0引言机床数控化改造涉及机械、电气、计算机、伺服系统等诸多技术,是一项综合性较强的工作< 1>。机床的数控改造在国外已形成产业,在国内,传统机床的数控化改造也得到高度重视并已开 始实施。在机械制造领域,机床的数控化改造具有非常重要的意义,一方面能够提高机床的数控化 程度,另一方面可以节约资金。本文针对某企业的凸轮铣床的数控系统和伺服系统进行改造。原数 控凸轮铣床为瑞士Strausak公司生产,其数控系统采用GE公司生产的控制系统。由于该 控制系统为20世纪70年代产品,技术上相对落后,操作编程繁琐,故障频繁,工作不可靠,已 经不能正常加工零件。原凸轮铣床的主要技术参数如表1所示。表1凸轮铣床的主要技术项目参数工件主轴转速0~3r/m in工件最大厚度80mm工件最大直径460mmX轴最大行程400mm纵向行程210mm机床精度±0·01mm高速主轴转速3500~15000 r/m in在改造前,首先进行了经济性分析,如果购置一台新的具有同种功能的机床,需资金30~50 万元人民币,而对该机床进行改造,所需成本为10万元人民币以下,不到新设备的1/3,因此 ,值得改造。同时,可以减少闲置设备。其次,我们对该机床的机械传动部分即主轴、导轨、丝杠 进行了检测,发现基本上没有磨损,具有良好的精度,通过改造完全可以达到精度要求。1制定改 造方案对于一台数控机床,它的功能有两类:一类是数控系统制造商提供的功能,如人机界面、程 序输入、编辑、存储、图形功能,刀补以及坐标系零点设置功能。另一类功能是机床厂或系统集成 商根据数控系统制造商提供的窗口二次开发后形成的功能。它主要通过机床操作面板和可编程控制 器软件提供。例如,启动、停止、手动操作、速度超调、主轴启停、冷却润滑开关等。对最终用户 而言,往往没有必要分清到底是哪一类功能。应该说第一类功能是刚性的,而第二类功能是柔性的 ,是可以增删的。数控化改造的过程其重点是第二类功能的形成过程。通过数控系统提供的PLC 应用软件,结合实际的控制要求,联接机床及操作面板上的按钮到PLC的I/O口。对机床进行 正确的控制,才是数控化改造的关键问题。1·1硬件系统分析与改造方案对原机床的操作过程、 控制顺序、逻辑关系进行深入的剖析是确定改造方案的前提。原控制系统的主轴是通过变频器控制 的,其它辅助功能是通过继电器控制的,控制部分体积大,电气老化,不能正常工作。经过分析, 保留机床的冷却、润滑系统。主轴仍采用原变频器控制。只是把冷却润滑及变频器的控制按钮接入 新的数控系统的I/O口,使控制一体化。对于进给轴,决定采用德国SIEMENS公司SINUMER-IK802D数控系统和SIMODRIVE611驱动系统进行控制<2>。SINUMER IK802D将所有CNC、PLC、HM I和通讯任务集成于一体。免维护的硬件集成了PROFIBUS接口用于驱动和I/O模块并具有速装结构的超薄操作面板。SINUMER IK802D是基于PROFIBUS总线的数控系统。输入输出信号是通过PROFIBUS传送的,位置调节(速度给定和位置反馈信号)也是通过PRO-FIBUS完成的。SINUMERIK802D可控制最多4个数字进给轴和1个主轴。SIMODR IVE611是一种功能可配置的驱动系统,具有模块化设计和PROFIBUS接口,因而各轴驱动的功率可独立配置,与SINUMER IK802D能够构成理想的组合。使用SIMODR IVE611,能够提供一种全数字化的驱动系统来满足机床在动态响应、速度调整范围和旋转精度 特性等方面的要求。由于驱动系统为模块化设计,各驱动器可独立优化至其最佳状态。进给轴选用 1FK6电机驱动。1FK6交流伺服电机是永磁同步电机,带有内装光电编码器,电机按照无外 部冷却设计,热量通过电机表面散发。图1凸轮铣床运动简图数控凸轮铣的运动如图1所示,3个 进给轴X、Y、Z既可以单独运动又可以联动,其中X、Z实现直线运动,Y轴实现旋转运动,共 同实现凸轮铣床加工所要求的运动。主轴由变频器单独控制。控制面板实现急停、启动、停止、润 滑冷却等功能。具体实现时考虑以下几个方面:(1)改造后的机床界面友好,方便操作;(2) 对原机床电器柜内的继电器、直流电源、空气开关、熔断器和接线排等予以保留,并根据需要稍作 变动;(3)在设计新的机床面板时尽量考虑保持原机床面板操作开关及按钮的功能设置,以方便 操作人员使用。机床的电气系统如图2所示,其中SIMODRIVE611图2电气连接简图驱 动器联接3个型号为1FK6、带有光电编码器的交流伺服电机,控制凸轮铣床的X、Y、Z轴的 进给运动。该数控系统是一个半闭环系统,因为伺服电机上的编码器将信号直接反馈给CNC系统,既作为位置反馈,又作为速度反馈,CNC发出的速度指令送入SIMODRIVE611驱动单元。1·2系统软件设计系统软件如插补、伺服、译码、数据处理等模块图3 PLC软件结构图由西门子802D提供,用户只需在机床调试时输入相关的参数。PLC应用程序 是软件开发的关键,它完成数控机床的MST功能,即除了主运动以外的辅助功能。PLC软件结 构如图3所示。1·3机床调试调试是数控化改造的最后一个步骤,一般包括功能性调试及试切两 个方面。1·3·1功能性调试在面板制作完毕,所有硬件安装到位,PLC应用程序及机床参数 编制完毕后就可以开始调试。调试的目的是数控系统和机床的适配。数控原理中把控制分为主运动 (坐标轴)控制和辅助功能控制两部分,相应地功能性调试亦可分为坐标轴运动的调试和辅助功能 调试两部分。对于西门子802D系统,当各个部件连接完毕后,则需开始调试PLC的控制逻辑 。至关重要的是必须在所有有关PLC的安全功能全部准确无误后,才能开始调试驱动器和802 D参数的调试。当PLC应用程序正确无误后,即可进入驱动器的调试。其中调试过程包括下列内 容:首先利用准备好的驱动器调试电缆将计算机与611UE的X471连接起来,然后调用驱动 器调试工具,最后配置电机参数并调试。驱动器调试完成后,必须对NC系统即802D进行调试 。首先对802D基本参数设定,参数包括线配置、驱动器模块定位、位置控制使能、传动系统参 数配比、驱动器参数优化、坐标速度和加速度、位置环增益。在进行坐标轴运动(主运动)调试前 ,考虑到安全性,我们做了以下工作:(1)检查紧停开关和各坐标轴限位开关,确保其处于工作 正常状态。(2)使各坐标轴运动部件处于中间。(3)将刀具、卡具和部件均卸下。(4)将主 轴和进给速度超调开关位置调低,避免高速运动发生危险。坐标轴运动的调试首先从手动开始,注 意各坐标轴运动方向及其坐标值的大小和定义的量是否一致,不一致时应调整机床参数。在主轴和 坐标轴运动前,应检查润滑系统和冷却系统是否正常工作,以免损坏机床,在所有功能及手动运动 正常后才能进行自动方式运行。1·3·2试切试切零件应选择能反映机床性能的形状,该机床为 凸轮铣,我们用它加工一批7级精度的凸轮,加工完后用三坐标测量机对工件进行检查。通过试切 ,证明了该数控系统的功能完备,能够满足凸轮加工的精度要求。1·3·3数据备份在系统调试 完毕后,进行数据备份是十分重要的。Sinumerik802D提供了多种数据备份的方法。 首先将数据备份在系统内部,同时可将数据外部备份。1·4机床验收经过调试后,对机床进行精度检验。精度记录如表2。2结束语运用西门子Sinumerik802D数控系统以及SIMO-DRIVE611驱动系统,对瑞士Strausak公司生产的凸轮铣床进行了数控改造,不仅使这台 旧设备能重新投表2机床改造后的精度坐标项目X/mmZ/mmY/(″)回参考点一致性允差 0·015允差0·015允差15实差0·005实差0·010实差10反向间隙允差0·0 10允差0·010允差10实差0·010实差0·010实差10重复定位精度允差0·01 5允差0·015允差15实差0·010实差0·010实差10定位精度全程:0·030全 程:0·030允差360:°30实差300:0·03实差180:0·03实差360:° 20入使用,而且使机床的操作更加方便。到目前为止,该设备工作稳定,能够满足凸轮加工要求 ,不仅为企业节约了成本,而且为企业带来了一定的经济效益。凸轮数控铣床的改造@崇育红$西安科技大学!西安710054
@马宏伟$西安科技大学!西安710054
@卜喜全$西安航空发动机公司!西安710021采用先进的西门子802D数控系统和体积小、 性能好、调试方便的数字式交流伺服系统,对某企业的一台瑞士生产的老式数控凸轮铣床进行了数 控化改造,达到了旧设备充分利用、节约资金的目的。本文主要介绍了数控凸轮机床的改造步骤和 改造过程中的关键技术问题。凸轮铣床;;数控系统;;改造<1>李诚人.现代机电控制系统
.西安:西北工业出版社,1999.
<2>SINUMER IK802D简明调试指南,2002.原理中把控制分为主运动(坐标轴)控制和辅助功能控制两 部分,相应地功能性调试亦可分为坐标轴运动的调试和辅助功能调试两部分。对于西门子802D 系统,当各个部件连接完毕后,则需开始调试PLC的控制逻辑。至关重要的是必须在所有有关P LC的安全功能全部准确无误后,才能开始调试驱动器和802D参数的调试。当PLC应用程序 正确无误后,即可进入驱动器的调试。其中调试过程包括下列内容:首先利用准备好的驱动器调试 电缆将计算机与611UE的X471连接起来,然后调用驱动器调试工具,最后配置电机参数并 调试。驱动器调试完成后,必须对NC系统即802D进行调试。首先对802D基本参数设定,参数包括线配置、驱动器模块定位、位置控制使能、传动系统参数配比、驱动器参数优化、坐标速度和加
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