林建滿

（中山市技師學(xué)院，廣東中山 529840）

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，我國廣泛購買和引進(jìn)國外數(shù)控類加工中心或?qū)C(jī)，用于加工生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。這些機(jī)器經(jīng)過近30年的使用，或年久失修，或幾經(jīng)易手，機(jī)器的電氣部分已是老化或殘缺不全，致使故障頻繁，不但維修成本急劇上升，而且生產(chǎn)效能已顯著下降，整機(jī)呈被淘汰趨勢(shì)。但是，這些國外進(jìn)口機(jī)器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械鑄件和裝配方面，依然有著行業(yè)較高水平。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子電路、電機(jī)學(xué)等的快速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)也在飛速發(fā)展，其中NC控制、伺服控制、算法、電機(jī)等與之前的數(shù)控系統(tǒng)相比，更不可同日而語［1－2］。因此，本文通過更換新一代的數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)舊的進(jìn)口數(shù)控加工中心進(jìn)行升級(jí)改造，改變舊機(jī)器電氣老化、故障繁多導(dǎo)致維修成本上升、效能下降的不良情況，保留較高水平的機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而提高舊型機(jī)床的生產(chǎn)效能，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 功能分析與系統(tǒng)選型

1.1 舊數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀和功能分析

德國巨浪DZ18W加工中心如圖1所示，外觀較為陳舊，但依舊不掩蓋其高速機(jī)的優(yōu)良設(shè)計(jì)特點(diǎn)，雙主軸配套雙刀庫和交換工作臺(tái)，可以快速裝夾工件和批量進(jìn)行產(chǎn)品的加工。這款機(jī)器在企業(yè)內(nèi)主要用于高速的零件銑削和鉆孔攻絲。

圖1 舊的進(jìn)口加工中心

1.2 加工中心存在的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

這款加工中心購買使用已有20多年，主要功能可以實(shí)現(xiàn)，但容易出現(xiàn)故障使得生產(chǎn)停機(jī)。

缺點(diǎn)如下：

（1）電氣元器件老化，工作不穩(wěn)定，設(shè)備可靠性下降，影響生產(chǎn)；

（2）機(jī)器已過保修期，進(jìn)口機(jī)器維修難，且維修費(fèi)用很高；

（3）電氣元件較老，多數(shù)已不生產(chǎn)，維修用的元器件采購成本高；

（4）機(jī)器故障，廠家在國外，維修周期長，停機(jī)時(shí)間久，沒保障；

（5）數(shù)控系統(tǒng)年代久遠(yuǎn)，與新系統(tǒng)相比，功能不強(qiáng)大，與廠家同機(jī)型的最新款相比，機(jī)器整體效能低。

這些缺點(diǎn)，使得繼續(xù)使用此款機(jī)器的成本高，經(jīng)濟(jì)效益低。

優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）緊湊特殊的雙主軸結(jié)構(gòu)，有利于快速生產(chǎn)；

（2）交換工作臺(tái)的設(shè)計(jì)，使得一邊加工的同時(shí)，另一工作臺(tái)可進(jìn)行工件的裝夾，在工廠進(jìn)行智能升級(jí)時(shí)，可完美配套機(jī)械手，在加工的同時(shí)進(jìn)行工件的安裝或者拆卸，為后續(xù)的智能生產(chǎn)提供了良好基礎(chǔ)；

（3）整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念超前，同廠同機(jī)型的最新款依然沿用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

綜上所述，如果能在保留優(yōu)良設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)等電氣部分進(jìn)行升級(jí)改造，那么將使這臺(tái)機(jī)器重新煥發(fā)光彩，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 機(jī)床功能分析和升級(jí)改造

這臺(tái)加工中心的改造重點(diǎn)在于系統(tǒng)電氣部分和少量的機(jī)械外圍部分，而保留原有的超前機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)床，分機(jī)械、控制、外圍三大方面進(jìn)行分析［3］。

1.3.1 控制部分

機(jī)床有X軸、Y軸、Z軸3個(gè)進(jìn)給軸，2個(gè)主軸，2個(gè)刀庫和交換工作臺(tái)。交換工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)由1個(gè)伺服電機(jī)和1套液壓裝置控制。

（1）進(jìn)給軸。立式加工中心結(jié)構(gòu)的三軸進(jìn)給，對(duì)比現(xiàn)在的機(jī)器，進(jìn)給速度較慢，效率相對(duì)低。

改造辦法：采用新型伺服電機(jī)進(jìn)行改造，并配以較大螺距的絲桿以提升進(jìn)給速度，提高加工效率。

（2）交換工作臺(tái)。轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械性能良好，但液壓站使用年份已久，很多檢測元件容易出現(xiàn)不穩(wěn)定，從而發(fā)生故障。

改造辦法：采用新型伺服電機(jī)替換原有轉(zhuǎn)臺(tái)的電機(jī)［4］。對(duì)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的液壓站進(jìn)行整體更換。

（3）雙主軸。兩個(gè)主軸同時(shí)進(jìn)行剛性攻絲、鉆孔，以及同轉(zhuǎn)速銑削的工藝。隨著加工工藝的發(fā)展，主軸轉(zhuǎn)速不高的情況較難滿足現(xiàn)在使用要求，效率欠缺。

改造辦法：根據(jù)企業(yè)現(xiàn)在最新的加工工藝，重新選擇主軸電機(jī)，并配高速主軸，以滿足現(xiàn)在工藝的高精高效的要求。對(duì)于兩個(gè)主軸同時(shí)進(jìn)行剛性攻絲、鉆孔的工藝，可以采用Fanuc系統(tǒng)的“主軸簡易同步控制”功能。主軸簡易同步控制可以將2個(gè)主軸作為主控主軸、從控主軸予以結(jié)合，以使得剛性攻絲、通常的主軸旋轉(zhuǎn)控制隸屬于主控主軸的控制的形式。這個(gè)功能可以在M系列的串行主軸上進(jìn)行使用。主軸簡易同步控制中的指令，它對(duì)主控主軸的指令同樣對(duì)從控主軸也有效［5］。隨著工藝的發(fā)展和變化，需要增加考慮一些人性化操作，如一個(gè)主軸出現(xiàn)故障進(jìn)行維修時(shí)，可以很簡單地讓另一個(gè)主軸進(jìn)行動(dòng)作，避免機(jī)臺(tái)停機(jī)，造成影響。

（4）雙刀庫控制?？梢耘浜?個(gè)主軸同時(shí)進(jìn)行換刀，但很大部分的換刀邏輯都在pmc內(nèi)處理，一旦換刀出現(xiàn)錯(cuò)亂和故障后，取消報(bào)警和恢復(fù)刀庫動(dòng)作等較為繁瑣且有難度。

改造辦法：重新編輯刀庫的順序控制程序，并加以簡化，以降低維修難度。

1.3.2 機(jī)械部分

整體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和機(jī)床主體不改變。對(duì)常出現(xiàn)故障的局部進(jìn)行改造。

（1）主軸。這是最常使用的部件，易出故障，且之前的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速無法達(dá)到現(xiàn)在的工藝要求。

改造辦法：更換為目前國內(nèi)較為常見的高速主軸。

（2）三軸絲桿。易出故障，且之前的設(shè)計(jì)速度滿足不了現(xiàn)在的使用要求。

改造辦法：更換為市場較常見的絲桿，同時(shí)加大螺距，以提高進(jìn)給速度。

（3）刀庫。使用已久，換刀執(zhí)行部件和檢測元件質(zhì)量老化下降，舊刀庫的設(shè)計(jì)邏輯繁瑣。

改造辦法：采用常見的高速刀庫進(jìn)行更換，同時(shí)提高換刀效率。

1.3.3 外圍電氣部分

電氣元件使用時(shí)間久，線材老化等，都使得電器質(zhì)量下降，靈敏度降低，容易出現(xiàn)誤動(dòng)作，產(chǎn)生報(bào)警故障。采用新電氣元件和線材替代舊品的辦法進(jìn)行改造［6］。

2 方案實(shí)施

2.1 控制部分的升級(jí)改造2.1.1 系統(tǒng)的整體配置

根據(jù)機(jī)床原有電機(jī)規(guī)格和改造的功能要求和性價(jià)比等因素，選擇了Fanuc公司的0iMD系統(tǒng)，選擇配置了主軸簡易同步控制功能，以及最新的NC軟件和伺服軟件。配套具有高速響應(yīng)的ai系列的伺服驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)，使得在滿足機(jī)臺(tái)原有功能的基礎(chǔ)上，又能提升了整體的控制性能，達(dá)到先進(jìn)應(yīng)用行列。升級(jí)整體配置：控制系統(tǒng)為0iMD；驅(qū)動(dòng)器為aiPS55

＋ aiSP22＋aiSP22＋aiSV80／80＋aiSV40／40；伺服電機(jī)為aiF8／3000＋ aiF8／3000 ＋ aiF12／4000 ＋ aiF12／4000；主軸電機(jī)為aiI15／12000。

采用新配置，使得主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速從原來的8 000 r／min提升到了12 000 r／min，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速最高提到了4 000 r／min。舊系統(tǒng)的電流控制為HRV1控制，此次選配的0iMD系統(tǒng)采用了新一代伺服控制理念，高速電流響應(yīng)采用了HRV3控制，大大提高了伺服響應(yīng)，使得機(jī)器的高速高精度控制變成了可能。

絲桿的螺距從原來的10 mm提升到X軸和Y軸為12 mm，Z軸為16 mm。這樣，X／Y軸的速度提高到了36 m／min；而Z則提高到了48 m／min。相比原來XYZ三軸均為24 m／min的移動(dòng)速度，改造后整體速度提高了約66%，可與目前進(jìn)口機(jī)器的速度相比。

變換絲桿后需設(shè)置與指令、檢測、齒輪比之類的伺服參數(shù)，以使得機(jī)器得以精確平穩(wěn)地運(yùn)行。以Z軸為例，設(shè)置如表1所示。

表1 Z軸基本伺服參數(shù)設(shè)置

2.1.2 主軸控制

新一代的主軸驅(qū)動(dòng)和主軸電機(jī)，在主軸指令的響應(yīng)上以及轉(zhuǎn)速上有很大提升，剛性攻絲和銑削能力也加強(qiáng)。

雙主軸采用的主軸簡易同步控制，在滿足功能和參數(shù)設(shè)置（表2）的前提下，通過輔助功能代碼（M代碼）觸發(fā)主軸簡易同步控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，主軸簡易同步控制信號(hào)為G64#6（ESRSYC），這樣可簡單進(jìn)行主軸簡易同步控制的開啟與閉合［7］。

表2 主軸簡易同步控制的主要參數(shù)

簡單起見，通過對(duì)主控主軸進(jìn)行指令的方式來實(shí)現(xiàn)主軸的速度旋轉(zhuǎn)控制與剛性攻絲控制。雙主軸的主軸定向，則考慮了配合刀庫是單側(cè)還是雙側(cè)同時(shí)換刀的方式進(jìn)行調(diào)試。

在日常使用和維護(hù)中，需要在非同步控制狀態(tài)下進(jìn)行，比如在工件對(duì)刀時(shí)需分別旋轉(zhuǎn)主軸來對(duì)刀等。所以通過不同的M代碼來執(zhí)行不同的狀態(tài)，如表3所示。

表3 雙主軸使用的M代碼

2.1.3 雙刀庫控制

重新編輯了雙刀庫的順序控制程序。一方面簡化了刀庫的使用信息提示和不必要的報(bào)警信息，另一方面利用系統(tǒng)提供的宏程序與PMC的接口信號(hào)，不再把所有的邏輯都在PMC內(nèi)處理，而是以宏程序與PMC相結(jié)合的方式進(jìn)行。使用系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置的M代碼調(diào)用子程序和輔助功能，簡單便捷。

（1）刀庫實(shí)現(xiàn)功能

提供不同時(shí)的單側(cè)換刀功能，兩個(gè)刀庫可以單獨(dú)與對(duì)應(yīng)的主軸進(jìn)行換刀；提供雙側(cè)同時(shí)對(duì)應(yīng)主軸進(jìn)行換刀的功能。

（2）宏程序的調(diào)用功能

使用“利用M代碼進(jìn)行的子程序調(diào)用”簡單實(shí)現(xiàn)換刀程序的調(diào)用。通過事先在參數(shù)中設(shè)定一個(gè)調(diào)用子程序的M代碼，即可調(diào)用子宏指令O9001～O9009。這種使用M6調(diào)用O9001子宏程序的方法，在參數(shù)NO.6071中設(shè)定6。

（3）宏程序與PMC的接口地址應(yīng)用

對(duì)系統(tǒng)變量進(jìn)行賦值和讀取，來實(shí)現(xiàn)對(duì)接口信號(hào)的輸出和輸入。

（4）編輯宏程序

宏程序編輯如表4所示［8］。

表4 換刀宏程序

2.2 機(jī)械部分和外圍的改造

在機(jī)械方面，更換了市場上常見的容量為24把刀的快速機(jī)械手原盤刀庫，絲桿換成較大螺距的品牌絲桿。在外圍電氣方面，對(duì)應(yīng)更換成西門子和施耐德品牌的接觸器等。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)舊數(shù)控機(jī)床的升級(jí)改造，保留了進(jìn)口機(jī)器優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械特性；解決系統(tǒng)、電器和常用部件隱患較多的問題；大大降低了企業(yè)的維護(hù)成本；改善了機(jī)器的操作性能，增加了人性化操作設(shè)計(jì)；大大提高了機(jī)器的生產(chǎn)效能，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。