔位信息后，可點(diǎn)“執(zhí)行”按鈕（后臺(tái)生成可執(zhí)行的G 代碼程序），按面板的“循環(huán)啟動(dòng)”鍵進(jìn)行自動(dòng)加工。整個(gè)編程過程無須了解G 代碼格式，無須考慮具體的走刀路徑，只要完成要加工的孔位設(shè)置和相關(guān)的工藝設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工。圓周陣列原理同矩形陣列，不再贅述。

3.2.3 銑平面

點(diǎn)擊主頁面的“銑平面”功能按鈕，進(jìn)入銑平面工藝參數(shù)設(shè)定頁面，如圖6 所示。通過圖形引導(dǎo)可快速設(shè)置加工件的工件特征（加工件的長(zhǎng)度、寬度、厚度）、切削參數(shù)（退回平面、走刀方式等）和工藝參數(shù)（坐標(biāo)系、刀具信息等）。所需參數(shù)設(shè)置完成后，按“執(zhí)行”按鈕，系統(tǒng)內(nèi)部生成可執(zhí)行的工藝程序，再按操作面板的“循環(huán)啟動(dòng)”鍵，即可自動(dòng)完成平面銑削。

圖6 銑平面

3.3 工藝的讀取和保存

每個(gè)定制工藝循環(huán)中都有“讀取”和“保存”按鈕，系統(tǒng)可以對(duì)已經(jīng)完成設(shè)置的加工參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)保存。用戶也可以直接讀取先前保存過的工藝數(shù)據(jù)。系統(tǒng)顯示被保存參數(shù)的文件列表，在文件列表中選擇所需的參數(shù)文件（文件按保存的時(shí)間命名），點(diǎn)擊“打開”按鈕，所選參數(shù)即被載入自動(dòng)加工頁面，可以直接進(jìn)行程序加工，無須重復(fù)設(shè)置相同的工藝數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

該普鏜機(jī)床主要針對(duì)閥門、減速機(jī)、箱體等中大型零件進(jìn)行銑平面、鏜孔、鉆孔、擴(kuò)孔、锪平面以及剛性攻絲等工序，已經(jīng)進(jìn)行精度檢驗(yàn)且已完成樣件加工和測(cè)量，總體的加工精度在1.5 道以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。后續(xù)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況擴(kuò)充工藝循環(huán)，拓寬其應(yīng)用場(chǎng)景。