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引言
20世紀(jì)80年代我國大批引進(jìn)的高檔數(shù)控機(jī)床已經(jīng)進(jìn)入電子元件老化期，但其機(jī)械部分往往仍然保持良好的性能狀態(tài)。為了降低成本，獲得最大化的使用價(jià)值，通過較簡單的數(shù)控系統(tǒng)置換和技術(shù)處理來進(jìn)行的升級改造，就成了一種必然之選。
一般數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)在使用15年左右后就進(jìn)入了產(chǎn)品老化期，故障率和維修成本會顯著增加。這時(shí)用新的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，與購買動輒上千萬元的新設(shè)備相比，具有投資少、周期短、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)。而且又能與時(shí)俱進(jìn)，增加原系統(tǒng)的功能，改善和提高設(shè)備整體性能，最終為用戶創(chuàng)造最大化的經(jīng)濟(jì)效益。
1 設(shè)備現(xiàn)狀與改造需求
MC-B74是本公司90年代初，從瑞士WYSS—BROD公司引進(jìn)的五軸聯(lián)動臥式加工中心。該機(jī)床原數(shù)控系統(tǒng)配置的是BOSH Micr08，主軸和進(jìn)給驅(qū)動都采用SIEMENS的直流調(diào)速系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)有6個(gè)：主軸(S軸)旋轉(zhuǎn)、x軸橫向進(jìn)給、z軸縱向進(jìn)給、y軸升降運(yùn)動、以及曰、c軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。配有32個(gè)刀位的盤式刀庫及機(jī)械手自動換刀系統(tǒng)。x、y、Z三個(gè)直線軸的位置檢測裝置為光柵尺，日、C兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的則為圓感應(yīng)同步器。目前BOSH Micr08系統(tǒng)早已停產(chǎn)，雖然公司早先購買了幾十萬元的備件，但由于老化、缺損等原因而無力保證其繼續(xù)運(yùn)行，機(jī)床在2006年故障后，因無法修復(fù)而閑置了較長的一段時(shí)間，經(jīng)過調(diào)研，公司最終決定對其進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的升級改造。
2 整體改造方案
由于是全進(jìn)口設(shè)備，經(jīng)檢測其機(jī)械性能仍然保持良好，液壓系統(tǒng)也工作正常。所以總的改造方案是：在保留原機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)替代原BOSH Micr08數(shù)控系統(tǒng)；采用配套的SIEMENS 611D數(shù)字交流伺服系統(tǒng)替代原可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)；用SIEMENS當(dāng)前流行的交流主軸與伺服電機(jī)替代原直流的電機(jī)；刀庫旋轉(zhuǎn)由1FT6全數(shù)字交流伺服電機(jī)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制；各軸的檢測裝置則采用德國HEIDENHAIN的LB382C型直線光柵和RON285圓光柵分別進(jìn)行替換。整體控制系統(tǒng)組成原理，如圖1所示。
圖1改造后控制系統(tǒng)簡圖
3 改造中的重點(diǎn)事項(xiàng)
3.1 數(shù)控系統(tǒng)的配置
SIEMENS 840D系統(tǒng)是西門子公司90年代中期推出的一款純數(shù)字化的高檔數(shù)控系統(tǒng)，也是國內(nèi)應(yīng)用于五軸以上機(jī)床的典型系統(tǒng)，考慮到其市場的廣泛性及品牌的信譽(yù)度，公司最終選擇了840D系統(tǒng)進(jìn)行改造。并根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行了系統(tǒng)的配置。具體配置情況見表1所示。
3.2 自動換刀動作的PLC編程設(shè)計(jì)
此次改造使用的是西門子公司的s7．300 PLC模塊。在PLC程序設(shè)計(jì)中，自動換刀編程是重要的外圍動作設(shè)計(jì)任務(wù)。該加工中心的刀具交換裝置采用可雙向旋轉(zhuǎn)的盤式刀庫，通過單臂雙爪的機(jī)械手用16個(gè)步驟將刀庫中的刀具裝到主軸上，每個(gè)動作我們都用M代碼進(jìn)行設(shè)定，如表2所示。
具體的換刀步驟為：①M(fèi)42——刀庫定位銷松開；②M37——根據(jù)T代碼刀庫正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)到換刀點(diǎn)；③M43——刀庫定位銷鎖緊；④M32——刀塔向前移動；⑤M40——卡刀器拉開，換刀點(diǎn)刀座旋轉(zhuǎn)90度；⑥M34——機(jī)械手向刀塔移動，左爪握住刀庫上的新刀；⑦M(jìn)19——主軸定向；⑧M33——機(jī)械手向主軸動移，右爪抓住主軸上的舊刀；⑨M44——主軸松刀；⑩M36——機(jī)械手臂伸出，兩爪同時(shí)拔出新、舊刀；⑩M38——機(jī)械手臂正轉(zhuǎn)(或反轉(zhuǎn))180度，新、舊刀交換；⑥M35——機(jī)械手臂退回，兩爪同時(shí)裝上新刀、舊刀；⑩M45——主軸拉刀；⑩M41——卡刀器退回，換刀點(diǎn)刀座復(fù)位；⑩M46——機(jī)械手復(fù)位；⑩M31——刀塔向后運(yùn)動復(fù)位。
為防止某個(gè)動作不到位，在編程過程中加入了到位信號互鎖。另外，主軸換檔、坐標(biāo)運(yùn)動、緊急停止、冷卻液開關(guān)、轉(zhuǎn)臺夾緊、松開等其它動作的PLC編程設(shè)計(jì)跟一般臥式加工中心的類似，在此不再介紹。
3.3 光柵的安裝
光柵是數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成全閉環(huán)控制的重要檢測反饋元件，其安裝方式的選擇必須注意防止切屑、切削液及油液等的濺落影響。光柵在裝配時(shí)嚴(yán)禁劇烈震動或敲打，以免造成損環(huán)。
(1)安裝基面的選擇與要求
不能直接將光柵安裝在粗糙不平或打了底漆的床身上。光柵定尺和滑尺需分別安裝在機(jī)床相對運(yùn)動的兩個(gè)部件上，并用千分表檢查主尺安裝面與導(dǎo)軌運(yùn)動方向的平行度，要求達(dá)到0.1mm以內(nèi)。
(2)定尺的安裝
將光柵尺的M4螺釘旋入安裝面孔內(nèi)，但不要上緊。用千分表測量定尺平面與機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動方向的平行度，并調(diào)整M4螺釘位置，使平行度達(dá)到0.1mm／1000mm以內(nèi)。在安裝定尺時(shí)，不能只安裝兩端，還需要在定尺中部進(jìn)行支撐。
(3)滑尺的安裝
其安裝方法與定尺相似，調(diào)整使滑尺與定尺平行度在0．1mm／1000mm以內(nèi)，并將滑尺與定尺的間隙控制在1mm～1．5mm之間。
(4)圓光柵的安裝
圓光柵的輸出軸通過彈性聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)臺一起旋轉(zhuǎn)。安裝時(shí)要保證轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸中心線與圓光柵輸出軸的中心線及彈性聯(lián)軸器中心線的跳動在0.1mm以內(nèi)。
3.4電機(jī)的安裝
由于新舊電機(jī)尺寸不一樣，所以要對電機(jī)安裝板進(jìn)行改裝，即在電機(jī)側(cè)的皮帶輪內(nèi)孔鑲嵌一個(gè)隔套使其與新電機(jī)軸匹配。
3.5 電氣的調(diào)試
在光柵、電機(jī)等安裝完成，以及機(jī)床所有電氣連線連接完畢之后，將對機(jī)床進(jìn)行通電調(diào)試。先調(diào)試好緊急停止、限位開關(guān)等重要保護(hù)功能，再調(diào)試其它功能，最后調(diào)試自動換刀功能。
3.6 機(jī)床參數(shù)的設(shè)置
在系統(tǒng)調(diào)試初期需要先對軸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，而各軸需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置，在此以分別代表直線、旋轉(zhuǎn)、主軸的X、B、SP三類典型軸為例，介紹部分軸參數(shù)的設(shè)置情況，如表3所示。
以上軸數(shù)據(jù)設(shè)置好以后，還要對軸的基本配置參數(shù)、回參考點(diǎn)參數(shù)、報(bào)警監(jiān)控參數(shù)、測量系統(tǒng)參數(shù)等進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，此處就不再詳細(xì)說明了。
4 改造效果
(1)通過本次改造，使該加工中心增加了許多新的功能如：主軸點(diǎn)動、剛性攻絲、圖形模擬、手輪驅(qū)動、DNC等，使操作變得更加簡單、方便。
(2)采用SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)與6llD伺服系統(tǒng)，構(gòu)成了全數(shù)字式控制系統(tǒng)，使MC．B74臥式加工中心的控制性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。
(3)改造前該設(shè)備的故障率很高，經(jīng)常長時(shí)間的停機(jī)修理，且維修費(fèi)用大。本次改造后，使得該設(shè)備的電氣故障率大大降低，穩(wěn)定性顯著提高。
