王海龍 閆秦川 姚敬博

CK3263A數(shù)控轉塔車床是西安航天發(fā)動機廠1993年購買的數(shù)控設備，經(jīng)過多年的使用，機床可靠性和穩(wěn)定性下降，設備CRT不顯示，已經(jīng)無法使用。綜合考慮決定對該設備進行數(shù)控系統(tǒng)升級改造。

一、存在的問題

CK3263A數(shù)控車床系沈陽第三機床廠1991年出產(chǎn)，采用發(fā)那科3T數(shù)控系統(tǒng)。主軸控制器為V57模擬驅動器，主軸電機為直流電機（型號Z4-180-31，功率37kW，轉速3000r/min）。主軸箱變速采用四擋液壓驅動滑移齒輪，速度范圍19～1500r/min，主軸卡盤夾緊松開采用液壓驅動。機床床身導軌采用75°傾斜形式，最大車削直徑630mm。刀架采用12工位水平軸回轉盤式編碼器刀架，卡盤和尾座采用液壓夾緊方式，有排屑器自動排屑功能。直線軸X、Z，X軸配有液壓平衡油缸，各進給軸位置按標準數(shù)控車床坐標標準定義，快進速度X軸8000mm/min，Z軸6000mm/min。X、Z軸為半閉環(huán)控制，測量系統(tǒng)為增量編碼器。X、Z軸均為模擬直流驅動器和直流伺服電機。直流伺服電機力矩34.3N·m，轉速 1000r/min，電流 30A，電壓 130V。

發(fā)那科3T為20世紀80年代后期的產(chǎn)品，系統(tǒng)元器件老化嚴重，連接電纜多，體積大結構復雜，因此突發(fā)故障多，并且該系列已停止生產(chǎn)，機床部件一旦損壞，維修更換都較為困難。模擬直流驅動器和直流電機有零點漂移的缺陷，容易在產(chǎn)品加工中影響產(chǎn)品質量。經(jīng)過多年的使用，滾珠絲杠磨損嚴重，X軸的定位精度0.149mm（出廠標準0.035mm），重復定位精度為0.028mm（出廠標準0.01mm）；Z軸的定位精度0.058mm（出廠標準0.04mm），重復定位精度為0.023mm（出廠標準0.01mm），Z軸快進時局部有抖動。主軸控制器為V57模擬驅動器，模擬信號容易受到干擾，驅動器本身由多層電路板組成，故障率高，維修困難。設備CRT不顯示，已經(jīng)無法使用。

二、選型與改造

根據(jù)設備使用要求和原配置使用狀況，經(jīng)過市場現(xiàn)狀調研與分析，本著有針對性與實用性、經(jīng)濟性與可靠性的原則，認為西門子數(shù)控系統(tǒng)性能先進可靠、市場占有率高，操作界面容易熟悉，最終選擇了西門子802D數(shù)控系統(tǒng)，它是車床類通用型控制機，具有結構緊湊、體積小、精度高等特點，并且價格合理，完全可以滿足設備使用與控制功能的需要。

1.數(shù)控系統(tǒng)特點及功能

（1）西門子數(shù)控SINUMERIK 802D系統(tǒng)是專門為中國市場而開發(fā)的經(jīng)濟型CNC控制系統(tǒng)，全數(shù)字化結構，通過PROFIBUS總線連接，不但結構緊湊、電纜減少、可靠性好，驅動系統(tǒng)剛性強，而且操作界面簡單友好，驅動單元通過SimoComU軟件實現(xiàn)電流環(huán)和速度環(huán)的優(yōu)化，沒有零點漂移的缺陷。

（2）在位置控制中定位精度高，在速度環(huán)控制中調速精度高，抗負載擾動的能力強，即靜態(tài)和動態(tài)速降小，保證了數(shù)控機床的定位精度、加工精度、零件加工質量和提高了效率。

（3）西門子802D除了有較高的定位精度外，還有良好的快速響應特性及前饋功能，即跟蹤指令信號的響應較快，位置跟蹤誤差（位置跟蹤精度）較小，保證了輪廓切削形狀精度和加工表面質量。

（4）伺服系統(tǒng)調速范圍寬，為 0.3～3000mm/min（1∶10，000）。

（5）西門子伺服系統(tǒng)在低速進給時有大的轉矩輸出，轉矩波動小，速度平穩(wěn)無爬行，適合機床在低速時進行重切削的要求。

（6）1FK7交流伺服電機是西門子新一代緊湊型高效電機，具備相當?shù)募铀倌芰洼^低的固有轉動慣量，可以在很短的時間內實現(xiàn)極端工作負載循環(huán)，實現(xiàn)快速定位和啟停，從而保證速度環(huán)和位置環(huán)的完美曲線軌跡。

圖1 進給伺服的半閉環(huán)控制

圖2 數(shù)控系統(tǒng)硬件配置與組成

（7）數(shù)控系統(tǒng)主要功能：直線、圓弧、螺旋插補、三軸聯(lián)動、通過外部DNC執(zhí)行程序、手動/自動/單步/MDI等多種運行方式，標準的G、M、T功能，可編程的零點偏置、進給率F連續(xù)可調（0%～120%）、刀具半徑補償、長度、磨損補償、倒直角/倒圓角功能、前饋功能（Look ahead，10 blocks）、極坐標編程功能、FRAME 功能（比例、縮放、旋轉、鏡像）、固定鉆削、車削循環(huán)、兩極軟限位、參數(shù)編程、子程序調用、反向間隙和螺距誤差補償功能、報警文本功能、PLC的面板顯示、通過RS232接口與PC機通信功能、中文菜單、數(shù)據(jù)保護功能。

2.電氣部分改造

（1）拆除原發(fā)那科3T數(shù)控系統(tǒng)。采用西門子全數(shù)字SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)，HMI10.4英寸液晶顯示屏，通過PROFIBUS總線實現(xiàn)PCU-PP72/48-SIMODRIVE之間的通信，輸入輸出通過PP72/48模塊實現(xiàn)。更新的數(shù)控系統(tǒng)功能按標準車床版配置，并且批量加工能滿足工藝的節(jié)拍和精度要求。

（2）拆除原主軸驅動器驅動，更換為英國歐陸590P全數(shù)字DC主軸驅動器（CHHE DCZ510-400V/190A直流主軸驅動裝置），保留原主軸直流電機。

（3）拆除原所有X、Z軸驅動器和電機。采用西門子SIMODRIVE 611UE全數(shù)字驅動器，配備西門子最新推出的高性價比的1FK7系列電機，X、Z軸仍為半閉環(huán)控制，電機端的編碼器反饋速度和位置信號如圖1，X、Z直線軸快進速度不低于8000mm/min、6000mm/min。控制和聯(lián)動軸數(shù)均為2軸。電機參數(shù)：X軸為 36N·m和 3000r/min（帶抱閘），Z軸為 36N·m和3000r/min。

（4）增裝日本產(chǎn)移動式手持單元，方便操作者準確對刀。換裝1024線主軸編碼器，增裝RS232接口及通信程序和通信電纜。

（5）重新設置機床參數(shù)和編制機床運動的PLC程序，保留電控柜，更換所有低壓器件。所有電氣布線符合國家相關標準（GB4064），布線合理、安全、美觀并具備足夠的抗干擾能力。數(shù)控系統(tǒng)硬件配置與組成如圖2。

3.機械部分改造

（1）保留原主軸的液壓驅動滑移齒輪換擋（4擋）及原卡盤的液壓夾緊工作方式、原主軸箱的垂向（Z軸）液壓平衡功能、原刀架本體。

（2）拆除原X、Z軸的滾珠絲杠，換裝臺灣上銀科技公司產(chǎn)精度等級三級的滾珠絲杠。有效行程不小于350mm和1000mm，精確尺寸合格。

（3）檢修主軸齒輪箱，更換損壞的傳動部件。檢查并調整液壓系統(tǒng)的缸體、閥及管路，更換所有液壓電磁閥。增裝南京貝奇爾可調流量和間隔式自動潤滑泵V-III（通過PLC實現(xiàn)）。

（4）更換損壞的機床回零開關和限位開關,并具備防水和防金屬屑功能。拆除原操作面板及操作箱，根據(jù)新系統(tǒng)設計并安裝HMI、MCP 及操作箱。

三、改造效果

（1）用西門子全數(shù)字SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)替換發(fā)那科3T系統(tǒng)，通過PROFIBUS總線連接，不但具有結構緊湊、電纜減少、可靠性好、驅動系統(tǒng)剛性強的特點，而且操作界面簡單友好，驅動單元通過SIMOCOMU軟件實現(xiàn)電流環(huán)和速度環(huán)的優(yōu)化，沒有零點漂移的缺陷，新系統(tǒng)含概原系統(tǒng)所有功能。

（2）用歐陸590P全數(shù)字DC主軸驅動器替換V57模擬驅動器，使主軸的穩(wěn)定性大幅提高，故障率降低。

（3）更換X、Z軸滾珠絲杠，使兩運動軸的幾何精度達到設備原出廠標準。

（4）檢修主軸齒輪箱和轉塔刀架，調整液壓系統(tǒng)后，主軸和刀架比改造前運轉靈活穩(wěn)定。

（5）該設備自2006年5月改造使用至今，運轉正常、工作穩(wěn)定，達到設備出廠和科研生產(chǎn)要求，生產(chǎn)出了合格產(chǎn)品，工作效率和產(chǎn)品質量得到了提高。

（6）該設備原值78.5萬元，設備改造費用為18萬元，改造投資比例為23%。設備增值后的資產(chǎn)值（設備凈資產(chǎn)加上改造投資）遠低于購買相同類型數(shù)控機床的投資額，且由于投入使用以來設備故障率大幅下降，從而使生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量均有了較大提高，取得了良好的投資效益。

現(xiàn)有工業(yè)企業(yè)中有很大數(shù)量的早期數(shù)控設備由于數(shù)控系統(tǒng)老化、過時等原因而不能被充分利用，其中部分企業(yè)存在著資金短缺的現(xiàn)狀。因此，以延長設備使用壽命和提高精度及穩(wěn)定為出發(fā)點的數(shù)控設備改造就顯得尤為重要。正確選用好數(shù)控系統(tǒng)，降低改造成本和追求改造綜合效能最佳是企業(yè)的目標。

W10.01-23