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加工中心的數(shù)控化升級改造

日期：2010年01月14　來源：沈陽第一機床廠　關(guān)鍵字：加工中心
    MCl600加工中心概述
    某企業(yè)的一臺MCl600臥式鏜銑加工中心是1997年從德國進口的二手設(shè)備，該設(shè)備是匈牙利20世紀(jì)80年代生產(chǎn)的產(chǎn)品。由于使用時間久，在使用時經(jīng)常出現(xiàn)突然停機、程序紊亂、無法正常使用的故障，搖臂鉆床以及機械手存在漂移和電氣設(shè)備老化的問題，嚴(yán)重影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)。在維修的過程中，配件維修費用昂貴給企業(yè)造成了很大的負擔(dān)，因此對該機床進行數(shù)控化升級改造，希望用較少的成本，最大程度地提高機床的性能。
    MCl600加工中心對各組成部分的基本要求
    該加工中心數(shù)控系統(tǒng)采用的是西門子850數(shù)控系統(tǒng)。對控制系統(tǒng)的要求：
    1)系統(tǒng)需要實現(xiàn)四軸聯(lián)動，加工中心以及任意兩軸或三軸聯(lián)動。
    2)為保證機床定位精度和加工精度，搖臂鉆床要求系統(tǒng)最小設(shè)定單位為lpm。
    3)重復(fù)定位精度為4pm。
    4)為滿足工作臺自動交換(APC)和自動換刀(ATC)等要求，CNC系統(tǒng)需要160個輸入點和96個輸出點。
    MC1600加工中心改造的方案
    加工中心是一種功能較為齊全的數(shù)控加工機床。它把銑削、鉆削、攻螺紋和切削螺紋等功能集中在一個設(shè)備上，使其有多種工藝手段。它與數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床相比，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，系統(tǒng)功能較多，因此控制技術(shù)也較復(fù)雜。市場上現(xiàn)有的加工中心大多是采用直流／交流伺服電動機作為驅(qū)動部件，價格昂貴，在中小企業(yè)中難以普及。
    在對加工中心的數(shù)控化更新改造之前，需要對其進行可行性評估，看看是否適合經(jīng)濟型改造。盡量選擇那些機械、液壓部分性能良好，各個部件磨損較少的，加工中心還能較好地滿足工藝要搖臂鉆床求的機床。特別是主軸部分，它的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀、制造精度、材料及其熱處理，對主軸的工作性能有很大的影響。同時，它也要保證各零件定位的可靠性，工藝性要好。如果主軸的偏差太大的話，就不適合經(jīng)濟型改造了。因此，在對MCl600加工中心進行升級改造時，也先從總體上評估了該加工中心的總體性能。
    待改造的MCl600加工中心的機械、液壓部分性能良好，各個部件磨損較少，還能較好地滿足機床要求，因此只對數(shù)控系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)改造。隨著計算機和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用工業(yè)控制計算機和Windows操作系統(tǒng)作為數(shù)控系統(tǒng)的硬、軟件平臺越來越受各企業(yè)的歡迎，所以，在改造時也要根據(jù)實際情況選擇合適電氣元件、數(shù)控系統(tǒng)以及驅(qū)動單元。
    MCl600加工中心改造的主要工作：
    1)數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動單元、加工中心電動機的更換，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的特點和機床的要求，調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。
    2)根據(jù)機床操作及運動要求編制PLC控制程序，使數(shù)控系統(tǒng)、搖臂鉆床伺服系統(tǒng)與機床其他部分之間協(xié)調(diào)一致地工作。
    3)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。
    機械進給部分的改造
    MCl600加工中心的機械部分性能良好，不用特別的改造。機械部分的改造主要是要集中在主軸系統(tǒng)和進給系統(tǒng)更換電動機時對床身和主軸箱的改造。這些改造屬于小范圍的改造，在改造中注意加工的定位精度和對機床的影響。
    伺服驅(qū)動單元的改造
    MCl600加工中心共有主軸、X軸、Y軸、Z軸、B軸、W軸和Q軸共7個伺服軸，可以實現(xiàn)X、Y、Z、B四個軸聯(lián)動。由于配套了新的數(shù)控系統(tǒng)以及驅(qū)動單元，原來的電動機已不合用，根據(jù)各軸對速度特性要求不一樣，在改造時選擇的電動機也有所不同。
    電動機根據(jù)改造后的功率要求進行選擇，依加工中心據(jù)設(shè)計功率大于主傳動功率的原則，在此全部選交流數(shù)字伺服電動機。X、Z和B三軸電動機型號：1FT6108—8AC71--4AA0；Y軸電動機型號：1FT6108—8AC71—4AB0(帶抱閘)；W和Q軸電動機型號：1FT6105—1AC71--4AGl；主軸電動機型號：1PH7167—2NF03—0CA0。
    驅(qū)動單元以與電動機容量相互匹配的原則進行選取，伺服軸驅(qū)動單搖臂鉆床元(FDD)：全數(shù)字控制模塊，外部測量系統(tǒng)，電壓信號；X、Y、z和B四個軸的功率模塊型號：6SNll23—1AA00—0DAl，W和Q軸功率模塊型號為6SNll23—1AA00---0CAl；主軸驅(qū)動單元(MSD)：全數(shù)字控制模塊，外部測量系統(tǒng)，電壓信號，型號：6SNll23—1AAOO--OCAl。
    CNC系統(tǒng)的選擇和連接
    1．?dāng)?shù)控系統(tǒng)的選型
    SINUMERIK 840D是20世紀(jì)90年代后期的全數(shù)字化高度開放式數(shù)控系統(tǒng)，具有高度模塊化及規(guī)范化的結(jié)構(gòu)，它將CNC和驅(qū)動控制集成在一個板塊上，將閉環(huán)控制的全部硬件和軟件集成在lcm2的面積上，便于編程、操作和監(jiān)控。根據(jù)以上特點，選擇了西門子的SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)和SIMODRIVE 611D驅(qū)動單元。SINUMERIK 840D與SIMODRIVE 611D伺服驅(qū)動模塊及西門子S7—300PLC加工中心模塊構(gòu)成的全數(shù)字?jǐn)?shù)控系統(tǒng)，搖臂鉆床能實現(xiàn)鉆削、車削、銑削、磨削等數(shù)控功能，也能應(yīng)用于剪切、沖壓、激光加工等數(shù)控加工領(lǐng)域。
    SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的主要特點：采用32位微處理器實現(xiàn)CNC連續(xù)軌跡控制，內(nèi)部繼承PLC。該系統(tǒng)功能最多可控制31個軸(包括31軸，操作方式主要有AUTOMAIC(自動)、JOG(手動)、TEACH IN(交互式程序編制)、MDA(手動過程數(shù)據(jù)輸入)。SINUMERIK 840D的插補功能可實現(xiàn)樣條插補、三階多項式插補、控制值互聯(lián)和曲線表插補。這些插補功能為加工各類復(fù)雜曲面提供了有利條件。在刀具補償方面，可根據(jù)用戶程序進行輪廓的沖突檢測、刀具半徑補償?shù)慕咏�和退出及交點計算、刀具長度補償、螺距誤差補償和測量系統(tǒng)誤差補償、反向間隙補償、過象限誤差補償?shù)�。NC編程符合DIN66025標(biāo)準(zhǔn)，可進行米制、英制尺寸或混和尺寸的編程，程序編程與加工可同時進行。
    因此，SINUMERIK 840D加工中心數(shù)控系統(tǒng)是本次改造中選擇的理想系統(tǒng)。它主要由CNC、MDI／CRT單元及驅(qū)動器組成。由SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)說明書可知，該系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)包括：CNC硬件是840DE，型號是6FC5357—0BB21一OAEO，10軸控制，256KBRAM內(nèi)存，64KBPLCRAM，處理器是486DX4／100MHz。10．4inu彩色超薄顯示器，機床操作面板MCPMMSTT和OP031相配套，操作簡單、方便。加工過程中可搖臂鉆床同時通過通用接口進行數(shù)據(jù)輸入、輸出，還可以通過預(yù)先設(shè)置的軟極限開關(guān)進行工作區(qū)域的限制，當(dāng)超程時會自行進行減速，以防止超程時依然處在比較高的速度破壞工作臺的定位。
     2．系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定
    SINUMERIK 840D是一個開加工中心放性很強的數(shù)控系統(tǒng)，因而它的參數(shù)很多。它的控制參數(shù)是由機床數(shù)據(jù)(MD)與設(shè)定數(shù)據(jù)(SD)組成。機床數(shù)據(jù)(MD)主要由通用、特別通道和特別軸等機床數(shù)據(jù)組成；設(shè)定數(shù)據(jù)(SD)由通用、特別軸和特別通道設(shè)定數(shù)據(jù)組成。SINUMERIK 840D參數(shù)調(diào)整就是對這些數(shù)據(jù)進行調(diào)整。搖臂鉆床下面就根據(jù)MCl600加工中心對通用機床數(shù)據(jù)和特別軸機床數(shù)據(jù)中要設(shè)定的主要數(shù)據(jù)進行分析設(shè)定。
    (1)通用機床數(shù)據(jù)的設(shè)定
    MDl0000用于定義機床軸名稱：X1、Y1、Z1、B1、WI、Q1、C1；
    MDl0050定義系統(tǒng)循環(huán)時間：0．004s；
    MDl0350用于定義快速輸入點的數(shù)值：4；
    MOl0720定義默認工作方式：7；
    MDll300定義回參考點的操作方式：0；
    MDl8082定義刀庫中刀具數(shù)量：60。
    修改MDl8000后面的通用加工中心機床數(shù)據(jù)時，會造成DRAM區(qū)的重新分配，致使數(shù)據(jù)丟失。因此在對此類數(shù)據(jù)修改完成后，要先存檔，存檔之后再加載，系統(tǒng)就會自動進行數(shù)據(jù)分配。
    (2)特別軸機床數(shù)據(jù)的設(shè)定
    MD30110定義電動機軸的物理模塊位置：C二1、X：2、Y：3、Z：4、B：5、W：6、Q二7；
    MD30130定義軸輸出類型：1(1表示時為數(shù)字方式)；
    MD30240設(shè)定測量系統(tǒng)的類型：X二Y；Z二B二W：Q：C：1(1表示增量測量系統(tǒng))；
    MD30300定義軸是旋轉(zhuǎn)軸還是直線軸：X：Y：Z二W：0，B：Q；C：1(0表示直線軸)；
    MD31000定義直接測量原件類型：X：Y二Z二B：W：1，Q：C(1表示光柵尺，0表示編碼器)；
    MD31010定義光柵尺柵距，輸入值要和實際值相符；
    MD31020定義編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)；
    MD31050和MD31060定義加工中心電動機到絲杠的減速比；
    MD31070和MD31080定義絲杠到編碼器的減速比。
    3．機床的硬件連接
    SINUMERIK 840D、SIMODRIVE 611D的連接以及和外圍設(shè)備的連接。電源模塊向NCU提供24V工作電壓，也向611D各驅(qū)動軸模塊提供600V直流母線電壓。電源模塊上X351端口通過NCU模塊上X172端口和各驅(qū)動模塊上X151、X351端口，將各模塊的系統(tǒng)數(shù)據(jù)控制總線連接起來。NCU上X130端口是電動機驅(qū)動器611D的輸入、輸出擴展端口，通過扁平電纜將驅(qū)動總線與各個驅(qū)動模塊連接起來，對各個伺服電動機進行控制。NCU上的X101端口通過一根MPI電纜與NCU相連，X101端口與PLC的IM361接加工中心口模塊相連，X121端口連接手輪。

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