進口加工中心機床數控改造
時間:2011-06-10 08:38:05 來源:未知
1 加工中心結構及其對控制系統的要求
圖1為70年代生產的SABO-630加工中心示意圖，其主要參數：托板工作臺面630mm×630mm；工作臺分度數4×90°；X軸行程850mm；Y軸行程630mm；Z軸行程750mm；X、Y、Z快移速度10m/min；主軸功率11kW；主軸轉速16～3550r/min；刀庫容量60或40把；換刀方式：機械手換刀。
原數控系統采用NUMCIRK系統，主要參數為：聯動軸數3軸，最高快進速度1000r/min。編程采用紙帶方式，主軸采用直流驅動單元和機械變檔相結合調速。主軸變速指令在編程中實現，進給系統用直流伺服，主要參數為：X、Y軸電機27N·m，Z軸電機35N·m，調速范圍10～1000r/min。由于原系統受CNC系統設定精度的影響，因此SABO-630加工中心只能用于柴油機缸蓋的粗加工。而對柴油機缸蓋的精度要求是：孔深精度為±0.01mm，孔之間的精度為±0.03mm。根據產品的加工要求及產品發展趨勢對數控改造要求如下：
- 系統需要實現三軸聯動以及任意二軸聯動；
- 為保證機床定位精度和加工精度，要求系統最小設定單位為1µm；
- 機床各坐標快進速度為12m/min，進給速度為5m/min，重復定位精度為4µm。這對伺服系統響應速度和精度都有較高要求；
- 為滿足選刀、換刀、托板交換等動作的要求，系統應有輸入72點，輸出56點；為滿足其它輔助控制要求，CNC系統需64個輸入點、24個輸出點，因此控制應有136個輸入點，80個輸出點；
- 主軸轉速要求為10～3500r/min，功率為11kW。
2 SABO-加工中心的數控改造
由于機床的機械部分完好，因此改造時在機械部分只改造電機的聯接部分。另外，為了以后維修方便以及統一，將原來刀庫中的比例閥改用國內電磁閥代替。
- 主軸驅動
- 主軸驅動單元選用日本安川CIMR-VMS2015驅動單元，主軸電機為安川UAASXA-15CZ1，功率11kW/15kW，連續運行11kW，30min運行達15kW，額定轉速1500r/min，最高轉速6000r/min。
- 該主軸伺服指令采用0～10V電壓，配合正反轉指令，實現主軸電機的正反轉。該主軸還帶有定向功能，由磁感應開關、放大器、定向卡以及主軸定向指令信號來實現主軸定向。該主軸在額定轉速以下為恒轉矩調速，額定轉速以上為恒功率調速。主軸機械有四檔變速，主軸/主軸電機變速比分別為1:1、1:2、1:4、1:8，即將主軸速度分為四個范圍：0＜S≤306r/min，齒數比為1:8；307＜S≤689r/min，齒數比為1:4；690＜S≤1539r/min，齒數比為1:2；1540＜S≤4000r/min，齒數比為1:1。
- 由上可知，由于主軸電機與機械換擋相配合，即使主軸轉速在低速時，主軸電機的轉速也可保持在較高的轉速范圍內，從而保證了主軸的切削功率，提高了加工精度。由S指令來實現主軸電機變速及機械換擋。
- 伺服驅動電機及驅動單元
- 電機選用蘭州電機廠的交流同步電機，X、Y軸為27N·m，Z軸為37N·m，最高轉速為2000r/min。
- 驅動單元選用本公司生產的HSV—11D交流伺服驅動單元。該單元運用矢量控制原理和柔性控制技術，使得本伺服模塊結構簡單，調試容易，控制靈活，維護方便，體積小巧。該單元除可實現高精度位置伺服控制外，也可作為力矩控制裝置使用，還可當作寬范圍的調速裝置使用。
- HSV-11D的主要參數是：速度控制范圍＞1:3000；位置控制精度為±1µm，最高轉速2000r/min，指令方式：串口方式、脈沖方式、模擬方式。
- 保護功能有反饋斷線、過流、過熱、欠壓、短路等硬件故障保護，以及若干軟件保護。
- 在本系統中采用的指令方式為串行接口與主計算機聯機通訊，用RS-232C標準(四串口板)信號相匹配的接口電路。
- 數控系統
- 數控系統采用華中Ⅰ型數控系統，其主要特點為：
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- 以通用工控機為核心的開放式體系結構的多任務、實時控制系統。
- 系統主要配置為486CPU，4MB內存。
- 是具有4通道數控系統，每個通道都有一個解釋器，完成直線，圓弧，螺旋，攻絲等解釋。
- 軟件平臺以MS—DOS為基礎，通過自行開發的NCBIOS(為基本輸入/輸出)實現任務管理，調度，管理CNC系統所有的外部控制對象，包括設備驅動程序管理、位置控制、PLC調度、插補計算和內部監控。
- 本系統用C語言編寫PLC程序，精煉靈活，編程容易，雖然不及梯形圖和語句表的PLC編程語言直觀，但能對特別復雜的過程進行簡單準確的描述。PLC程序分PLC1、PLC2兩個子程序。PLC1每16ms調用一次。PLC2每64ms調用一次。對于實時性要求高的控制在PLC1中，例如刀庫、主軸、機械手等控制。PLC2只控制面板上的波段開關和指示燈。
- 刀庫的控制
- 該加工中心采用液壓閥來實現刀庫運動控制。刀庫回零程序框圖見圖2。刀庫運動方式有：刀庫正轉、反轉、快進。通過正、反轉，可實現就近選刀。刀庫控制分為：刀庫回零，選刀二大部分。
- 控制刀庫運動的信號有刀庫原點、刀庫計數脈沖、刀庫定位信號、刀庫固定、刀庫松開、刀庫輸入等信號。信號均由無觸點開關發出。由于刀庫定位信號擋塊有一定的寬度，所以，當刀庫作正轉時，不能精確定位。為此，我們采用當刀庫正轉接收到刀庫定位信號后，使刀庫反轉，當再次收到刀庫定位信號時，命令刀庫停止運動，刀庫定位銷才插入，刀庫固定。
- 本系統采用隨機式刀具存放方式，即刀具可以存放在任意刀套內以節省換刀時間。刀具存放位置由系統自動記憶，換刀后系統自動更新刀庫表。
3 改造后的情況
- 改造后機床精度有了明顯提高，重復定位精度達到5µm。例如原機床只能對柴油機缸蓋進行粗加工，改造后粗加工與精加工可在同一機床上完成。機床的功能比過去更多，操作更加方便，提高了加工效率，減少了停機時間。
- 改造前X、Y、Z軸快移速度為10000mm/min，改造后它們的快移速度為15000mm/min；改造后增加了軟盤和硬盤，使程序輸入更為方便。
- 改造后對柴油機缸蓋底面進行銑端面、粗精鏜孔，共需換12把刀一次完成，加工效率提高了3倍。
- 節省購新設備的費用。購置一臺同規格加工中心需200多萬元，而改造一臺加工中心僅需31萬元。
- 通過對常柴仿形銑床和8臺加工中心機床改造，公司對設備的數控化改造樹立了信心，認識到這是提高企業加工設備能力的一條好途徑。下一改造計劃是繼續改造現有加工中心，并將現已改造的加工中心組成“柴油機機體柔性生產線”。此項目已被國家經濟貿易委員會批準為1998年國家技術創新項目。