進口二手?jǐn)?shù)控曲軸銑床電氣自動化改造及應(yīng)用

初忠智，王基鈺，于竹青

天潤工業(yè)技術(shù)股份有限公司 山東威海 264400

1 序言

當(dāng)前國內(nèi)設(shè)備制造行業(yè)方興未艾，但設(shè)備制造的基礎(chǔ)如數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)和使用、機床機械部件的制造及應(yīng)用等仍與世界先進水平有不小的差距。近年來，我公司從成本和機床的利用率、改造的性價比等方面調(diào)研，購買了多臺進口二手?jǐn)?shù)控銑床，該批設(shè)備電氣系統(tǒng)老化，但其機械部件已經(jīng)過多年的自然時效，精密鑄造、傳統(tǒng)工藝淬火的基礎(chǔ)工件年代越久，其應(yīng)力與精度穩(wěn)定性越好，工件耐疲勞、抗變形能力越強，應(yīng)用價值也越高。但也正因為其電氣系統(tǒng)尤其是數(shù)字控制系統(tǒng)已經(jīng)屬于淘汰產(chǎn)品，限于電氣元件的可恢復(fù)性、備件的可用性與儲備性及公司內(nèi)人員缺乏對該系統(tǒng)的認識和了解等，二手設(shè)備的電氣系統(tǒng)無法使用，需要進行“換腦”和“換心”，將原有的電氣控制系統(tǒng)進行改造，更換為性價比更加適合的數(shù)控系統(tǒng)，讓老設(shè)備重新投入使用。

2 改造的目的、現(xiàn)狀和主要內(nèi)容

（1）實施改造的目的 對二手設(shè)備進行電氣自動化改造，使原本淘汰報廢的設(shè)備發(fā)揮其殘余價值，并且恢復(fù)加工能力、加工精度，是本次改造的主要目的。

（2）數(shù)控機床改造現(xiàn)狀 近幾年我國數(shù)控機床雖然發(fā)展較快，但在可靠性、外觀質(zhì)量、產(chǎn)品開發(fā)周期、應(yīng)變能力及設(shè)備剛性等方面與國際先進水平還存在一定的差距。為了縮小差距，有關(guān)專家建議機床企業(yè)應(yīng)在以下6個方面著力研究。

1）加大力度實施質(zhì)量工程，提高數(shù)控機床的無故障率。

2）跟蹤國際水平，使數(shù)控機床向高效、高精方向發(fā)展。

3）成套設(shè)計開發(fā)能力上求突破。

4）發(fā)揮服務(wù)優(yōu)勢，擴大市場占有率。

5）多品種制造，滿足不同層次的用戶需求。

6）模塊化設(shè)計，縮短開發(fā)周期，快速響應(yīng)市場。

（3）改造的主要內(nèi)容 我公司有一臺1996年出廠的德國某品牌數(shù)控曲軸銑床，是公司早期購買的二手進口銑床，該機床原采用Uni-pro NC90系統(tǒng)，但系統(tǒng)及驅(qū)動部分故障率比較高，系統(tǒng)控制板及驅(qū)動板均為淘汰產(chǎn)品，損壞后修復(fù)困難，修理周期長，而且無相應(yīng)備件替換，造成設(shè)備停機時間長。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，此機床已無法滿足自動化要求，需對此機床進行系統(tǒng)改造，用FANUC αi系列（公司原儲備備件）伺服單元和伺服電動機替換原機床控制單元和步進電動機，可實現(xiàn)多軸數(shù)控聯(lián)動。

3 數(shù)控曲軸銑床電氣改造技術(shù)要求

根據(jù)原機床的結(jié)構(gòu)和功能確定數(shù)控系統(tǒng)的配置，改造的技術(shù)要求如下。

1）用FANUC具有網(wǎng)絡(luò)功能的超小、超薄型及高精、高效的FANUC 0i-TD 數(shù)控系統(tǒng)更換原機床的數(shù)控系統(tǒng)。并且選用FANUC 0i-TD雙路徑控制功能，可實現(xiàn)兩個刀架同時加工，也可兩個刀架獨立加工。

2）用具高速、高精度和高能效的FANUC αi系列（公司儲備的備件）交流數(shù)字伺服單元和伺服電動機更換原機床X1軸、Z1軸、A1軸、X2軸、Z2軸和A2軸的伺服單元及伺服電動機。同時X1軸為刀架1徑向移動，Z1軸為刀架1軸向移動，A1軸為刀架1偏心軸旋轉(zhuǎn)，X2軸為刀架2徑向移動，Z2軸為刀架2軸向移動，A2軸為刀架2偏心軸旋轉(zhuǎn)。

3）保留原機床X1軸、A1軸、X2軸及A2軸的半閉環(huán)反饋控制。將原機床Z1軸、Z2軸由半閉環(huán)控制改為全閉環(huán)控制，增加光柵尺。選用海德漢全封閉絕對式雙讀數(shù)頭光柵尺，機床改造完成以后，用激光干涉儀對X1軸、Z1軸、X2軸和Z2軸的定位精度與重復(fù)定位精度進行檢測與補償，提高機床各坐標(biāo)軸的定位精度。

4）用FANUC 0i-TD的I/O連接單元更換原機床的I/O連接單元，用FANUC 0i-TD系統(tǒng)的內(nèi)裝PLC對機床外圍的所有動作進行邏輯控制。

5）重新設(shè)計制作機床操作站與機床操作面板（操作面板上的所有按扭和指示燈選用施耐德產(chǎn)品），選用FANUC 10.4in（lin=0.0254m）LCD彩色液晶顯示器及日本原裝外掛式手搖脈沖操作盒。

6）用FANUC原裝伺服電動機反饋電纜更換原機床X1軸、Z1軸、A1軸、X2軸、Z2軸和A2軸的反饋電纜，用德國纜譜的動力電纜更換原機床X1軸、Z1軸、A1軸、X2軸、Z2軸、A2軸及兩個主軸的動力電纜。

7）保留原機床電氣柜，重新設(shè)計制作強電控制盤。所有強電元件選用西門子或施耐德品牌。

8）保留原機床兩個主軸電動機的控制方式及主軸電動機，重新配置軟起動器，重新接線，使之與新的0i-TD系統(tǒng)相接，并通過系統(tǒng)內(nèi)部PLC程序?qū)ζ溥M行控制。

9）將原機床X軸、Z軸由一個電動機控制改為兩個電動機單獨驅(qū)動，去掉原機床的齒輪減速箱。重新設(shè)計制作4個齒輪減速箱（保留最后一級齒輪傳動），并同時加裝4個伺服減速器替換原來的減速齒輪與離合器，消除齒輪傳動間隙。

10）根據(jù)原機床的結(jié)構(gòu)和動作要求重新進行機床的電氣設(shè)計和PLC控制程序設(shè)計。

4 數(shù)控曲軸銑床改造后的構(gòu)成及關(guān)鍵動作設(shè)計

（1）改造后的機床電氣控制部分 改造后的機床如圖1所示。其電氣控制部分由機床電器柜、

圖1 改造后的機床

CRT/MDI操作盤以及機床操作面板等構(gòu)成。

1）機床電器柜 柜內(nèi)裝有日本FANUC A系列伺服單元，包括X1軸、Z1軸、A1軸、X2軸、Z2軸和A2軸，F(xiàn)ANUC 0i-TD數(shù)控系統(tǒng)，I/O接口電路，以及光柵尺接口板等。

2）CRT/MDI操作面板 CRT/MDI操作面板安裝在操作站的上方，各按鈕功能可查閱用戶手冊[1]。

3）機床操作面板 機床操作面板如圖2所示，各按鈕的功能在關(guān)鍵動作設(shè)計和主要運動部件控制中有相應(yīng)說明。

圖2 機床操作面板

（2）關(guān)鍵動作設(shè)計 關(guān)于雙通道控制、機床各軸控制和互鎖信號的關(guān)鍵動作設(shè)計如下。

1）雙通道控制。改造采用FANUC 0i-TD控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是雙通道的，每個通道相當(dāng)于一個單獨的系統(tǒng)，可以分別控制相應(yīng)的軸運動。在MDI及自動方式執(zhí)行機床控制時，一定要分清當(dāng)前的通道，在顯示屏幕的右下角顯示：路徑1（即通道1）或路徑2（即通道2）。對于同一條指令，例如：GO G91 X100；如果此時是通道1，則X1軸移動；如果在通道2中，則X2軸移動。通道的切換可通過操作面板上的切換按鈕實現(xiàn)[2]。

2）機床各軸控制。在該數(shù)控銑床中，有6個數(shù)控軸，其中通道1控制3個數(shù)控軸，它們分別是X1軸、Z1軸和A1軸；通道2控制3個數(shù)控軸，它們分別是X2軸、Z2軸和A2軸，其中機床的前后運動沿X軸，機床的橫向移動沿Z軸，刀盤的旋轉(zhuǎn)運動沿A軸。

3）各軸互鎖信號。①在移動時，X1軸液壓鎖緊壓力檢測必須斷開，且為自動打開。②Z1軸位置必須在設(shè)定的范圍，即脫離卡盤區(qū)，允許X1軸移動，當(dāng)同時按下“雙通道運行”鍵及相鄰左邊的空白鍵，在手輪方式下，可以移動X軸。該設(shè)計是為了對刀盤中心使用，使X軸不受Z軸位置設(shè)定條件的影響。③在移動時，Z1軸液壓鎖緊壓力檢測必須斷開，且為自動斷開；中心架松開，左卡盤夾緊，左側(cè)防護罩打開[3]。

5 主要運動部件控制

（1）刀盤旋轉(zhuǎn)控制 本機床的主軸為普通三相電動機控制，起動采用西門子軟起動器控制，平滑升速。主軸速度約為80r/min。在主軸傳動齒輪側(cè)面安裝速度檢測開關(guān)，在旋轉(zhuǎn)過程中機械出現(xiàn)問題時，及時報警且讓機床停止進給[4]。

（2）刀盤旋轉(zhuǎn)起停注意事項 當(dāng)“卸左刀盤”按鈕按下時，對應(yīng)的左刀盤將不能旋轉(zhuǎn)，當(dāng)“卸右刀盤”按鈕按下時，對應(yīng)的右刀盤將不能旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)侗P起動后有急停報警時，將導(dǎo)致刀盤停止，且軟起動器報警，電器柜內(nèi)軟起動器紅燈亮，需將軟起動器復(fù)位才能消除報警[5]。

（3）刀盤的拆卸動作 當(dāng)機床的刀盤需要拆下時，需要將刀盤停止。如果拆左邊的刀盤，將Z1軸向右開到合適的安全位置，長按“卸左刀盤”按鍵，約1s即可，卸左刀盤燈將閃爍。如果拆右邊的刀盤，將Z2軸向左開到合適的安全位置，長按“卸右刀盤”按鍵，約1s即可，卸右刀盤燈將閃爍。當(dāng)該燈閃爍后，刀盤將不能旋轉(zhuǎn)。然后拆掉中心架上的護罩，手動移動相應(yīng)的X軸退出中心架范圍。換完刀后，先將X軸移回刀盤中心，然后按住相應(yīng)的“卸刀盤”按鈕約1s，燈滅后再將Z軸移回加工位。

需要注意的是：如果刀盤開出來，必須將“卸左刀盤”、“卸右刀盤”指示燈點亮，直到機床的X軸恢復(fù)原位，再按該按鈕，取消該動作，否則會出現(xiàn)嚴(yán)重后果。由于機床的X軸有液壓鎖緊，所以當(dāng)X軸開出來后，鎖緊液壓將無處密封，導(dǎo)致大量漏油，甚至把密封圈憋壞；當(dāng)卸刀盤功能生效后，機床對應(yīng)的X軸將不鎖緊，也就不會漏油。

（4）卡盤及頂尖的控制 在手動狀態(tài)下，按一下“左卡盤夾緊”按鈕，左卡盤將夾緊，指示燈亮；按一下“左卡盤松開”按鈕，“左卡盤將松開”松開燈亮。其他手動按鈕“左止口前進”“右頂尖前進”“右卡盤松開”“中心架松開”和“中心架夾緊”等操作類似。

在自動狀態(tài)下，按“夾緊”按鈕，動作順序為右頂尖前進→止口前進→左卡盤夾緊→右卡盤夾緊→完成后燈亮。

按“松開”按鈕，動作順序為止口松開→右卡盤松開→左卡盤松開→右頂尖后退→完成后燈亮。

需要注意：編制手動控制PLC程序時要先頂右頂尖，再讓右卡盤夾緊，否則容易損壞機械。

（5）尾座的移動 在手動狀態(tài)，將Z2軸開出卡盤區(qū)到達安全位置；同時按住兩個尾座移動鍵約1s，兩個指示燈同時閃爍；松開固定尾座的左右螺釘，手動前后扳動尾座上方的液壓閥5S25手柄就可以移動尾座。

6 結(jié)束語

通過電氣改造，解決原機床控制系統(tǒng)和位置反饋系統(tǒng)問題，使機床具有高精度和精確的位置補償功能，讓舊設(shè)備煥發(fā)新活力。

數(shù)控機床使用范圍越來越廣，市場容量也越來越大，但競爭也會加劇。機床使用企業(yè)不能從根本上解決當(dāng)前國內(nèi)設(shè)備制造業(yè)存在的問題，雖然大量應(yīng)用國內(nèi)設(shè)備，但高精度、高速率和高強度要求的設(shè)備仍需要從國外進口。而采取對二手設(shè)備進行自主改造的方式，可以縮短與先進裝備制造技術(shù)的差距，吸收國外先進的機床技術(shù)，同時也能為企業(yè)節(jié)省大量的成本。同一級別的國產(chǎn)設(shè)備價格是300多萬元，進口全新設(shè)備價格是700～900萬元，而采購二手進口設(shè)備價格是80萬元，加上改造費用90萬左右，比采購進口全新設(shè)備最高可節(jié)省成本達700多萬元，經(jīng)濟效益顯著。