伺服驅(qū)動(dòng)立車的數(shù)控升級(jí)改造實(shí)踐

杜德民

齊二機(jī)床集團(tuán)大連瓦機(jī)數(shù)控機(jī)床有限公司設(shè)計(jì)部，遼寧大連 116300

0 引言

在目前機(jī)械加工行業(yè)不景氣和國家節(jié)能減排號(hào)召的前提下，對(duì)機(jī)械加工過程中最普遍應(yīng)用的設(shè)備——立式車床，進(jìn)行升級(jí)改造，既節(jié)約了成本又能提高加工精度與加工效率。而目前行業(yè)中有一種基于伺服驅(qū)動(dòng)的建議數(shù)控機(jī)床，比如齊重?cái)?shù)控的DVT系列立車、瓦機(jī)數(shù)控的E系列等，這類機(jī)床在當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)械部分完全是參照數(shù)控機(jī)床來做，電氣部分為節(jié)約成本而采用“PLC-伺服系統(tǒng)”或者是添加了人機(jī)交互界面的“HMI-PLC-伺服系統(tǒng)”，這類機(jī)床的機(jī)械剛性、加工精度都比較好，只需少量投入就可以完成數(shù)控升級(jí)改造，而且改造后的使用效果相當(dāng)理想。

1 工程實(shí)例介紹

本次作為實(shí)例進(jìn)行改造的是齊重?cái)?shù)控生產(chǎn)的DVT500系列立車，該立車加工直徑達(dá)5m，雙刀架伺服驅(qū)動(dòng)，采用的是“PLC-伺服系統(tǒng)”模式，控制簡單，只能進(jìn)行水平和垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備購于2007年，因廠家加工風(fēng)電配件需要，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行數(shù)控改造。

2 工程分析與計(jì)劃

DVT500系列立車擁有較好的機(jī)械剛性，水平、垂直軸均為伺服電機(jī)——滾珠絲杠拖動(dòng)，伺服系統(tǒng)為德國力士樂早期的ECODRIVE03控制器，該控制器功能強(qiáng)大，適應(yīng)性較好，支持模擬量方式控制；與之配套電機(jī)為國產(chǎn)電機(jī)，考慮到實(shí)際使用時(shí)間比較短，各項(xiàng)精度基本達(dá)標(biāo)；廠家要求改造后可進(jìn)行圓弧槽加工和實(shí)現(xiàn)加工中自動(dòng)恒線速切削，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，廠家的要求均可以滿足。本著在達(dá)成改造精度和功能要求前提下盡量節(jié)約成本的設(shè)計(jì)思路，決定保留左刀架原有功能不變，留作粗加工使用，將右刀架進(jìn)行改造，保留原有的伺服系統(tǒng)不變，添加西門子的802C數(shù)控系統(tǒng)一套；對(duì)原控制按鈕站進(jìn)行拆除，改為新的綜合控制站。

3 右刀架電氣設(shè)計(jì)

圖1

根據(jù)力士樂設(shè)計(jì)資料, ECODRIVE03控制器的X3-12/13（如圖1）接口可通過伺服器內(nèi)部設(shè)置可將該端口設(shè)定為+/-10VDC的模擬量速度控制接口，并將其與西門子802C的模擬量控制接口X7-1/34(2/36)連接。為盡量保持機(jī)床原有性能不變，本次設(shè)計(jì)不變更原伺服電機(jī)反饋方式，僅將原來反饋信號(hào)中省略的“零點(diǎn)”信號(hào)引入伺服控制器，通過設(shè)置，將伺服控制器X9接口的編碼器仿真信號(hào)接入802C的X3端口，形成數(shù)控機(jī)到伺服電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)（如圖2）。由于802c屬于集約型系統(tǒng)自帶的I/O點(diǎn)只有輸入48個(gè)、輸出16個(gè)，所以我們在改造過程中保留了原系統(tǒng)中的力士樂PLC，這樣雖然增加了程序設(shè)計(jì)難度，但卻為用戶節(jié)約了增加I/O模塊的資金，也達(dá)到了使原設(shè)備潛在價(jià)值發(fā)揮極致的升級(jí)改造宗旨。

圖2

4 主軸電氣設(shè)計(jì)

圖3

該設(shè)備工作臺(tái)由歐陸直流控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)拖動(dòng)，歐陸系統(tǒng)兼容性較好，應(yīng)用比較廣泛。原設(shè)備通過調(diào)節(jié)按鈕站上的電位器開控制主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)工作臺(tái)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。反饋系統(tǒng)為一臺(tái)測速發(fā)電機(jī)，通過按鈕站上的電壓表讀數(shù)判斷實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)。這樣的工作臺(tái)轉(zhuǎn)數(shù)控制很不穩(wěn)定，更談不上要實(shí)現(xiàn)工件加工中的自動(dòng)恒線速切削。究其原因是控制鏈問題，而其中最根本的癥結(jié)所在是反饋信號(hào)不精準(zhǔn)。通常解決辦法是保留原直流拖動(dòng)裝置不變，加裝編碼器改善反饋信號(hào)。而加裝編碼器的位置一般在I軸下或者通過II軸傳出，前者較精確但安裝費(fèi)勁；后者好安裝，但是存在一定的機(jī)械誤差。本著用戶實(shí)際加工質(zhì)量為第一的設(shè)計(jì)思路，決定采取第一種安裝方式，即編碼器通過特制的連接支架直接安裝于工作臺(tái)軸心。本次選用的是德國海德漢公司生產(chǎn)的一種高精度圓光柵，這種光柵編碼器與西門子系統(tǒng)兼容性很好，擁有較高精度同時(shí)又很耐用，使用穩(wěn)定性高。根據(jù)產(chǎn)品資料將模擬量控制接口連接802C的X7-4/37接口，通過數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出模擬量信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速連接方式如圖3，同時(shí)將裝于I軸的海德漢編碼器的反饋電纜連接到數(shù)控系統(tǒng)X6端口，以實(shí)現(xiàn)主軸的閉環(huán)控制。

5 整機(jī)調(diào)試

各部分連接妥當(dāng)后啟動(dòng)系統(tǒng)電源，進(jìn)行調(diào)試。先開機(jī)檢查引導(dǎo)情況，若沒有故障繼續(xù)進(jìn)行PLC調(diào)試，而后設(shè)置各類數(shù)據(jù)，調(diào)試正常后進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)。進(jìn)行機(jī)床實(shí)際動(dòng)作測試，根據(jù)用戶要求更改力士樂驅(qū)動(dòng)器和歐陸直流調(diào)速裝置的設(shè)置，直到用戶滿意為止。編寫試車程序，試驗(yàn)實(shí)際動(dòng)作關(guān)系是否到位，最后請廠家進(jìn)行包含實(shí)際工件加工在內(nèi)的全面驗(yàn)收。

6 改造總結(jié)及后續(xù)問題處理

本次改造本著嚴(yán)格完成客戶技術(shù)要求，同時(shí)應(yīng)使原設(shè)備潛在價(jià)值發(fā)揮極致的宗旨進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，改造后客戶非常滿意。值得注意的是改造過程需要關(guān)注各部分之間的配合，尤其是伺服器、調(diào)速器與數(shù)控系統(tǒng)之間的參數(shù)設(shè)置是否兼容，連接電纜是否正確。本次改造施工中就曾出現(xiàn)過數(shù)控刀架回參考點(diǎn)失靈的故障；后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，其實(shí)就是反饋電纜沒有焊對(duì)，所以面對(duì)這類升級(jí)改造問題一定要仔細(xì)核對(duì)技術(shù)資料與實(shí)際產(chǎn)品是否匹配。實(shí)際使用中發(fā)生過刀架運(yùn)動(dòng)信號(hào)不穩(wěn)定的情況，經(jīng)反復(fù)檢修發(fā)現(xiàn)是模擬量給定電纜的問題，應(yīng)該是電纜經(jīng)過線槽傳遞+/-10V模擬量信號(hào)時(shí)受到了周圍電磁場的干擾，模擬信號(hào)發(fā)生漂移的緣故，將模擬量控制電纜全部更換為專用屏蔽電纜并正確接地后，問題再?zèng)]有發(fā)生過。至今改造后設(shè)備已經(jīng)正常使用兩年多，廠家反饋未出現(xiàn)任何故障、相當(dāng)滿意。

[1]EcoDrive03驅(qū)動(dòng)控制器項(xiàng)目設(shè)計(jì)手冊. Bosch Rexroth ，2003，5.

[2]EcoDrive03驅(qū)動(dòng)控制器功能描述手冊.Bosch Rexroth，2003，5.

[3]SINUMERIK 802C 安裝調(diào)試手冊.SIEMEN，2003，8.

[4]EcoDrive03驅(qū)動(dòng)控制器故障排除手冊.Bosch Rexroth，2003，5.

[5]512C Series Product Manual.EUROTHERM DRIVES，2001.