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加工中心的數控化升級改造
日期：2010年01月14 來源：沈陽第一機床廠 關鍵字：加工中心
MCl600加工中心概述
某企業的一臺MCl600臥式鏜銑加工中心是1997年從德國進口的二手設備，該設備是匈牙利20世紀80年代生產的產品。由于使用時間久，在使用時經常出現突然停機、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備老化的問題，嚴重影響了企業的正常生產。在維修的過程中，配件維修費用昂貴給企業造成了很大的負擔，因此對該機床進行數控化升級改造，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
該加工中心數控系統采用的是西門子850數控系統。對控制系統的要求：
1)系統需要實現四軸聯動，加工中心以及任意兩軸或三軸聯動。
2)為保證機床定位精度和加工精度，搖臂鉆床要求系統最小設定單位為lpm。
3)重復定位精度為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備上，使其有多種工藝手段。它與數控車床、數控鏜銑床相比，結構較復雜，系統功能較多，因此控制技術也較復雜。市場上現有的加工中心大多是采用直流／交流伺服電動機作為驅動部件，價格昂貴，在中小企業中難以普及。
在對加工中心的數控化更新改造之前，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，它的結構尺寸和形狀、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，因此只對數控系統和電氣系統改造。隨著計算機和數控技術的發展，采用工業控制計算機和Windows操作系統作為數控系統的硬、軟件平臺越來越受各企業的歡迎，所以，在改造時也要根據實際情況選擇合適電氣元件、數控系統以及驅動單元。
MCl600加工中心改造的主要工作：
1)數控系統及伺服驅動單元、加工中心電動機的更換，根據數控系統的特點和機床的要求，調整系統參數。
2)根據機床操作及運動要求編制PLC控制程序，使數控系統、搖臂鉆床伺服系統與機床其他部分之間協調一致地工作。
3)電氣控制系統設計。
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和進給系統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X、Y、Z、B四個軸聯動。由于配套了新的數控系統以及驅動單元，原來的電動機已不合用，根據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。
電動機根據改造后的功率要求進行選擇，依加工中心據設計功率大于主傳動功率的原則，在此全部選交流數字伺服電動機。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，伺服軸驅動單搖臂鉆床元(FDD)：全數字控制模塊，外部測量系統，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；主軸驅動單元(MSD)：全數字控制模塊，外部測量系統，電壓信號，型號：6SNll23—1AAOO--OCAl。
CNC系統的選擇和連接
1．數控系統的選型
SINUMERIK 840D是20世紀90年代后期的全數字化高度開放式數控系統，具有高度模塊化及規范化的結構，它將CNC和驅動控制集成在一個板塊上，將閉環控制的全部硬件和軟件集成在lcm2的面積上，便于編程、操作和監控。根據以上特點，選擇了西門子的SINUMERIK 840D數控系統和SIMODRIVE 611D驅動單元。SINUMERIK 840D與SIMODRIVE 611D伺服驅動模塊及西門子S7—300PLC加工中心模塊構成的全數字數控系統，搖臂鉆床能實現鉆削、車削、銑削、磨削等數控功能，也能應用于剪切、沖壓、激光加工等數控加工領域。
SINUMERIK 840D數控系統的主要特點：采用32位微處理器實現CNC連續軌跡控制，內部繼承PLC。該系統功能最多可控制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(手動過程數據輸入)。SINUMERIK 840D的插補功能可實現樣條插補、三階多項式插補、控制值互聯和曲線表插補。這些插補功能為加工各類復雜曲面提供了有利條件。在刀具補償方面，可根據用戶程序進行輪廓的沖突檢測、刀具半徑補償的接近和退出及交點計算、刀具長度補償、螺距誤差補償和測量系統誤差補償、反向間隙補償、過象限誤差補償等。NC編程符合DIN66025標準，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加工中心數控系統是本次改造中選擇的理想系統。它主要由CNC、MDI／CRT單元及驅動器組成。由SINUMERIK 840D數控系統說明書可知，該系統技術參數包括：CNC硬件是840DE，型號是6FC5357—0BB21一OAEO，10軸控制，256KBRAM內存，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據輸入、輸出，還可以通過預先設置的軟極限開關進行工作區域的限制，當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．系統的參數設定
SINUMERIK 840D是一個開加工中心放性很強的數控系統，因而它的參數很多。它的控制參數是由機床數據(MD)與設定數據(SD)組成。機床數據(MD)主要由通用、特別通道和特別軸等機床數據組成；設定數據(SD)由通用、特別軸和特別通道設定數據組成。SINUMERIK 840D參數調整就是對這些數據進行調整。搖臂鉆床下面就根據MCl600加工中心對通用機床數據和特別軸機床數據中要設定的主要數據進行分析設定。
(1)通用機床數據的設定
MDl0000用于定義機床軸名稱：X1、Y1、Z1、B1、WI、Q1、C1；
MDl0050定義系統循環時間：0．004s；
MDl0350用于定義快速輸入點的數值：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定義刀庫中刀具數量：60。
修改MDl8000后面的通用加工中心機床數據時，會造成DRAM區的重新分配，致使數據丟失。因此在對此類數據修改完成后，要先存檔，存檔之后再加載，系統就會自動進行數據分配。
(2)特別軸機床數據的設定
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表示時為數字方式)；
MD30240設定測量系統的類型：X二Y；Z二B二W：Q：C：1(1表示增量測量系統)；
MD30300定義軸是旋轉軸還是直線軸：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定義編碼器每轉脈沖數；
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備的連接。電源模塊向NCU提供24V工作電壓，也向611D各驅動軸模塊提供600V直流母線電壓。電源模塊上X351端口通過NCU模塊上X172端口和各驅動模塊上X151、X351端口，將各模塊的系統數據控制總線連接起來。NCU上X130端口是電動機驅動器611D的輸入、輸出擴展端口，通過扁平電纜將驅動總線與各個驅動模塊連接起來，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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