華中8 系統(tǒng)對馬豪MH1600W 加工中心換腦改造

明先承，楊進(jìn)東，陳 艷，孫承新，劉基國，江體平

（1.湖北三江航天紅陽機(jī)電有限公司，湖北孝感 432000；2.湖北江山華科數(shù)字設(shè)備科技有限公司，湖北襄陽 44100）

0 引言

MH1600W 四軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心為90 年代末引進(jìn)德國德馬吉公司（現(xiàn)為DMG MORI 公司）80 年代初期的產(chǎn)品，該設(shè)備使用至今已經(jīng)20 余年，電氣控制系統(tǒng)集成度低，控制系統(tǒng)老化，近幾年處于故障高發(fā)期，加上沒有詳細(xì)的系統(tǒng)維護(hù)文檔，部分零部件停產(chǎn)需定制致使配件維修費(fèi)用昂貴、周期長等，給設(shè)備的保障帶來極大的困難，設(shè)備無法正常工作導(dǎo)致在生產(chǎn)中不能發(fā)揮正常效能，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和進(jìn)度。但該設(shè)備機(jī)械部分剛性好，精度保持較好，具有較高的換腦改造再制造[1]價值，被納入04 專項(xiàng)換腦工程專項(xiàng)課題支持并成功實(shí)施換腦改造。主要介紹采用華中數(shù)控848D 高檔數(shù)控系統(tǒng)[2]在MH1600W 立臥轉(zhuǎn)換加工中心設(shè)備上的換腦改造方案、實(shí)施和應(yīng)用情況。

1 MH1600W 設(shè)備現(xiàn)狀及存在的問題

MH1600W 設(shè)備加工范圍X 軸1600 mm、Y 軸800 mm、Z 軸800 mm,并帶有Φ800 mm 工作臺，4 個全閉環(huán)控制的坐標(biāo)軸，鏈?zhǔn)降稁斓娜萘繛?0 把刀，機(jī)械手自動換刀，屬大中型加工中心，該設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速20～3200 r/min，功率15 kW，扭矩1210 N·m，可自動進(jìn)行立臥轉(zhuǎn)換，具備四軸四聯(lián)動加工功能，數(shù)控系統(tǒng)為德國海德漢MILLPLUS 系統(tǒng)。該設(shè)備一次裝夾可實(shí)現(xiàn)對工件的立式與臥式兩種加工工藝，發(fā)揮立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床的效能，縮短工藝流程，減少裝夾次數(shù)與裝夾時間，能完成多面體復(fù)雜加工，使工件加工精度、加工效率及工件質(zhì)量均得到大幅提升[3]，主要用于工序多、周期長、質(zhì)量難控制精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、關(guān)鍵件以及外協(xié)件加工，被列為公司的關(guān)鍵設(shè)備，在航天軍民品零件加工中發(fā)揮著重要作用。其主要存在的問題如下：

（1）數(shù)控系統(tǒng)落后老化。數(shù)控系統(tǒng)為HEIDENHAIN MillPlus V320，智能化程度低，開放程度差，功能相對較少，數(shù)控主機(jī)、I/O 板、信號板等板卡為PHILIP 早期控制產(chǎn)品，各軸的數(shù)控伺服控制模塊和電源模塊為德國力士樂模擬產(chǎn)品，均停產(chǎn)，加上硬件PCB 板老化，故障率高。

（2）控制系統(tǒng)相對落后。線路、繼電器、接觸器等元件老化，動作可靠性降低，元件的集成度較低，3 個線性軸光柵信號衰減報(bào)警頻繁。

（3）機(jī)械零件磨損。Z 軸高速運(yùn)行時抖動，工作臺鎖緊缸出現(xiàn)多次銹蝕卡死現(xiàn)象，刮屑板磨損運(yùn)行不暢。

（4）潤滑、液壓系統(tǒng)老化。管路老化，潤滑不良，液壓系統(tǒng)漏油滲油嚴(yán)重，工作臺多次鎖死，機(jī)械手自動換刀有時不到位或動作遲滯；

（5）其他。部分維修配件停產(chǎn)需定制，供貨周期較長，且價格昂貴，技術(shù)資料不全等。

由于四軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心在航天加工工藝中的獨(dú)特地位，考慮到該機(jī)床的功能較齊全，主要功能部件完好，因此對該機(jī)床實(shí)施換腦改造比報(bào)廢、更新一臺同等規(guī)格的設(shè)備更為經(jīng)濟(jì)合算。

2 換腦改造實(shí)施方案

2.1 系統(tǒng)選擇及實(shí)施方案

在國家重大專項(xiàng)課題的支持下，國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)以西門子、發(fā)那科等國外先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)為對標(biāo)產(chǎn)品，自主研發(fā)了華中數(shù)控HNC-808/818/848 型、廣州數(shù)控GSK27 型、大連光洋GNC60/61/62 型、沈陽高精GJ400 型等一批中、高檔數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品。攻克了開放式平臺技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、高速高精、多軸多通道、同步控制和可靠性等核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的跨越式發(fā)展，其穩(wěn)定性、可靠性經(jīng)受了用戶的檢驗(yàn)[2]。

對于這種高精度立臥轉(zhuǎn)換數(shù)控機(jī)床來說，電氣控制系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。在幾何精度、剛性、慣量等各機(jī)械因素一定的情況下，數(shù)控系統(tǒng)對整個加工的質(zhì)量、效率則起到?jīng)Q定性的作用。

在對原機(jī)床的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行仔細(xì)分析后，制訂以下改造方案：從目前幾種主流的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)來看，結(jié)合公司現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)使用情況，設(shè)備采用華中8 系統(tǒng)HNC-848 全數(shù)字高檔數(shù)控系統(tǒng)替換原有的MAHO CNC 數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行換腦升級改造，該系統(tǒng)在航空航天系統(tǒng)使用已較普遍，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性口碑好，并經(jīng)受MBTF 20 000 h 的考核，后期硬件和服務(wù)支持也有保障，為今后的維護(hù)、升級、擴(kuò)充、通信等提供方便。采用華中數(shù)控交流數(shù)字伺服單元和登奇伺服電機(jī)來替換原有的交流伺服單元和伺服電機(jī)；采用華中數(shù)控交流數(shù)字主軸驅(qū)動模塊和主軸電機(jī)來替換原有的交流伺服單元和交流主軸電機(jī)；采用海德漢封閉式的光柵尺、圓光柵替代原有老化停產(chǎn)的光柵尺、圓光柵；更換、檢修X、Y、Z 軸滾珠絲杠、絲母和導(dǎo)軌；檢修液壓和潤滑系統(tǒng)，更換管路和閥組。

根據(jù)設(shè)備存在的問題和現(xiàn)狀，換腦改造主要從控制系統(tǒng)、機(jī)械、液壓和潤滑幾個方面全面考慮，關(guān)鍵是控制系統(tǒng)的改造，包括電氣系統(tǒng)改造、邏輯控制設(shè)計(jì)和數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試，難點(diǎn)在于對設(shè)備的控制邏輯進(jìn)行準(zhǔn)確分析，對傳感器信號進(jìn)行檢測、判斷和控制，確保設(shè)計(jì)安全可靠。

2.2 HNC-848D 系統(tǒng)主要性能及系統(tǒng)配置

華中數(shù)控HNC-848D 為全數(shù)字總線式高檔數(shù)控系統(tǒng)，采用模塊化開放式體系結(jié)構(gòu)，支持自主開發(fā)的NCUC 總線及Ether－CAT 總線協(xié)議，具有高速高精加工控制、五軸聯(lián)動控制、多軸多通道控制、雙軸同步控制及誤差補(bǔ)償?shù)雀邫n數(shù)控系統(tǒng)功能，具備面向數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)通信能力，滿足機(jī)床復(fù)雜加工工藝及控制要求。

設(shè)備換腦改造采用華中數(shù)控HNC-848D CNC 系統(tǒng)，系統(tǒng)連接及配置見圖1，其中Y 軸帶抱閘，伺服驅(qū)動、主機(jī)模塊、通訊線纜、動力線纜、光柵尺和編碼器電纜屏蔽層必須可靠接地，提高抗干擾性。

3 改造實(shí)施

3.1 電氣控制系統(tǒng)改造

3.1.1 伺服驅(qū)動器和電機(jī)

去掉原機(jī)床X、Y、Z、B、S 軸5 臺交流伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器采用華中數(shù)控伺服驅(qū)動和登奇電機(jī)，外接制動電阻。其中Y軸帶抱閘，電機(jī)安裝接口需設(shè)計(jì)電機(jī)座、過渡法蘭和連軸器；主軸調(diào)速給定由數(shù)控系統(tǒng)程序S 指令設(shè)定，主軸啟動、停止、點(diǎn)動、變速等操作都集成在系統(tǒng)操作面板上。

3.1.2 光柵系統(tǒng)

更換原機(jī)床X 軸有效行程1640 mm，Y、Z 有效行程920 mm光柵尺和B 軸圓光柵為海德漢18 000 線圓光柵，配海德漢標(biāo)準(zhǔn)電纜，實(shí)現(xiàn)各軸的全閉環(huán)控制；采用2048 線ROD480 圓光柵更換主軸定向ROD486 圓光柵。

3.1.3 刀庫

恢復(fù)刀庫控制和管理功能，實(shí)現(xiàn)刀庫自動找刀、定位，利用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)就近選刀功能，機(jī)械手自動換刀，并設(shè)置手動單步換刀功能，方便維護(hù)調(diào)試和操作人員進(jìn)行換刀和對刀操作。

3.1.4 低壓電氣設(shè)計(jì)

3.1.5 邏輯設(shè)計(jì)與控制

I/O 模塊通過總線連接到系統(tǒng)，利用PLC 代替電路中大量的繼電器和接觸器的控制電路，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的所有邏輯順序控制任務(wù)，包括：主軸立臥轉(zhuǎn)換、液壓、潤滑、夾緊放松、機(jī)械手運(yùn)動、冷卻、排屑、控制電源、外部保護(hù)等控制，系統(tǒng)具備梯形圖在線監(jiān)控功能。主軸立臥轉(zhuǎn)換通過PLC 完成，轉(zhuǎn)換到位后才允許啟動。

（1）立臥轉(zhuǎn)換及換刀。該設(shè)備的主要動作是主軸立臥轉(zhuǎn)換和機(jī)械手換刀。根據(jù)加工需要選擇主軸立式或臥式加工，轉(zhuǎn)換過程見圖2、圖3，保護(hù)主軸的堵蓋總是裝在不用的主軸上，避免進(jìn)屑子。

機(jī)械手換刀動作基本流程可以分解為選刀過程和換刀過程，選刀動作必須在換刀動作之前完成。選刀動作主要是負(fù)責(zé)選取指定的刀號的刀具，旋轉(zhuǎn)刀庫到指定刀具位置，然后等待換刀動作開始。換刀動作主要負(fù)責(zé)將刀庫上選定的刀具和主軸上的刀具進(jìn)行交換的動作。

圖1 系統(tǒng)連接及主要配置

圖2 立式轉(zhuǎn)臥式

圖3 臥式轉(zhuǎn)立式

（2）主要參數(shù)設(shè)置。MH1600W 立臥轉(zhuǎn)換加工中心是通過立式或者臥式的不同換刀位置來進(jìn)行換刀；換刀位置參數(shù)在坐標(biāo)軸參數(shù)下面的對應(yīng)軸0（X）、軸1（Y）、軸2（Z）參數(shù)：

立式主軸定向位置參數(shù)為#105 539=2792；

臥式主軸定向位置參數(shù)為#105 590=3190；

慢性支氣管炎在老年人群體中屬于一種常見疾病,主要表現(xiàn)為支氣管腺體增生,支氣管黏膜分泌物增多,患有此病的患者,病情發(fā)展迅速,容易引發(fā)肺氣腫、肺動脈高壓和肺源性心臟病等并發(fā)癥。因?yàn)槔夏耆嘶颊吲K器多數(shù)存在一定損傷,機(jī)體免疫力不高,導(dǎo)致慢性支氣管炎存在反復(fù)發(fā)作,難以治愈的現(xiàn)象。臨床上經(jīng)常使用頭孢等抗生素藥物進(jìn)行治療,但效果不是十分理想。背景研究為分析川芎嗪聯(lián)合山莨菪堿治療老年慢性支氣管炎療效,選取2016年8月-2017年8月期間收治的82例慢性支氣管炎患者作為研究對象,現(xiàn)報(bào)道如下。

立式Y(jié) 軸換刀位置參數(shù)為#101 021=22.145；

立式Z 軸換刀位置參數(shù)為#102 021=-33.7；

臥式Y(jié) 軸換刀位置參數(shù)為#101 022=21.345；

臥式Z 軸換刀位置參數(shù)為#102 022=-180.8；

臥式Z 軸讓刀位置參數(shù)為#102 023=0。

3.1.6 其他功能

（1）系統(tǒng)具備反向間隙補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償?shù)裙δ?，可對機(jī)床的幾個軸向移動分別進(jìn)行補(bǔ)償，消除傳動間隙。同時調(diào)整系統(tǒng)和驅(qū)動器參數(shù)，使機(jī)床具有較高的回零精度和響應(yīng)速度。

（2）恢復(fù)原機(jī)床各項(xiàng)控制、連網(wǎng)功能，設(shè)置全方位報(bào)警文本功能，使系統(tǒng)能自動檢測由于誤操作、編程錯誤，各電氣部件問題所引起的各種故障，系統(tǒng)除進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動作外，同時顯示報(bào)警號和報(bào)警文本，方便維護(hù)。

3.2 機(jī)械、液壓、潤滑檢修

（1）檢查機(jī)床各軸的滾珠絲杠，更換聯(lián)軸節(jié)，更換各軸滾珠絲杠兩端的支撐軸承、軸承調(diào)整墊，消除絲杠軸向竄動。調(diào)整各軸滾珠絲杠的軸向預(yù)加載荷，消除反向間隙，保證機(jī)床各軸的定位精度及重復(fù)定位精度要求。

（2）檢修工作臺，檢修轉(zhuǎn)臺鎖緊裝置，對工作臺鎖緊槽除銹處理，更換鎖緊缸,檢修B 軸蝸輪蝸桿，調(diào)整蝸輪蝸桿間隙，更換蝸輪蝸桿軸承和編碼器，使定位準(zhǔn)確。

（3）更換主軸前、后端軸承，檢查主軸箱內(nèi)各換擋齒輪及拔叉是否磨損或損壞；檢查主軸錐孔的磨損情況，可用標(biāo)準(zhǔn)研棒研磨處理；更換蝶簧，調(diào)整松拉刀機(jī)構(gòu)和壓力，達(dá)到松拉刀要求。

（4）更換X 軸導(dǎo)軌刮屑板，防止鐵屑及灰塵進(jìn)入導(dǎo)軌，造成導(dǎo)軌刮傷；檢修機(jī)床各軸防護(hù)裝置，更換全部X 軸、Y 軸、Z 軸防護(hù)板的密封條，防止雜物進(jìn)入。

（5）檢修機(jī)床自動換刀裝置，即刀庫及機(jī)械手裝置，檢查液壓閥、液壓馬達(dá)、更換損壞的零件及電磁閥，使機(jī)床自動換刀穩(wěn)定可靠。

（6）檢查液壓裝置及液壓箱，更換機(jī)床老化或損壞的液壓元件、閥體、管路、電磁閥、密封圈、集中潤滑裝置、潤滑管路、分配器，冷卻裝置及管路等，更換蓄能器，檢修液壓泵，防止泄漏，壓力達(dá)到正常標(biāo)準(zhǔn)，液壓間歇自動補(bǔ)壓，解決液壓頻繁啟動導(dǎo)致油溫過高和漏油問題。

幾何精度調(diào)整檢驗(yàn)合格后，后采用利用激光干涉儀對機(jī)床的幾個軸向移動分別進(jìn)行測量和補(bǔ)償；同時調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)和驅(qū)動器參數(shù)，使機(jī)床具有較高的動態(tài)性能、定位精度和重復(fù)定位精度，同時減小跟隨誤差。

4 實(shí)施后的效果和優(yōu)點(diǎn)

換腦改造后，機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度達(dá)到原有機(jī)床的精度；按GB/T 18400.7—A320 輪廓加工試件加工試切，經(jīng)三坐標(biāo)測量機(jī)測量，直線度、垂直度、圓度、孔的定位精度等均達(dá)到原機(jī)床試件的加工精度。

在更換數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用全閉環(huán)控制、多平面刀具補(bǔ)償、小線段連續(xù)優(yōu)化過渡等功能，并通過以太網(wǎng)與車間DNC 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)機(jī)床狀態(tài)實(shí)時采集與監(jiān)控，大大提升機(jī)床的加工能力與加工效率。同時對原有的機(jī)械部分做了充分的維護(hù)和保養(yǎng)。對相關(guān)機(jī)械連接件做了必要的重新設(shè)計(jì)和更換。簡化了電氣柜內(nèi)的線路連接，通過模塊化的方式，重新設(shè)計(jì)電氣柜的電氣連接，方便維護(hù)和故障檢修，設(shè)備可維修性得到提高。

5 結(jié)束語

通過國家重大專項(xiàng)支持，采用華中數(shù)控8 型系統(tǒng)成功進(jìn)行換腦改造，在完成以上改造后，該機(jī)床的性能和精度達(dá)到或超過原機(jī)床。經(jīng)過近半年時間的生產(chǎn)實(shí)踐證明，該改造方案經(jīng)濟(jì)可行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率很低，故障停機(jī)時間比以前大為減少，提高了加工精度，原值550 萬元瀕臨報(bào)廢的設(shè)備在科研生產(chǎn)中又重新煥發(fā)生機(jī)，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，完全能夠滿足航天軍工高精度、高效率、高可靠性的要求，改造費(fèi)用控制在同檔次進(jìn)口機(jī)床價格的1/4 以內(nèi)，避免了采用進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行改造成本高、時間長等問題，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化替代，延長設(shè)備使用壽命，達(dá)到預(yù)期的效果。同時推動國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)在航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，提升軍工企業(yè)的智能制造能力和生產(chǎn)效率，保障軍工企業(yè)信息安全、產(chǎn)業(yè)安全和經(jīng)濟(jì)安全，為國防安全的自主可控提供保障。