張建

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院二分廠，河南洛陽(yáng) 471009）

米克朗UCP系列5軸加工中心換刀系統(tǒng)改造

張建

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院二分廠，河南洛陽(yáng) 471009）

分析換刀系統(tǒng)電氣及機(jī)械設(shè)計(jì)原理，找出米克朗UCP系列加工中心換刀系統(tǒng)故障率偏高的原因。通過(guò)3種維修方案的對(duì)比，確定選擇加裝變頻器的改造方案。項(xiàng)目實(shí)施后，機(jī)床換刀振動(dòng)和刀庫(kù)故障減少，節(jié)省維修費(fèi)用。

5軸加工中心；換刀系統(tǒng)；變頻器

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.54

0 概述

米克朗UCP系列5軸加工中心采用海德漢iTNC530數(shù)控系統(tǒng)，該機(jī)床是專為滿足工業(yè)模具、航天和賽車業(yè)要求而設(shè)計(jì)的多軸、高精度零件加工機(jī)床。

1 米克朗UCP系列加工中心換刀系統(tǒng)簡(jiǎn)介

UCP系列加工中心采用盤式刀庫(kù)，通過(guò)手動(dòng)裝載刀具，在加工進(jìn)程中換刀系統(tǒng)處于準(zhǔn)備狀態(tài)。垂直軸通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)移動(dòng)到換刀位置，然后抓取刀具。刀具切屑端朝下存儲(chǔ)在刀盤上，這樣可防止鐵屑、切屑液等污染主軸抓刀錐孔。在加工過(guò)程中，自動(dòng)防護(hù)門關(guān)閉，使換刀系統(tǒng)與加工區(qū)域隔離，防止刀具及換刀系統(tǒng)被鐵屑及切屑液污染。

2 換刀原理

2.1 換刀流程

UCP系列加工中心的換刀流程：操作人員輸入換刀指令后，數(shù)控系統(tǒng)CNC接到請(qǐng)求刀號(hào)信號(hào)，控制PLC的O11輸出信號(hào)，K602繼電器線圈上電，其常開觸點(diǎn)吸合給M600供電使其正向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)大導(dǎo)程的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺母做直線運(yùn)動(dòng)，從而將刀盤推出刀庫(kù)，同時(shí)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)推開刀庫(kù)門，B638接近開關(guān)檢測(cè)刀盤前進(jìn)后退位置是否到位，同時(shí)刀盤上的刀夾夾緊主軸上的刀具，數(shù)控系統(tǒng)控制主軸松刀并上移。然后CNC根據(jù)目標(biāo)位置和現(xiàn)在位置確定最短路徑旋轉(zhuǎn)方向，隨后通過(guò)伺服放大器A501驅(qū)動(dòng)電機(jī)M611旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)刀盤驅(qū)動(dòng)減速器轉(zhuǎn)變?yōu)榈侗P的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),刀盤的角度位置信息通過(guò)編碼器精確地反饋給數(shù)控系統(tǒng)，判斷刀盤旋轉(zhuǎn)是否使指定刀號(hào)達(dá)到換刀位置。指定刀號(hào)達(dá)到換刀位置后，主軸移動(dòng)到抓刀位抓取刀具，PLC的010輸出信號(hào)，控制M600反轉(zhuǎn)，把刀盤拉進(jìn)刀庫(kù)并關(guān)閉刀庫(kù)門，完成換刀動(dòng)作。

2.2 換刀系統(tǒng)布局

圖1 換刀系統(tǒng)布局

換刀系統(tǒng)部件如圖1所示，刀盤驅(qū)動(dòng)減速器、刀盤旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)M611、刀庫(kù)前進(jìn)/后退到位檢測(cè)開關(guān)B638、驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)前進(jìn)/后退交流異步電機(jī)M600分布在刀庫(kù)中，刀庫(kù)零點(diǎn)開關(guān)B637、換刀位刀具檢測(cè)開關(guān)B611、刀具監(jiān)測(cè)開關(guān)B630分布在刀盤底部及前方。

2.3 控制系統(tǒng)原理及電氣圖

控制系統(tǒng)主要包括人機(jī)交互界面MMC、海德漢數(shù)控系統(tǒng)CNC、可編程邏輯控制器PLC、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和檢測(cè)開關(guān)等（圖2）。系統(tǒng)采用集中控制方式，控制系統(tǒng)的核心為CNC與PLC,由人機(jī)界面發(fā)出換刀信號(hào)，經(jīng)CNC及PLC運(yùn)算處理后，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤做前進(jìn)、后退以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，后經(jīng)接近開關(guān)把信號(hào)反饋給 LC，PLC負(fù)責(zé)處理信號(hào)的邏輯關(guān)系，從而控制刀盤的準(zhǔn)停。

圖2 控制系統(tǒng)原理

換刀系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電氣圖如圖3所示，換刀系統(tǒng)檢測(cè)電氣圖如圖4所示。

圖3 換刀系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)

3 換刀系統(tǒng)存在的問(wèn)題

UCP系列加工中心近7年故障維修統(tǒng)計(jì)如圖5所示，刀庫(kù)及換刀故障相比于其他類型故障數(shù)量最多。產(chǎn)生這些故障的主要原因是換刀過(guò)程產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)造成位置檢測(cè)開關(guān)B611和 B630檢測(cè)不到信號(hào)或者造成刀庫(kù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械損壞。因此需要找出換刀系統(tǒng)振動(dòng)大的原因然后對(duì)換刀系統(tǒng)的故障進(jìn)行維修，解決換刀過(guò)程振動(dòng)大的問(wèn)題。

圖4 換刀系統(tǒng)檢測(cè)

圖5 UCP系列故障統(tǒng)計(jì)

4 換刀系統(tǒng)振動(dòng)大的原因

驅(qū)動(dòng)螺桿如圖6所示，整個(gè)機(jī)構(gòu)由一部三相交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺母做直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)刀盤的進(jìn)出移動(dòng)。

式中：v——速度，m/sP——螺桿導(dǎo)程,mn——電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min

從式（1）可以看出，在電機(jī)恒定轉(zhuǎn)速下，螺桿導(dǎo)程越小，刀盤直線移動(dòng)速度越低。螺桿的設(shè)計(jì)就是根據(jù)這一原理，使其導(dǎo)程角漸變式呈現(xiàn)兩端小、中間大的特征，從而實(shí)現(xiàn)刀盤直線移動(dòng)的加減速運(yùn)動(dòng)，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)刀盤直線運(yùn)動(dòng)的減速制動(dòng)功能。

隨著機(jī)床役齡的增長(zhǎng)，螺桿兩端的小導(dǎo)程角螺紋逐漸被磨損，導(dǎo)致刀盤在移動(dòng)結(jié)束的瞬間都是機(jī)械上硬性撞擊減速停止的，沒(méi)有任何緩沖裝置，具體表現(xiàn)為換刀過(guò)程中的巨大振動(dòng)和聲響，損壞機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)，影響換刀檢測(cè)開關(guān)信號(hào)的穩(wěn)定性，增加機(jī)床換刀系統(tǒng)的故障率。根據(jù)式（1）計(jì)算，在忽略所有阻力的理想狀態(tài)下刀盤撞擊前移動(dòng)速度為9 m/s。

5 改造方案和實(shí)施

5.1 可選方案

圖6 驅(qū)動(dòng)螺桿在換刀過(guò)程中，刀盤直線移動(dòng)速度

3個(gè)可選方案：①更換螺桿備件；②采用減速電機(jī)或低速電機(jī)替換原有電機(jī)來(lái)降低速度；③利用變頻器控制電機(jī)的加速減速曲線并配合變頻器的智能剎車控制（表1）。

表1 可選方案

5.2 方案對(duì)比及選擇

在上述3種方法中，第一種不用改動(dòng)電氣控制，但是螺桿備件采購(gòu)周期約2～3周，需要進(jìn)行機(jī)械拆卸及裝配，拆卸并更換螺桿維修工時(shí)約2～3個(gè)工作日，沒(méi)有可調(diào)性；第二種采用減速電機(jī)的方法，雖然有成熟的電機(jī)可以直接替換，但是需要重新設(shè)計(jì)連接緊固機(jī)構(gòu)，周期也相對(duì)較長(zhǎng)，也沒(méi)有可調(diào)性；第三種利用變頻器設(shè)置基本頻率和柔性加減速參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，此方法在機(jī)械上不需改動(dòng)、電路上不需增加其他器件，只需將原繼電器控制的線路接到變頻器的輸入輸出，正反轉(zhuǎn)控制線路則接到原正反轉(zhuǎn)控制接觸器的輔助觸點(diǎn)。

通過(guò)比較不難發(fā)現(xiàn)，加裝變頻器的方案有實(shí)施周期短、備件費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)單、有可調(diào)整性等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此選擇利用變頻器來(lái)實(shí)施改造方案。

5.3 方案實(shí)施及效果

變頻器型號(hào)選擇為臺(tái)達(dá)VFD-M，安裝實(shí)景（圖7）。繼電器的控制線路接到變頻器的輸入輸出，原正反轉(zhuǎn)控制繼電器的輔助觸點(diǎn)接到變頻器正反轉(zhuǎn)信號(hào)。

圖7 變頻器安裝實(shí)景

反復(fù)調(diào)試設(shè)置最終確定主頻率為25.6 Hz，加速時(shí)間P10為0.5 s，減速時(shí)間P11為1 s，電機(jī)停車方式P02為00（恒減速剎車方式），主頻率設(shè)定源P00為04（由數(shù)字操作器上的旋鈕設(shè)定），停止時(shí)直流制動(dòng)時(shí)間0.5 s，因?yàn)榭刂频碾姍C(jī)為永磁機(jī)，永磁電機(jī)不存在勵(lì)磁線圈，所以控制模式P105設(shè)置為00（V/F控制、標(biāo)量控制）。

通過(guò)此改造項(xiàng)目之后，機(jī)床換刀過(guò)程中刀盤直線運(yùn)動(dòng)最大速度降低為4.5 m/s，通過(guò)恒減速剎車方式使刀盤在接近兩端終點(diǎn)時(shí)速度降低至0，因此換刀過(guò)程振動(dòng)大大減輕，機(jī)床刀庫(kù)故障率降低。

TH17

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〔編輯 吳建卿〕