ADV400在雙主軸龍門式鉆床數(shù)控化改造中的應用

馬志宏 趙 學 楊 嘯

（①蘭州理工大學數(shù)字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室，甘肅蘭州 730050;②蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州 730050）

雙主軸龍門鉆床是蘭州某石油設備制造企業(yè)上世紀70年代自制的設備。由于當時條件的限制，該機床進給系統(tǒng)使用電液脈沖馬達驅動的電液控制系統(tǒng)，主軸系統(tǒng)采用直流調速等，致使該機床在使用過程中出現(xiàn)操作可靠性差、驅動能力不足、控制精度低等情況，所以該機床從試制完成后就一直沒能應用到生產(chǎn)中。由于長時間的閑置，使設備的控制系統(tǒng)完全損毀，機械部分也有些部件出現(xiàn)零件丟失或損毀的情況［1－2］。

由于企業(yè)產(chǎn)品加工制造的需要，提出對該機床進行數(shù)控化改造，以恢復該機床的使用功能，同時可以減少一些不必要的設備投資。

1 雙主軸龍門鉆床機械結構簡介

該機床是龍門結構。在機床橫梁上有2個各自獨立、可以進行鉆或銑削加工運動的主軸箱，分別可以沿橫梁水平運動，主軸軸向進刀并有各自獨立的進給驅動系統(tǒng)驅動，主軸的控制分別由兩套控制系統(tǒng)控制;工作臺可以水平進給。從機床結構看，包括5個進給運動與2個速度控制的主軸系統(tǒng)。不僅可以鉆孔，還可以進行銑削加工。機床的機械結構如圖1所示。

該機床的主軸箱結構借鑒搖臂鉆的主軸箱，在此基礎上做了一些變化:主軸傳動部分的傳動系統(tǒng)圖如圖2所示。雙主軸鉆床的2個主傳動系統(tǒng)一致，由7.5 kW的電動機通過三級齒輪傳動，總傳動比為:I=408/105。主軸電動機額定轉速1 440 r/min，主軸最高轉速370.6 r/min。垂直進給系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)圖如圖3所示。機床坐標系的建立遵循JB3051－1999。垂直工作臺的軸向進給（Z軸和V軸）系統(tǒng)由2.9 kW伺服電動機驅動。

其他軸的進給系統(tǒng)均是伺服電動機經(jīng)過一級齒輪傳動（傳動比為4），驅動滾珠絲杠（絲杠螺距為12 mm）實現(xiàn)伺服進給。主軸箱沿橫梁的左右運動（X軸和U軸）的驅動伺服電動機為2.9 kW，工作臺移動（Y軸）的驅動伺服電動機為4.4 kW。

2 改造的控制原理、接口及參數(shù)

2．1 控制原理

根據(jù)圖1可知，此機床有5個伺服進給軸（X軸、Y軸、Z軸、U軸和V軸）。有2個變頻控制的主軸。所以在選擇數(shù)控系統(tǒng)時，該系統(tǒng)必須能控制5個伺服軸和2個模擬量變頻軸?？紤]到產(chǎn)品的性價比和使用的熟悉情況，選擇美國DELTA TAU的ADV400數(shù)控系統(tǒng)作為改造機床的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了開放式PMAC系統(tǒng)的優(yōu)點，又具有高度的一體化結構?？梢詫崿F(xiàn)五軸聯(lián)動，具有熱插拔的USB接口和以太網(wǎng)口，維護及加工程序編寫方便［4］。

機床各個伺服進給電動機選擇日本安川電機株式會社的Σ－Ⅱ系列的型號為SGMGH的交流伺服電動機。所以X軸、Z軸、U和V軸選用的電動機型號為SGMGH－30ACA41，其驅動器型號為SGDM－30ADA;Y軸選用SGMGH－44ACA41，其驅動器型號為SGDM－50ADA。該型電動機的電源電壓為200 V［5］。

該機床的控制原理見圖4。FLG1接口包含5根軸的FLAG具體輸入，每根軸可以包括以下信號:正限位、負限位、用戶輸入和回零輸入等信號，開關可以是機械開關或光電開關;STP1接口可用來連接高達5個步進驅動，步進驅動必須從系統(tǒng)中得到脈沖和方向的數(shù)據(jù)，同時有4個軸的放大器故障輸入;AMP1接口目的就是用放大器使能線和所需的電源線連接4個帶有模擬（+/－10 V）接口的放大器;ANA1接口有1個（0～10 V）模擬輸入、2個（+/－10 V）模擬輸入和2個模擬輸出，用來控制主軸變頻器實現(xiàn)主電動機的調速;IN1接口是PLC輸入端子，該系統(tǒng)可以接32位光隔離的數(shù)字輸入;OUT1接口是PLC的輸出端子，可以連接16個通用數(shù)字量輸出。

2．2 接口接線情況

2．2．1 主軸變頻器接線

主軸變頻器選用日本富士電機株式會社的FRN 7.5G11－4CX，其接線情況如圖5所示［3］。

2．2．2 伺服電動機接線

依據(jù)前文所述，得知該機床改造中使用的是日本安川電機株式會社的伺服電動機及驅動器，其接線圖如圖6所示。

2．3 參數(shù)設置情況

依據(jù)使用的要求，主軸變頻器需要設置的參數(shù)見表1。變頻器參數(shù)設置表中未列參數(shù)為出廠值。

表1 主電動機變頻器參數(shù)設置情況

根據(jù)系統(tǒng)進給X、Y、Z最小分辨率為0.001 mm和U、V軸最小分辨率為0.000 5 mm的要求，配置電子齒輪傳動比如下（表2）:

表2 伺服系統(tǒng)參數(shù)設置情況

3 結語

①改造后，使機床廢棄閑置的機械本體部分得到重新使用，使其重新具備了加工功能。

②其加工精度得到了提高，在任意300 mm的直線運動的定位精度為0.02 mm，定位加工孔距精度為0.05 mm。

③自動化程度大大提高，降低了工人的勞動強度，提高加工效率。

④改造后系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠。

［1］鄔再新，呂洪波，王連波，等．基于PMAC的開放式雙主軸龍門鉆床數(shù)控系統(tǒng)研究［J］．機床與液壓，2007，35（5）:87 －90．

［2］譚德寧，滕云．數(shù)控龍門深孔鉆床的設計分析［J］．制造技術與機床，2010（2）:69－72．

［3］操作說明書FRNCIC 5000G11S/P1S［Z］．富士電機株式會社．

［4］Adv 400 Connections［Z］．DELTA TAU Data System，Inc．2003．

［5］Σ系列SGM□H/SGDM用戶手冊伺服的選型與數(shù)據(jù)表［Z］．安川電機株式會社，1997．