汽车发动机生产线用数控曲轴磨床软件研发*

叶 骏，钱 翔，李 静，沈南燕，房小燕

（上海大学上海市机械自动化及机器人重点实验室，上海 200072）

汽车发动机生产线用数控曲轴磨床软件研发*

叶 骏，钱 翔，李 静，沈南燕，房小燕

（上海大学上海市机械自动化及机器人重点实验室，上海 200072）

为满足汽车发动机生产线上曲轴高效、高精、柔性加工的需求，设计了曲轴磨床软件功能模块，对西门子840Dsl数控系统人机界面二次开发技术展开深入研究，在西门子Operate Programming Package开发包的支持下利用C++编程语言结合Access数据库以及Matlab COM组件技术，开发了专用曲轴磨削软件界面并嵌入标准西门子数控系统HMI中，实现了机床、在线量仪与曲轴磨削工艺的集成，更好地发挥了数控系统性能、提高了曲轴磨床自动化水平。

汽车发动机；生产线；数控曲轴磨床

0 引言

曲轴是汽车发动机上的关键零件，轮廓形状复杂，精度要求高，其加工质量直接影响发动机的工作性能。随着汽车制造业的迅速发展，高速、高效加工技术及装备在汽车制造业大量采用，汽车企业对发动机生产线用数控曲轴磨床的工序能力指数提出了Cpk≥1.67的要求，数控曲轴磨床除了要有良好的静态、动态刚度和加工精度外，还要有很高的磨削效率、加工稳定性和柔性［1］。

目前国外汽车发动机曲轴的磨削加工主要采用以美国Landis、日本Toyada、德国Junker、德国Naxos-U-nion为代表的数控曲轴磨床［2］，这些机床普遍采用先进的切点跟踪磨削方式，即一次装夹磨削所有主轴颈和连杆轴颈，具有加工精度高、柔性化好的特点，配合专用曲轴磨削软件能够将曲轴磨床、加工工艺、在线量仪、上下料机械手等元素有机结合，实现无人化操作，大大提高了自动化程度［3］。其中，德国Junker的曲轴磨削软件功能已十分成熟，可以实现工件自动定位、自动测量、砂轮自动修整、磨削过程自动控制，还具有生产管理、安全保护、故障自诊断等功能。

相比之下，国内曲轴生产设备仍比较落后，大多采用手动或半自动普通曲轴磨床，生产效率低、质量不易保证，不能适应生产线上大批量生产的需求。而少数大型汽车生产企业依靠大量引进国外先进设备已达到了较高的曲轴生产水平，但前期投资巨大且易受到国外限制。因此，汽车发动机生产线用数控曲轴磨床及其配套磨削软件的研发反映了我国汽车制造行业的迫切需求，对于突破高性能曲轴磨床制造关键技术瓶颈、提高曲轴磨床自动化程度、实现替代进口、降低生产成本、提升我国高档数控机床技术水平和国际竞争力具有重大意义。

1 曲轴磨床软件设计

1.1 数控曲轴磨床硬件配置

由上海机床厂有限公司针对汽车发动机生产线研发的MK8220/SD数控切点跟踪曲轴磨床（如图1所示）配备了高动态响应双砂轮架进给系统，采用工作台固定、双砂轮架后移动式布局，可实现曲轴不同相位连杆轴颈的同时磨削或者一个连杆轴颈和一个主轴颈的同时磨削。此外，机床配备了砂轮修整装置及多套在机测量仪，从而提高曲轴磨床的自动化水平以及生产效率。

图1 MK8220/SD数控曲轴磨床布置图

1.2 曲轴磨削软件功能设计

为更好地满足生产线需求、最大限度发挥机床性能，需要根据曲轴磨削工艺流程并结合数控曲轴磨床的硬件配置情况进行功能整合，在数控系统标准人机界面的基础上开发与数控曲轴磨床相配套的专用磨削软件，所制定的曲轴磨削软件基本功能模块，如图2所示。

图2 曲轴磨削软件功能模块

（1）工件装卸

汽车发动机生产线上采用桁架机械手实现工件上下料，为更好地配合机械手实现自动上下料功能，从而达到最大限度降低辅助时间、提高生产效率的目的，需要根据机械手动作流程及交互信号定制曲轴磨床工件装卸软件界面，实现上下料流程的显示、装卸位置参数的设定以及头尾架夹紧的控制。

（2）加工定位

受到工件装夹及毛坯尺寸不均的影响，只有在磨削之前对曲轴轴颈进行精确的轴向以及角向定位，才能保证曲轴的磨削加工精度。针对汽车曲轴生产线上连续高效生产的要求，需构建具有高精度和自动化特点的在线测量定位系统并制定与之相对应的软件模块，根据获得的测量数据自动计算，得到工件与机床坐标系相对位置的补偿量。

（3）磨削数据库

磨削加工中需要确定大量的磨削工艺参数，选择合理的工艺参数可以改善机床磨削性能，获得更好的磨削加工质量和经济效益。［4］在曲轴磨床软件中构建磨削数据库，数据库中包含大量磨削实验以及机床、刀具、工件等数据，并集成智能磨削参数选择决策系统，提供合理、优化的磨削工艺参数以支撑汽车发动机生产线上曲轴的高效高精加工。

（4）双砂轮的修整及磨损补偿

针对汽车曲轴微量中凸（中凹）轴颈的成型磨削需求，在曲轴磨床尾架端安装砂轮修整装置，在软件界面中可配置砂轮及修整轮参数、校准修整器安装位置、参数化设定修整轮廓并自动生成修整轨迹，利用机床X轴、Z轴的两轴联动实现双砂轮的插补修整。

在生产线上工件连续磨削加工过程中，不可避免地会产生砂轮的磨损现象，为了保证加工精度，需要及时对砂轮直径的磨损量进行检测。利用安装在砂轮架上的声发射传感器，可以测量砂轮相对于机床某一基准的相对位置，间接得到砂轮的磨损量，并将测量结果反馈至数控系统，实现砂轮磨损的自动补偿。

（5）工件几何尺寸和形状精度控制

磨削加工作为曲轴精加工工序，必须能精确控制工件的尺寸及圆度。在曲轴磨床两个砂轮架上分别安装了马波斯Fenar-L量仪用于控制工件尺寸。该量仪可输出4个信号，分别对轴颈的粗磨、半精磨、精磨和最终尺寸进行有效控制，保证一批工件尺寸的重复性。在软件界面中能够辅助完成量仪的标定及各档发信尺寸的设定，并可通过生产线上的直径量仪检测成品曲轴各轴颈的尺寸误差，记录在曲轴磨削软件中，在下次磨削时用于工件尺寸的补偿。

在汽车曲轴生产线上配备Adcole综合测量仪控制曲轴轴颈圆度，可对一批次曲轴进行抽检并生成测量报告。曲轴磨削软件可导入Adcole测量文件，显示轴颈圆度测量信息，并根据事先制定的误差补偿策略，对圆度超差的轴颈误差数据进行处理，自动生成符合机床编程语法要求的补偿程序，将补偿量叠加在机床原有X轴进给运动上实现圆度误差的补偿［5］。

（6）生产过程管理

针对生产线上生产过程管理方面的需求，在曲轴磨削软件中加入了生产管理界面，能够实时监控机床的运行状态、实现工件计数、加工节拍控制并生成软件的操作记录及参数修改记录，为机床的调试、维护以及故障诊断提供必要的信息。

1.3 曲轴磨削软件开发规范

曲轴磨削软件研发的最终目标是应用于汽车发动机生产线曲轴磨床，近年来，汽车企业对机械设备的人机界面提出了更高的要求，制定了相应的软件开发规范：磨削软件界面应具有统一的风格，使用国际通用的符号及术语，具有图形化显示以及操作提示功能，根据曲轴磨削的工艺流程建立一个层次清晰、操作方便的菜单系统，此外，用户界面应提供更简洁的操作，从而减少操作者误解、缩短机床设置过程、提高生产效率。

2 数控曲轴磨削软件开发平台

MK8220/SD数控曲轴磨床配置西门子840Dsl数控系统，西门子840Dsl数控系统提供的多通道控制以及多轴联动功能可以满足双砂轮曲轴切点跟踪磨削运动控制的需求，能将工件的加工、砂轮修整、自动上下料等动作单独分离出来，使其互不干涉地同时执行，提高机床的工作效率［6］。作为高端数控系统，840Dsl具有很强的开放性，其人机界面HMI具有专门的软件接口和开发标准，可以灵活地根据生产需求扩展数控系统的功能，在标准人机界面中加入符合西门子界面规范和风格的用户定制界面，并通过softbus总线与NCK/PLC通讯（如图3所示），实现数据的访问、文件的传输等功能。

图3 HM I与数控系统间的通讯

2.1 西门子840Dsl数控系统的二次开发方式

西门子840Dsl数控系统提供了3种二次开发方式，其特点如表1所示。

表1 西门子840Dsl数控系统二次开发方式

2.2 西门子Operate Programm ing Package二次开

发基础

Operate Programming Package软件开发包能够支持Windows和Linux系统，本文主要介绍基于Windows操作系统下软件的二次开发，所对应的西门子840Dsl数控系统的硬件配置方式为PCU和NCU，软件的开发平台为Visual Studio 2008，编程语言为C++和XML，软件界面主要用Qt（Q toolkit）图形用户界面库来实现。

3 曲轴磨削软件与数控磨床的集成

3.1 磨削软件与西门子数控系统标准HM I的融合

西门子标准人机界面主要由四部分组成：状态信息栏用来显示机床状态参数，对话栏用来显示软件操作提示信息，这两部分可采用西门子默认界面风格；工作区域即为软件要显示的窗体；菜单栏包含水平软键和垂直软键，与工作区域显示的窗体对应，用于实现功能的触发及界面的跳转。因此，曲轴磨削软件的嵌入就是要将所设计的窗体显示到界面工作区域，并配置菜单栏，使得软件中的按钮一一对应到水平软键和垂直软键上［7］。

曲轴磨削软件窗体采用Qt开发，Qt提供了一个跨平台C++图形用户界面应用程序框架，良好封装机制使得Qt的模块化程度非常高，可重用性较好。信号和槽是Qt编程的核心机制，信号和槽是一种高级接口，应用于对象之间的通信，可以通过Connect（sender，SIGNAL（signal），receiver，SLOT（slot））函数连接在一起，每当发射一个信号，就能自动调用对应的槽，实现相应的功能［8］。使用Qt Designer，可以较快的完成软件窗体的设计、布局工作，并连接已有的信号和槽，提高软件开发的效率。

要实现用户界面嵌入840Dsl系统，需要使用四个文件：crank.dll、crank.hmi、systemconfiguration.ini和slamconfig.ini。其中systemconfiguration.ini是系统配置文件，包含了系统初始化信息，描述了把哪个用户界面嵌入到840Dsl系统中，slamconfig.ini文件用于对用户自建区域的属性进行配置，可用记事本编辑，定义用户自建区域启动软键属性，在840Dsl数控系统上，包含有默认的slamconfig.ini配置文件，可以对其进行修改后，拷贝到相应的路径下使其生效。

crank.dll为动态链接库文件，由Visual Studio 2008中HMI项目编译生成，用来实现曲轴磨削软件的功能。

crank.hmi描述了用户界面的属性、对应的菜单栏以及各界面间的调用关系，crank.hmi文件需要使用西门子slHmiConverterGui工具，由项目中的crank.xm l文件转化生成，crank.xml文件可在HMI项目中直接用XML语言编辑，由于曲轴磨削软件窗体较多，其界面配置及菜单栏的定义方式接近，这里只列举了一个窗体的定义过程。

其中，formpanel属性可定义窗体在工作区域的显示布局方式，softkeybar可定义所编辑菜单栏软键的类型，"hu"代表水平软键，"vr"代表垂直软键，FUNCTION name可定义功能函数名，并在软键对应窗体的on-Function（）函数中添加代码以实现软键功能，通过NAVIGATION语句，能够定义跳转的类型以及跳转的目标，实现软件界面的切换。

将上述文件复制到指定的路径中，就能将符合西门子界面风格的用户定制界面添加到标准人机界面中，实现曲轴磨削软件与数控系统标准界面的融合。

另外，为了实现软件的国际化，需要使用qm文件实现多国语言的切换，qm文件是Qt中用于自定义翻译的源文件，可由项目中的ts文件生成。Qt采用基于关键字的多国语言切换机制，需要在ts文件中建立语言切换时显示的文字与对应索引编码的对照表，一个完整的翻译文件如下。

context标签是一个翻译文本章节的开始标志，name标签指明了该章节的名称，message标签包含一条需要翻译语句，source是用于匹配所需翻译语句的关键字，translation是翻译后的语句。

3.2 曲轴磨削软件在数控磨床上的安装

曲轴磨削软件的开发过程中还需考虑软件可移植性以适应不同计算机的软硬件环境，将软件安装到数控系统上进行实际验证应用时，还需要注意以下问题：

（1）数据库的移植

为保证曲轴磨削软件各模块之间数据的共享以及良好的可扩展性，软件中采用Microsoft Access数据库实现数据的存储与管理［9］。由于840Dsl数控系统中安装的是Windows英文操作系统，不支持Access数据库默认的中文排序方式，软件安装到数控系统中对数据库进行操作时可能会出现错误。为避免这种情况，在软件开发过程中就应选用合适的数据库排序方式，并在目标机上对用户数据源进行配置。

（2）Matlab Com组件的调用

在曲轴磨削软件研发中运用了VC与Matlab的混合编程技术，在VC中调用Matlab生成的Com组件能更方便地实现曲轴连杆颈切点跟踪磨削运动轨迹计算以及其他磨削过程优化算法，从而发挥Matlab数学计算优势、缩短磨削软件开发周期［10］。为了能使曲轴磨削软件在数控系统上能够脱离Matlab环境运行，需要在生成COM组件时，将包含相应版本Matlab运行环境的MCR一起打包，在目标机上安装MCR并将其安装路径添加到该计算机的环境变量中。

4 曲轴磨削软件圆度误差测量与补偿模块的实现

将所开发的曲轴磨削软件安装到西门子840Dsl数控系统上，进行曲轴磨削软件的功能验证以及可靠性实验。其中，软件圆度误差测量补偿模块的运行情况如图4所示。

图4 圆度误差测量与补偿模块运行情况

5 结论

本文从曲轴磨削软件开发的角度，针对汽车发动机生产线上数控双砂轮架切点跟踪曲轴磨床的硬件配置及需求情况，设计了相配套的曲轴磨削软件功能模块，对西门子840Dsl数控系统的二次开发进行了技术攻关，并在此基础上完成了曲轴磨削软件的开发。实验证明，所开发的软件成功嵌入了840Dsl数控系统，实现了既定功能，更好地发挥了数控系统性能、提高了曲轴磨床自动化水平，对基于Operate Programming Package开发包的西门子840Dsl数控系统人机界面二次开发具有普遍的参考价值。

［1］李海国.发动机曲轴制造技术新动向［J］.制造技术与机床，2006（8）：21-23.

［2］郭力，李东超.国内外曲轴磨削加工工艺发展趋势［J］.精密制造与自动化，2013（1）：48-51.

［3］张树礼，权占群.汽车零部件制造技术与装备［J］.金属加工，2013（21）：10-13.

［4］岳宇宾，韩秋实，李启光，等.基于Visual C++6.0的数控凸轮轴磨床工艺数据库开发［J］.组合机床与自动化加工技术，2014（7）：117-119.

［5］Yu Hongxiang，Xu Mengchen，Zhao Jie.In-situ roundness measurement and correction for pin journals in oscillating grindingmachines［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2015，（50）：548-562.

［6］蔡柳依.SIEMENS840D双通道功能和扭矩控制在曲轴磨床中的应用［J］.精密制造与自动化，2013（1）：35-37.

［7］于拯，何永义，沈南燕，等.西门子840D数控系统的凸轮轴磨削软件开发［J］.组合机床与自动化加工技术，2011（3）：70-73.

［8］闫峰欣，曾泉人，张志强.C++GUIQt4编程［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［9］周启涛，高英.Visual C++数据库开发基础与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2005.

［10］王世香.精通MATLAB接口与编程［M］.北京：电子工业出版社，2007.

（编辑 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，FANG 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

重大专项"汽车发动机生产线用数控曲轴磨床、凸轮轴磨床"（2013ZX04002-031）

叶骏（1990-），男，上海人，上海大学硕士研究生，研究方向为数控技术及机器人，（E-mail）yejun0406@126.com。