楊克，關(guān)尚軍

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林132021)

導(dǎo)盤機(jī)床是一種專用金屬切削機(jī)床，主要用于熱軋無縫鋼管生產(chǎn)線上的導(dǎo)盤加工。導(dǎo)盤工作面的加工精度直接影響無縫鋼管的表面質(zhì)量。我國原有的普通導(dǎo)盤機(jī)床傳統(tǒng)的工件人工夾緊方式及手動(dòng)推動(dòng)主軸進(jìn)給和分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已經(jīng)不能滿足導(dǎo)盤加工的高效、精密、自動(dòng)化的技術(shù)要求。為此，作者自主研發(fā)了導(dǎo)盤數(shù)控機(jī)床。導(dǎo)盤數(shù)控機(jī)床是在傳統(tǒng)工藝及加工原理基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)盤機(jī)床進(jìn)行的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該機(jī)床實(shí)現(xiàn)了工件的自動(dòng)夾緊，液控伸縮式主軸和整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 數(shù)控導(dǎo)盤機(jī)床總體設(shè)計(jì)和傳動(dòng)原理

數(shù)控導(dǎo)盤機(jī)床是在傳統(tǒng)工藝及加工原理基礎(chǔ)上對(duì)普通導(dǎo)盤機(jī)床進(jìn)行的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。該機(jī)床主要由底座、主驅(qū)動(dòng)單元、刀具進(jìn)給單元、電控單元、液壓夾緊單元組成，可實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)動(dòng):

(1)主運(yùn)動(dòng):主軸驅(qū)動(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);

(2)進(jìn)給運(yùn)動(dòng):刀架橫向和縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

機(jī)床傳動(dòng)原理如圖1所示。操作人員安裝上導(dǎo)盤工件6 后，液壓夾緊機(jī)構(gòu)7 進(jìn)行夾緊。主軸油缸11通過結(jié)合子10 驅(qū)動(dòng)主軸8 連接到工件6。主電機(jī)1 帶動(dòng)減速器9 旋轉(zhuǎn)，通過主軸帶動(dòng)導(dǎo)盤工件6 旋轉(zhuǎn)，完成主傳動(dòng)。伺服電機(jī)2、4 通過數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)刀具縱向、橫向進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)盤工件的加工。

機(jī)床控制原理如下:

圖1 機(jī)床傳動(dòng)原理圖

(1)控制單元采用西門子802C 數(shù)控操作系統(tǒng)，性能穩(wěn)定、故障率低。

(2)液壓系統(tǒng)采用經(jīng)典設(shè)計(jì)，增加自動(dòng)保壓、停機(jī)、重啟功能，降低系統(tǒng)的能耗，提高了系統(tǒng)的使用壽命。

(3)刀具縱向、橫向進(jìn)給采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，由西門子交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。滾珠絲杠結(jié)合矩形導(dǎo)軌的傳動(dòng)方式，提高了加工精度。

(4)主軸油缸運(yùn)動(dòng)將滑軸前端齒與導(dǎo)盤內(nèi)齒嚙合后，電機(jī)在交流變頻器驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)導(dǎo)盤旋轉(zhuǎn)，完成主傳動(dòng)。

(5)轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)接合部分的潤滑采用定時(shí)間歇式自動(dòng)潤滑的方式。

2 電氣控制系統(tǒng)

該機(jī)床采用西門子802C 數(shù)控操作系統(tǒng)控制2個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)給軸和1 個(gè)變頻主軸。X 軸選27 NM電機(jī)，Z 軸選27 NM 電機(jī)，主軸選37 kW 的變頻電機(jī)。主軸驅(qū)動(dòng)為富士的變頻器單元。西門子802C系統(tǒng)是西門子公司為中國用戶提供的高性能價(jià)格比的數(shù)控系統(tǒng)。802C 系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)操作面板，NC 單元，PLC，機(jī)床控制面板，輸入/輸出單元(I/O 32 點(diǎn)輸入、16 點(diǎn)輸出)組成。導(dǎo)盤機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制原理如圖2。

圖2 導(dǎo)盤機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制原理結(jié)構(gòu)圖

3 PLC 的調(diào)試

西門子802C 系統(tǒng)內(nèi)置PLC，采用PC/PG 編程工具。該機(jī)床采用32I/16O 輸入輸出模塊，額定電壓為直流24 V，輸出負(fù)載電流最大0.5 A，最多可接該類型模塊4 塊，即最多可擴(kuò)展至64 點(diǎn)輸入和64 點(diǎn)輸出，它們與ECU 共用24 V 電源，PLC 模塊和ECU 模塊由專門的電纜相連接。設(shè)備的輸入、輸出點(diǎn)較多，達(dá)到了最多的點(diǎn)數(shù)。因輸出負(fù)載電流不能滿足交流接觸器的需要，所以PLC 只能直接驅(qū)動(dòng)小型中間繼電器，小型中間繼電器再驅(qū)動(dòng)交流接觸器。在編制PLC的應(yīng)用程序時(shí)，以西門子提供的PLC 程序?yàn)榭蚣?，在其基礎(chǔ)上添加一些所需的PLC 子程序，例如:工件夾緊，主軸伸出等。

4 數(shù)控調(diào)試

4.1 安裝初始文件

在制造商口令下，通過工具盒中的通訊軟件PCIN，下載初始文件(Setup_ T.ini)。

4.2 機(jī)床數(shù)據(jù)(MD30000—MD38999)

軸類機(jī)床數(shù)據(jù)是對(duì)機(jī)床坐標(biāo)各通道軸速度大小、方向和定位，數(shù)控機(jī)床保護(hù)，誤差補(bǔ)償?shù)葏?shù)的設(shè)定。

4.2.1 設(shè)置回參考點(diǎn)參數(shù)

回參考點(diǎn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 回參考點(diǎn)參數(shù)設(shè)置

4.2.2 設(shè)置軟限位

為了保證不因?yàn)檎`操作而導(dǎo)致?lián)p壞機(jī)床，必須設(shè)置一些軟限位保護(hù)，如:

MD36100 軸負(fù)向軟限位值

MD36110 軸正向軟限位值

5 數(shù)控程序

該數(shù)控導(dǎo)盤機(jī)床采用西門子802C 數(shù)控系統(tǒng)。選用半徑為R10 的圓頭車刀，切削加工時(shí)，由于刀具半徑的存在，刀具中心軌跡和工件輪廓不重合，機(jī)床實(shí)際控制的是刀具的中心軌跡，因而按刀心軌跡進(jìn)行編程，把導(dǎo)盤加工軌跡偏移一個(gè)半徑值所得的軌跡即為刀心軌跡。每次磨損而需要修復(fù)的導(dǎo)盤，因磨損情況而定，少走一刀就會(huì)降低一定的成本，為此編制了專用的加工程序。圖3所示為導(dǎo)盤工件圖。

圖3 導(dǎo)盤工件圖

加工該導(dǎo)盤程序如下:

G95(指定進(jìn)給為mm/r)

G90 M03 S12 T1D1

G04 F20(暫停20 s，等待主軸轉(zhuǎn)速恒定)

G54

G00 X10 Z0 F1.2(快速進(jìn)刀定位)

G01 X0 Z0(到達(dá)點(diǎn)a)

G01 X0 Z－7.89(從點(diǎn)a 到點(diǎn)b)

G02 X－37.72 Z－44 CR=44(加工半徑為44 的圓弧即從點(diǎn)b 到點(diǎn)c)

G02 X－22.76 Z－72.49 CR =58(加工半徑為58 的圓弧即從點(diǎn)c 到點(diǎn)d)

G01 X－22.76 Z－77(從點(diǎn)d 到點(diǎn)e)

G01X－22.76 Z－78

G00 X30 Z0(退刀)

M02(程序停止)

6 結(jié)論

西門子802C 系統(tǒng)是高性能價(jià)格比的數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控導(dǎo)盤機(jī)床控制單元采用西門子802C 數(shù)控操作系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，故障率低。機(jī)床的重復(fù)定位精度達(dá)到0.008 mm，表面粗糙度達(dá)到Ra1.6 μm。提高了導(dǎo)盤的加工質(zhì)量和加工效率。該機(jī)床獲得了國家實(shí)用新型專利，已投入批量生產(chǎn)，應(yīng)用于無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)，并為生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造出了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

【1】劉懷興，夏田.數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

【2】高楓，肖衛(wèi)寧.數(shù)控車削編程與操作［M］.北京:高等教育出版社，2005.

【3】張超英，謝富春.數(shù)控編程技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

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【5】西門子股份公司.SINUMERIK 802C 車床操作編程手冊(cè)［M］，2009.

【6】羅學(xué)科，謝富春.數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

【7】數(shù)控技能教材編寫組.數(shù)控車床編程與操作［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2005.

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