豐衛(wèi)東

(中車長江車輛有限公司，湖南 株洲 412003)

近年來，對于中車長江車輛有限公司早期引進的數(shù)控車輪鏜床(美國)，由于其控制系統(tǒng)[1]、伺服系統(tǒng)的元器件及機械部件磨損逐漸失效，故障率大幅提升，而這些備件大多已用完，廠家也早已停產(chǎn)，一旦機床出現(xiàn)故障元器件損壞，往往導致機床長時間停機并停產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟損失。為解決這一問題，本公司對數(shù)控車輪鏜床(美國)進行了國產(chǎn)化應用及改造，并獲得了成功。

1 數(shù)控車輪鏜床(美國)簡介

數(shù)控車輪鏜床(美國)是中車長江車輛有限公司株洲分公司從美國西蒙斯(Simmos Machnetool Corpation)公司引進的加工車輪輪轂孔的專用機床。該設備結(jié)構(gòu)緊湊，加工效率高。其中，電子鏜桿是西蒙斯公司國際專利技術，是一種較為先進的專業(yè)加工設備。該設備安裝運行后，株洲分公司新造貨車輪餅80%都在該設備上加工完成，是分公司關特重設備之一。

1.1 數(shù)控車輪鏜床(美國)的結(jié)構(gòu)與運動形式

數(shù)控車輪鏜床(美國)主要由機床床身，旋轉(zhuǎn)工作臺，電子鏜桿，粗、精加工刀頭等組成(見圖1)。

數(shù)控車輪鏜床(美國)的運動形式有如下3種：1)工作臺作旋轉(zhuǎn)運動；2)電子鏜桿作上下直線運動；3)電子鏜桿上安裝的粗、精刀頭作橫向伸縮運動。

圖1 數(shù)控車輪鏜床(美國)的結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)控車輪鏜床(美國)的電氣控制

1.2.1 工作臺

由西門子驅(qū)動器6RA7075-6FV62-0-Z(非標定制)驅(qū)動直流電動機(NSTRUCTIONT CD500AT)，再通過機械裝置連接帶動工作臺作旋轉(zhuǎn)運動，由PLC上的伺服模塊發(fā)出速度指令。可通過改變觸摸屏上參數(shù)和轉(zhuǎn)換操作面板上的倍率開關調(diào)整轉(zhuǎn)速。

1.2.2 電子鏜桿

電子鏜桿的上下直線運動是通過液壓系統(tǒng)完成的，由液壓伺服比例閥UEIK-11RS進行控制，安裝在床身上的拉線式編碼器BEI XH25D-SS-600-ABZC-4469-SM18直接檢測鏜桿上下運動的位移量，屬于全閉環(huán)控制[2]，其中液壓伺服比例閥的驅(qū)動器由PLC上的伺服模塊發(fā)出控制信號，電子鏜桿最下端裝有一個激光傳感器BANNER QS30L，用來進行激光測距，檢測車輪輪孔深度。

1.2.3 粗、精刀頭

電子鏜桿內(nèi)裝的粗、精刀頭同軸并同時做橫向伸縮運動，由電子鏜桿內(nèi)的直流伺服電動機PERMANENT MAGNET SERVO MOTOR PART NO 1050 DC控制。伺服電動機上的編碼器間接反映了刀頭的位移量，屬半閉環(huán)控制。伺服電動機轉(zhuǎn)動由PLC上的伺服模塊發(fā)出指令。

1.2.4 觸摸屏和操作面板

觸摸屏ABB-Pamelview 600安裝了西蒙斯公司鏜床的專用軟件，可實現(xiàn)加工參數(shù)的更改、加工過程的監(jiān)控和報警信息的顯示等功能。

操作面板可實現(xiàn)電源的通斷，液壓泵電動機的起停，工作臺夾緊、松開，工作臺、電子鏜桿及刀頭運動的手動控制，工作方式選擇，緊急停止，工作臺與電子鏜桿運動速度控制(倍率開關)等功能。

1.2.5 PLC(ABB-SLC500TM)

PLC[3]是數(shù)控車輪鏜床(美國)電氣控制的核心和大腦，采用Rockwell公司的SLC-500[4]PLC，內(nèi)裝有西蒙斯公司的鏜床專用程序。其主要有邏輯控制[5]、邏輯計算、模擬量輸出、反饋量的計算和通信等功能，功能模塊有電源模塊、CPU模塊、通信模塊、伺服模塊和I/O模塊。

2 車輪輪轂孔的加工

數(shù)控車輪鏜床(美國)加工車輪輪轂孔示意圖如圖2所示。

圖2 數(shù)控車輪鏜床(美國)加工車輪輪轂孔示意圖

一個自動循環(huán)加工輪餅的所有步驟如下：1)機床通電，起動油泵電動機，電子鏜桿回零；2)機械手上料(輪餅)，工件夾緊；3)輸入加工參數(shù)，調(diào)整好倍率開關，選擇自動模式，啟動自動循環(huán)；4)工作臺旋轉(zhuǎn)運動，電子鏜桿快速下行，激光傳感器開始工作；5)當激光傳感器掃描到輪轂上沿收到反射信號時，激光傳感器發(fā)出ON信號，PLC以此為初始值開始計數(shù)，當激光掃描到輪轂下沿，發(fā)出OFF信號后，由此PLC計算車輪輪轂孔上下平面距離即車輪輪轂孔深度，得出下倒角R3的位置值，并賦予到PLC中加工下倒角R3程序的參數(shù)中；6)粗鏜刀橫向運動到指定位置后鏜桿下行，進行粗鏜切削加工；7)精鏜刀橫向運動到指定位置后鏜桿下行，進行精鏜切削加工；8)根據(jù)激光傳感器掃描數(shù)值計算得出的下倒角R3的位置值，進行車輪輪轂孔下倒角R3的加工；9)進行輪轂上倒角R3的加工；10)電子鏜桿返回原點，工作臺停止旋轉(zhuǎn)運動。

3 數(shù)控車輪鏜床(美國)存在的問題

采用數(shù)控車輪鏜床存在的問題如下。

1)設備采用激光頭檢測車輪輪轂孔上下平面，然后計算得出車輪輪轂孔深度值，但實際使用中測量深度值與實際值不符，且影響因素因條件限制無法消除。該問題造成加工車輪輪轂孔下倒角R3時加工尺寸不穩(wěn)定[6]的慣性質(zhì)量問題。

2)驅(qū)動系統(tǒng)元件易損壞，價格高，購買不易且廠家已不生產(chǎn)，自行修復困難。

3)電子鏜桿部分驅(qū)動電動機為直流電動機，易損壞，修復困難，價格高昂，且采購周期長。

4)電子鏜桿結(jié)構(gòu)復雜、故障多、磨損嚴重，且因?qū)＠Ｗo沒有提供機械零部件圖樣。

5)使用年限長，機床上電氣元件接近老化狀態(tài)。

4 改造方案的制定、實施

4.1 針對車輪輪轂孔下倒角R3的加工

4.1.1 原因分析及判斷

從上述加工車輪輪轂孔的步驟中不難發(fā)現(xiàn)，激光傳感器掃描測距是加工車輪輪轂孔下倒角R3中的一個關鍵環(huán)節(jié)。激光測距的準確性直接影響了下倒角R3的位置，是造成下倒角R3過切和未切的直接原因。為證實這一判斷，筆者進行了多次激光測量輪孔長度的試驗并得出了結(jié)論。造成激光測距不準確的因素有2點：一是輪轂孔上、下沿外端的毛刺與坡口；二是激光傳感器本身的誤差。通過調(diào)整激光傳感器的靈敏度，改變下倒角有關加工參數(shù)，進行車輪輪轂孔下倒角R3的加工，但效果不明顯，為此，筆者咨詢了設備廠家的技術專家，得到的答復是在車輪輪轂孔加工的前一道工序時，消除車輪輪轂孔上、下沿的毛刺與坡口，減小激光測距的誤差來保證激光測距準確性，完全可以滿足工藝要求，但是本公司因產(chǎn)量(日加工輪餅約200個)、設備、人員和生產(chǎn)成本等因素的制約，無法做到這一點。

4.1.2 改造方案與實施

改造方案從機械、電氣和程序軟件等3個方面進行分析。

1)從機械方面進行可行性分析，確定改造方案。數(shù)控車輪鏜床(美國)加工車輪輪轂孔時，是以車輪輪輞的外端面作為加工定位面(見圖3)，該定位面與設計基準重合。

圖3 車輪輪轂孔加工定位面

由于輪轂外端面與輪輞外端面的距離不確定，故在加工前應先用激光掃描的方式測得輪轂孔外端面的實際位置，再進行鏜孔加工。但是，輪轂孔的外端面存在著毛刺、坡口等因素，影響激光測量的準確性，造成加工出來輪轂外端面的R3倒角常常出現(xiàn)過切或未切。如果以輪轂孔外端面作為加工基準面，那么該位置就成為一個固定值，上述不利因素就不會造成影響了。

改造前，以輪輞孔外端面作為加工基準面的定位裝置如圖4所示。改造后，以輪轂孔外端面作為加工基準面的定位裝置如圖5所示。

圖4 改造前的定位裝置

圖5 改造后的定位裝置

更換了定位面后，為了驗證因改變定位基礎是否造成加工后的輪餅端面跳動超差，筆者進行了試驗。任意挑選幾個不同廠家的輪餅，分別以輪輞下端面和輪轂下端面的定位方式進行夾持以及夾緊和放松試驗，并用百分表測量其端面跳動，結(jié)果見表1和表2。結(jié)果顯示，無論是以輪輞下端面定位還是以輪轂下端面定位，加工后的輪餅其端面跳動都不會超差。所以，該方案切實可行。

表1 定位后端面跳動數(shù)據(jù)[7]

表2 夾緊和放松時端面跳動數(shù)據(jù)

2)從電氣上進行可行性分析，確定改造方案。首先要查找激光掃描測量不準的真正原因。筆者設置了2個不同“BY PASS”值(“BY PASS”值是激光過“TOP”以后的快速移動值，目的是節(jié)省加工時間，提高加工效率)，各做了5次試驗，結(jié)果分別見表3和表4。結(jié)果顯示，用激光掃描的測量方法，不能可靠地確定輪轂下端面的實際位置。

表3 “BY PASS”值為185的測量結(jié)果

表4 “BY PASS”值為170的測量結(jié)果

3)從程序軟件上進行分析。該加工段的PLC程序摘要如下：

“IF BY_PASS=ON AND LSR_ BOTTOM_ONS=OSR

RAM_WHL_BOT=RAM_POSTTION”

即，當“BY PASS”的值完成時，PLC再次捕獲到激光為ON的瞬時信號，立即將鏜桿的當前位置值(變量)賦予“RAM_WHL_BOT”，作為輪轂下端面倒角的初始值。但是，正是因為激光的取值不穩(wěn)定，最終造成了輪轂下倒角R3尺寸出現(xiàn)過切或未切的現(xiàn)象。

如果采用輪轂下端面的定位方式，輪轂下端面就成為定值(常量)。這時，把這個定值賦予“RAM_WHL_BOT”，作為輪轂下端面倒角的初始值，就可以解決以往輪轂下倒角R3尺寸出現(xiàn)過切或未切的問題。所以，將該加工段的程序變更如下：

“IF BY_PASS=ON AND LSR_ BOTTOM_ONS=OSR

RAM_WHL_BOT=“常量””

即，當“BY PASS”的值完成的同時，PLC捕獲到激光再次為ON的瞬時信號，立即將一個定值(常量)賦予“RAM_WHL_BOT”，作為輪轂下端面倒角的初始值，這樣，就保證在加工輪轂下倒角R3時，尺寸符合工藝技術要求。通過試驗加工論證表明，該方案切實可行。

4.2 針對電子鏜桿出現(xiàn)的問題

改造前，機床采用的電動機及驅(qū)動器分別如圖6和圖7所示。

圖6 改造前電動機 圖7 改造前驅(qū)動器

改造方案采用國內(nèi)易采購的安川交流伺服電動機[8]SGMAH-01AAA41及安川交流伺服驅(qū)動器SGDM-01ADA進行國產(chǎn)化改造，同時對各控制電纜套接磁環(huán)屏蔽[9]干擾。改造后，采用的交流伺服電動機及交流伺服驅(qū)動器分別如圖8和圖9所示。

解體EBB電子鏜桿，測繪鏜桿內(nèi)的齒輪[10]、傳動絲杠、傳動螺母和傳動軸等零部件后重新加工制作，將這部分進行國產(chǎn)化改造。解決因電子鏜桿(EBB)結(jié)構(gòu)復雜、故障多、磨損嚴重且因?qū)＠Ｗo沒有提供機械零部件圖樣的問題。

對其余電氣控制部分進行局修及采用國內(nèi)易于采購的元器件更換老化的電氣元件。

5 改造效果

改造后，通過近2年的跟蹤觀察與數(shù)據(jù)統(tǒng)計可得，該機床加工了各種型號的輪餅數(shù)以萬只，除操作者在更換刀具時偶然發(fā)生個別情況外，沒有出現(xiàn)輪轂下R3倒角的質(zhì)量問題，徹底解決了加工輪轂下R3倒角的慣性質(zhì)量問題；同時完全恢復了機床原有特點和功能，且因采用的電動機及伺服裝置較原裝置先進，機床改造后加工精度、動態(tài)特性和功能均有顯著提高，優(yōu)異的人機界面使操作更方便，機床整體性能得到了很大的提高，故障率極低，產(chǎn)品加工合格率大大提高，機床運行狀況良好。