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西門子數控840D五軸聯動加工中心的改造

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 引言

  20世紀80年代我國大批引進的高檔數控機床已經進入電子元件老化期,但其機械部分往往仍然保持良好的性能狀態。為了降低成本,獲得最大化的使用價值,通過較簡單的數控係統置換和技術處理來進行的升級改造,就成了一種必然之選。

  一般數控機床的數控係統在使用15年左右後就進入了產品老化期,故障率和維修成本會顯著增加。這時用新的數控係統進行升級改造,與購買動輒上千萬元的新設備相比,具有投資少、周期短、風險小等優點。而且又能與時俱進,增加原係統的功能,改善和提高設備整體性能,最終為用戶創造最大化的經濟效益。

1 設備現狀與改造需求

  MC-B74是本公司90年代初,從瑞士WYSS—BROD公司引進的五軸聯動臥式加工中心。該機床原數控係統配置的是BOSH Micr08,主軸和進給驅動都采用SIEMENS的直流調速係統。驅動係統有6個:主軸(S軸)旋轉、x軸橫向進給、z軸縱向進給、y軸升降運動、以及曰、c軸的旋轉運動。配有32個刀位的盤式刀庫及機械手自動換刀係統。x、y、Z三個直線軸的位置檢測裝置為光柵尺,日、C兩個旋轉軸的則為圓感應同步器。目前BOSH Micr08係統早已停產,雖然公司早先購買了幾十萬元的備件,但由於老化、缺損等原因而無力保證其繼續運行,機床在2006年故障後,因無法修複而閑置了較長的一段時間,經過調研,公司最終決定對其進行數控係統的升級改造。

2 整體改造方案

  由於是全進口設備,經檢測其機械性能仍然保持良好,液壓係統也工作正常。所以總的改造方案是:在保留原機械結構的基礎上,用目前國內廣泛應用的SIEMENS 840D數控係統替代原BOSH Micr08數控係統;采用配套的SIEMENS 611D數字交流伺服係統替代原可控矽直流調速係統;用SIEMENS當前流行的交流主軸與伺服電機替代原直流的電機;刀庫旋轉由1FT6全數字交流伺服電機驅動,實現半閉環控製;各軸的檢測裝置則采用德國HEIDENHAIN的LB382C型直線光柵和RON285圓光柵分別進行替換。整體控製係統組成原理,如圖1所示。


圖1改造後控製係統簡圖

3 改造中的重點事項

  3.1 數控係統的配置

  SIEMENS 840D係統是西門子公司90年代中期推出的一款純數字化的高檔數控係統,也是國內應用於五軸以上機床的典型係統,考慮到其市場的廣泛性及品牌的信譽度,公司最終選擇了840D係統進行改造。並根據相關技術要求進行了係統的配置。具體配置情況見表1所示。

  3.2 自動換刀動作的PLC編程設計

  此次改造使用的是西門子公司的s7.300 PLC模塊。在PLC程序設計中,自動換刀編程是重要的外圍動作設計任務。該加工中心的刀具交換裝置采用可雙向旋轉的盤式刀庫,通過單臂雙爪的機械手用16個步驟將刀庫中的刀具裝到主軸上,每個動作我們都用M代碼進行設定,如表2所示。

  具體的換刀步驟為:①M42——刀庫定位銷鬆開;②M37——根據T代碼刀庫正轉或反轉到換刀點;③M43——刀庫定位銷鎖緊;④M32——刀塔向前移動;⑤M40——卡刀器拉開,換刀點刀座旋轉90度;⑥M34——機械手向刀塔移動,左爪握住刀庫上的新刀;⑦M19——主軸定向;⑧M33——機械手向主軸動移,右爪抓住主軸上的舊刀;⑨M44——主軸鬆刀;⑩M36——機械手臂伸出,兩爪同時拔出新、舊刀;⑩M38——機械手臂正轉(或反轉)180度,新、舊刀交換;⑥M35——機械手臂退回,兩爪同時裝上新刀、舊刀;⑩M45——主軸拉刀;⑩M41——卡刀器退回,換刀點刀座複位;⑩M46——機械手複位;⑩M31——刀塔向後運動複位。

  為防止某個動作不到位,在編程過程中加入了到位信號互鎖。另外,主軸換檔、坐標運動、緊急停止、冷卻液開關、轉台夾緊、鬆開等其它動作的PLC編程設計跟一般臥式加工中心的類似,在此不再介紹。

3.3 光柵的安裝

  光柵是數控係統構成全閉環控製的重要檢測反饋元件,其安裝方式的選擇必須注意防止切屑、切削液及油液等的濺落影響。光柵在裝配時嚴禁劇烈震動或敲打,以免造成損環。

  (1)安裝基麵的選擇與要求

  不能直接將光柵安裝在粗糙不平或打了底漆的床身上。光柵定尺和滑尺需分別安裝在機床相對運動的兩個部件上,並用千分表檢查主尺安裝麵與導軌運動方向的平行度,要求達到0.1mm以內。

  (2)定尺的安裝

  將光柵尺的M4螺釘旋入安裝麵孔內,但不要上緊。用千分表測量定尺平麵與機床導軌運動方向的平行度,並調整M4螺釘位置,使平行度達到0.1mm/1000mm以內。在安裝定尺時,不能隻安裝兩端,還需要在定尺中部進行支撐。

  (3)滑尺的安裝

  其安裝方法與定尺相似,調整使滑尺與定尺平行度在0.1mm/1000mm以內,並將滑尺與定尺的間隙控製在1mm~1.5mm之間。

  (4)圓光柵的安裝

  圓光柵的輸出軸通過彈性聯軸器與轉台一起旋轉。安裝時要保證轉台的轉軸中心線與圓光柵輸出軸的中心線及彈性聯軸器中心線的跳動在0.1mm以內。

  3.4電機的安裝

  由於新舊電機尺寸不一樣,所以要對電機安裝板進行改裝,即在電機側的皮帶輪內孔鑲嵌一個隔套使其與新電機軸匹配。

  3.5 電氣的調試

  在光柵、電機等安裝完成,以及機床所有電氣連線連接完畢之後,將對機床進行通電調試。先調試好緊急停止、限位開關等重要保護功能,再調試其它功能,最後調試自動換刀功能。

  3.6 機床參數的設置

  在係統調試初期需要先對軸參數進行設置,而各軸需根據實際情況進行配置,在此以分別代表直線、旋轉、主軸的X、B、SP三類典型軸為例,介紹部分軸參數的設置情況,如表3所示。


  以上軸數據設置好以後,還要對軸的基本配置參數、回參考點參數、報警監控參數、測量係統參數等進行相應的設置,此處就不再詳細說明了。

4 改造效果

  (1)通過本次改造,使該加工中心增加了許多新的功能如:主軸點動、剛性攻絲、圖形模擬、手輪驅動、DNC等,使操作變得更加簡單、方便。

  (2)采用SIEMENS 840D數控係統與6llD伺服係統,構成了全數字式控製係統,使MC.B74臥式加工中心的控製性能達到國際先進水平。

  (3)改造前該設備的故障率很高,經常長時間的停機修理,且維修費用大。本次改造後,使得該設備的電氣故障率大大降低,穩定性顯著提高。


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