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西门子数控840D五轴联动加工中心的改造

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 引言

  20世纪80年代我国大批引进的高档数控机床已经进入电子元件老化期 ,但其机械部分往往仍然保持良好的性能状态。为了降低成本 ,获得最大化的使用价值 ,通过较简单的数控系统置换和技术处理来进行的升级改造 ,就成了一种必然之选。

  一般数控机床的数控系统在使用15年左右后就进入了产品老化期 ,故障率和维修成本会显著增加。这时用新的数控系统进行升级改造 ,与购买动辄上  千万元的新设备相比 ,具有投资少、周期短、风险小等优点。而且又能与时俱进 ,增加原系统的功能 ,改善和提高设备整体性能 ,最终为用户创造最大化的经济效益。

1 设备现状与改造需求

  MC-B74是本公司90年代初 ,从瑞士WYSS—BROD公司引进的五轴联动卧式加工中心。该机床原数控系统配置的是BOSH Micr08 ,主轴和进给驱动都采用SIEMENS的直流调速系统。驱动系统有6个:主轴(S轴)旋转、x轴横向进给、z轴纵向进给、y轴升降运动、以及曰、c轴的旋转运动。配有32个刀位的盘式刀库及机械手自动换刀系统。x、y、Z三个直线轴的位置检测装置为光栅尺 ,日、C两个旋转轴的则为圆感应同步器。目前BOSH Micr08系统早已停产 ,虽然公司早先购买了几十万元的备件 ,但由于老化、缺损等原因 而无力保证其继续运行 ,机床在2006年故障后 ,因 无法修复而闲置了较长的一段时间 ,经过调研 ,公司最终决定对其进行数控系统的升级改造。

2 整体改造方案

  由于是全进口设备 ,经检测其机械性能仍然保持良好 ,液压系统也工作正常。所以总的改造方案是:在保留原机械结构的基础上   ,用目前国内广泛应用的SIEMENS 840D数控系统替代原BOSH Micr08数控系统;采用配套的SIEMENS 611D数字交流伺服系统替代原可控硅直流调速系统;用SIEMENS当前流行的交流主轴与伺服电机替代原直流的电机;刀库旋转由1FT6全数字交流伺服电机驱动 ,实现半闭环控制;各轴的检测装置则采用德国HEIDENHAIN的LB382C型直线光栅和RON285圆光栅分别进行替换。整体控制系统组成原理 ,如图1所示。


图1改造后控制系统简图

3 改造中的重点事项

  3.1 数控系统的配置

  SIEMENS 840D系统是西门子公司90年代中期推出的一款纯数字化的高档数控系统 ,也是国内应用于五轴以上  机床的典型系统 ,考虑到其市场的广泛性及品牌的信誉度 ,公司最终选择了840D系统进行改造。并根据相关技术要求进行了系统的配置。具体配置情况见表1所示。

  3.2 自动换刀动作的PLC编程设计

  此次改造使用的是西门子公司的s7.300 PLC模块。在PLC程序设计中 ,自动换刀编程是重要的外围动作设计任务。该加工中心的刀具交换装置采用可双向旋转的盘式刀库 ,通过单臂双爪的机械手用16个步骤将刀库中的刀具装到主轴上   ,每个动作我们都用M代码进行设定 ,如表2所示。

  具体的换刀步骤为:①M42——刀库定位销松开;②M37——根据T代码刀库正转或反转到换刀点;③M43——刀库定位销锁紧;④M32——刀塔向前移动;⑤M40——卡刀器拉开 ,换刀点刀座旋转90度;⑥M34——机械手向刀塔移动 ,左爪握住刀库上  的新刀;⑦M19——主轴定向;⑧M33——机械手向主轴动移 ,右爪抓住主轴上  的旧刀;⑨M44——主轴松刀;⑩M36——机械手臂伸出 ,两爪同时拔出新、旧刀;⑩M38——机械手臂正转(或反转)180度 ,新、旧刀交换;⑥M35——机械手臂退回 ,两爪同时装上  新刀、旧刀;⑩M45——主轴拉刀;⑩M41——卡刀器退回 ,换刀点刀座复位;⑩M46——机械手复位;⑩M31——刀塔向后运动复位。

  为防止某个动作不到位 ,在编程过程中加入了到位信号互锁。另外 ,主轴换档、坐标运动、紧急停止、冷却液开关、转台夹紧、松开等其它动作的PLC编程设计跟一般卧式加工中心的类似 ,在此不再介绍。

3.3 光栅的安装

  光栅是数控系统构成全闭环控制的重要检测反馈元件 ,其安装方式的选择必须注意防止切屑、切削液及油液等的溅落影响。光栅在装配时严禁剧烈震动或敲打 ,以免造成损环。

  (1)安装基面的选择与要求

  不能直接将光栅安装在粗糙不平或打了底漆的床身上  。光栅定尺和滑尺需分别安装在机床相对运动的两个部件上   ,并用千分表检查主尺安装面与导轨运动方向的平行度 ,要求达到0.1mm以内。

  (2)定尺的安装

  将光栅尺的M4螺钉旋入安装面孔内 ,但不要上  紧。用千分表测量定尺平面与机床导轨运动方向的平行度 ,并调整M4螺钉位置 ,使平行度达到0.1mm/1000mm以内。在安装定尺时 ,不能只安装两端 ,还需要在定尺中部进行支撑。

  (3)滑尺的安装

  其安装方法与定尺相似 ,调整使滑尺与定尺平行度在0.1mm/1000mm以内 ,并将滑尺与定尺的间隙控制在1mm~1.5mm之间。

  (4)圆光栅的安装

  圆光栅的输出轴通过弹性联轴器与转台一起旋转。安装时要保证转台的转轴中心线与圆光栅输出轴的中心线及弹性联轴器中心线的跳动在0.1mm以内。

  3.4电机的安装

  由于新旧电机尺寸不一样 ,所以要对电机安装板进行改装 ,即在电机侧的皮带轮内孔镶嵌一个隔套使其与新电机轴匹配。

  3.5 电气的调试

  在光栅、电机等安装完成 ,以及机床所有电气连线连接完毕之后 ,将对机床进行通电调试。先调试好紧急停止、限位开关等重要保护功能 ,再调试其它功能 ,最后调试自动换刀功能。

  3.6 机床参数的设置

  在系统调试初期需要先对轴参数进行设置 ,而各轴需根据实际情况进行配置 ,在此以分别代表直线、旋转、主轴的X、B、SP三类典型轴为例 ,介绍部分轴参数的设置情况 ,如表3所示。


  以上  轴数据设置好以后 ,还要对轴的基本配置参数、回参考点参数、报警监控参数、测量系统参数等进行相应的设置 ,此处就不再详细说明了。

4 改造效果

  (1)通过本次改造 ,使该加工中心增加了许多新的功能如:主轴点动、刚性攻丝、图形模拟、手轮驱动、DNC等 ,使操作变得更加简单、方便。

  (2)采用SIEMENS 840D数控系统与6llD伺服系统 ,构成了全数字式控制系统 ,使MC.B74卧式加工中心的控制性能达到国际先进水平。

  (3)改造前该设备的故障率很高 ,经常长时间的停机修理 ,且维修费用大。本次改造后 ,使得该设备的电气故障率大大降低 ,稳定性显著提高。


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