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加工中心的数控化升级改造

日期：2010年01月14　来源：沈阳第一机床厂　关键字：加工中心
    MCl600加工中心概述
    某企业的一台MCl600卧式镗铣加工中心是1997年从德国进口的二手设备，该设备是匈牙利20世纪80年代生产的产品。由于使用时间久，在使用时经常出现突然停机、程序紊乱、无法正常使用的故障，摇臂钻床以及机械手存在漂移和电气设备老化的问题，严重影响了企业的正常生产。在维修的过程中，配件维修费用昂贵给企业造成了很大的负担，因此对该机床进行数控化升级改造，希望用较少的成本，最大程度地提高机床的性能。
    MCl600加工中心对各组成部分的基本要求
    该加工中心数控系统采用的是西门子850数控系统。对控制系统的要求：
    1)系统需要实现四轴联动，加工中心以及任意两轴或三轴联动。
    2)为保证机床定位精度和加工精度，摇臂钻床要求系统最小设定单位为lpm。
    3)重复定位精度为4pm。
    4)为满足工作台自动交换(APC)和自动换刀(ATC)等要求，CNC系统需要160个输入点和96个输出点。
    MC1600加工中心改造的方案
    加工中心是一种功能较为齐全的数控加工机床。它把铣削、钻削、攻螺纹和切削螺纹等功能集中在一个设备上，使其有多种工艺手段。它与数控车床、数控镗铣床相比，结构较复杂，系统功能较多，因此控制技术也较复杂。市场上现有的加工中心大多是采用直流／交流伺服电动机作为驱动部件，价格昂贵，在中小企业中难以普及。
    在对加工中心的数控化更新改造之前，需要对其进行可行性评估，看看是否适合经济型改造。尽量选择那些机械、液压部分性能良好，各个部件磨损较少的，加工中心还能较好地满足工艺要摇臂钻床求的机床。特别是主轴部分，它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及其热处理，对主轴的工作性能有很大的影响。同时，它也要保证各零件定位的可靠性，工艺性要好。如果主轴的偏差太大的话，就不适合经济型改造了。因此，在对MCl600加工中心进行升级改造时，也先从总体上评估了该加工中心的总体性能。
    待改造的MCl600加工中心的机械、液压部分性能良好，各个部件磨损较少，还能较好地满足机床要求，因此只对数控系统和电气系统改造。随着计算机和数控技术的发展，采用工业控制计算机和Windows操作系统作为数控系统的硬、软件平台越来越受各企业的欢迎，所以，在改造时也要根据实际情况选择合适电气元件、数控系统以及驱动单元。
    MCl600加工中心改造的主要工作：
    1)数控系统及伺服驱动单元、加工中心电动机的更换，根据数控系统的特点和机床的要求，调整系统参数。
    2)根据机床操作及运动要求编制PLC控制程序，使数控系统、摇臂钻床伺服系统与机床其他部分之间协调一致地工作。
    3)电气控制系统设计。
    机械进给部分的改造
    MCl600加工中心的机械部分性能良好，不用特别的改造。机械部分的改造主要是要集中在主轴系统和进给系统更换电动机时对床身和主轴箱的改造。这些改造属于小范围的改造，在改造中注意加工的定位精度和对机床的影响。
    伺服驱动单元的改造
    MCl600加工中心共有主轴、X轴、Y轴、Z轴、B轴、W轴和Q轴共7个伺服轴，可以实现X、Y、Z、B四个轴联动。由于配套了新的数控系统以及驱动单元，原来的电动机已不合用，根据各轴对速度特性要求不一样，在改造时选择的电动机也有所不同。
    电动机根据改造后的功率要求进行选择，依加工中心据设计功率大于主传动功率的原则，在此全部选交流数字伺服电动机。X、Z和B三轴电动机型号：1FT6108—8AC71--4AA0；Y轴电动机型号：1FT6108—8AC71—4AB0(带抱闸)；W和Q轴电动机型号：1FT6105—1AC71--4AGl；主轴电动机型号：1PH7167—2NF03—0CA0。
    驱动单元以与电动机容量相互匹配的原则进行选取，伺服轴驱动单摇臂钻床元(FDD)：全数字控制模块，外部测量系统，电压信号；X、Y、z和B四个轴的功率模块型号：6SNll23—1AA00—0DAl，W和Q轴功率模块型号为6SNll23—1AA00---0CAl；主轴驱动单元(MSD)：全数字控制模块，外部测量系统，电压信号，型号：6SNll23—1AAOO--OCAl。
    CNC系统的选择和连接
    1．数控系统的选型
    SINUMERIK 840D是20世纪90年代后期的全数字化高度开放式数控系统，具有高度模块化及规范化的结构，它将CNC和驱动控制集成在一个板块上，将闭环控制的全部硬件和软件集成在lcm2的面积上，便于编程、操作和监控。根据以上特点，选择了西门子的SINUMERIK 840D数控系统和SIMODRIVE 611D驱动单元。SINUMERIK 840D与SIMODRIVE 611D伺服驱动模块及西门子S7—300PLC加工中心模块构成的全数字数控系统，摇臂钻床能实现钻削、车削、铣削、磨削等数控功能，也能应用于剪切、冲压、激光加工等数控加工领域。
    SINUMERIK 840D数控系统的主要特点：采用32位微处理器实现CNC连续轨迹控制，内部继承PLC。该系统功能最多可控制31个轴(包括31轴，操作方式主要有AUTOMAIC(自动)、JOG(手动)、TEACH IN(交互式程序编制)、MDA(手动过程数据输入)。SINUMERIK 840D的插补功能可实现样条插补、三阶多项式插补、控制值互联和曲线表插补。这些插补功能为加工各类复杂曲面提供了有利条件。在刀具补偿方面，可根据用户程序进行轮廓的冲突检测、刀具半径补偿的接近和退出及交点计算、刀具长度补偿、螺距误差补偿和测量系统误差补偿、反向间隙补偿、过象限误差补偿等。NC编程符合DIN66025标准，可进行米制、英制尺寸或混和尺寸的编程，程序编程与加工可同时进行。
    因此，SINUMERIK 840D加工中心数控系统是本次改造中选择的理想系统。它主要由CNC、MDI／CRT单元及驱动器组成。由SINUMERIK 840D数控系统说明书可知，该系统技术参数包括：CNC硬件是840DE，型号是6FC5357—0BB21一OAEO，10轴控制，256KBRAM内存，64KBPLCRAM，处理器是486DX4／100MHz。10．4inu彩色超薄显示器，机床操作面板MCPMMSTT和OP031相配套，操作简单、方便。加工过程中可摇臂钻床同时通过通用接口进行数据输入、输出，还可以通过预先设置的软极限开关进行工作区域的限制，当超程时会自行进行减速，以防止超程时依然处在比较高的速度破坏工作台的定位。
     2．系统的参数设定
    SINUMERIK 840D是一个开加工中心放性很强的数控系统，因而它的参数很多。它的控制参数是由机床数据(MD)与设定数据(SD)组成。机床数据(MD)主要由通用、特别通道和特别轴等机床数据组成；设定数据(SD)由通用、特别轴和特别通道设定数据组成。SINUMERIK 840D参数调整就是对这些数据进行调整。摇臂钻床下面就根据MCl600加工中心对通用机床数据和特别轴机床数据中要设定的主要数据进行分析设定。
    (1)通用机床数据的设定
    MDl0000用于定义机床轴名称：X1、Y1、Z1、B1、WI、Q1、C1；
    MDl0050定义系统循环时间：0．004s；
    MDl0350用于定义快速输入点的数值：4；
    MOl0720定义默认工作方式：7；
    MDll300定义回参考点的操作方式：0；
    MDl8082定义刀库中刀具数量：60。
    修改MDl8000后面的通用加工中心机床数据时，会造成DRAM区的重新分配，致使数据丢失。因此在对此类数据修改完成后，要先存档，存档之后再加载，系统就会自动进行数据分配。
    (2)特别轴机床数据的设定
    MD30110定义电动机轴的物理模块位置：C二1、X：2、Y：3、Z：4、B：5、W：6、Q二7；
    MD30130定义轴输出类型：1(1表示时为数字方式)；
    MD30240设定测量系统的类型：X二Y；Z二B二W：Q：C：1(1表示增量测量系统)；
    MD30300定义轴是旋转轴还是直线轴：X：Y：Z二W：0，B：Q；C：1(0表示直线轴)；
    MD31000定义直接测量原件类型：X：Y二Z二B：W：1，Q：C(1表示光栅尺，0表示编码器)；
    MD31010定义光栅尺栅距，输入值要和实际值相符；
    MD31020定义编码器每转脉冲数；
    MD31050和MD31060定义加工中心电动机到丝杠的减速比；
    MD31070和MD31080定义丝杠到编码器的减速比。
    3．机床的硬件连接
    SINUMERIK 840D、SIMODRIVE 611D的连接以及和外围设备的连接。电源模块向NCU提供24V工作电压，也向611D各驱动轴模块提供600V直流母线电压。电源模块上X351端口通过NCU模块上X172端口和各驱动模块上X151、X351端口，将各模块的系统数据控制总线连接起来。NCU上X130端口是电动机驱动器611D的输入、输出扩展端口，通过扁平电缆将驱动总线与各个驱动模块连接起来，对各个伺服电动机进行控制。NCU上的X101端口通过一根MPI电缆与NCU相连，X101端口与PLC的IM361接加工中心口模块相连，X121端口连接手轮。

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