进口加工中心机床数控改造
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技术综合
加工中心机床，其中7台为原民主德国于70年代生产的SABO-630卧式加工中心。这些设备的机械、液压部分基本完好。但由于数控系统落后，设备老化以及国外供货商的售后服务跟不上，备件无法正常供应，因此设备维修的费用昂贵，导致这些设备停止使用。
1 加工中心结构及其对控制系统的要求
- 系统需要实现三轴联动以及任意二轴联动；
- 为保证机床定位精度和加工精度，要求系统最小设定单位为1µm；
- 机床各坐标快进速度为12m/min，进给速度为5m/min，重复定位精度为4µm。这对伺服系统响应速度和精度都有较高要求；
- 为满足选刀、换刀、托板交换等动作的要求，系统应有输入72点，输出56点；为满足其它辅助控制要求，CNC系统需64个输入点、24个输出点，因此控制应有136个输入点，80个输出点；
- 主轴转速要求为10～3500r/min，功率为11kW。
2 SABO-加工中心的数控改造
- 主轴驱动
- 主轴驱动单元选用日本安川CIMR-VMS2015驱动单元，主轴电机为安川UAASXA-15CZ1，功率11kW/15kW，连续运行11kW，30min运行达15kW，额定转速1500r/min，最高转速6000r/min。
- 该主轴伺服指令采用0～10V电压，配合正反转指令，实现主轴电机的正反转。该主轴还带有定向功能，由磁感应开关、放大器、定向卡以及主轴定向指令信号来实现主轴定向。该主轴在额定转速以下为恒转矩调速，额定转速以上为恒功率调速。主轴机械有四档变速，主轴/主轴电机变速比分别为1:1、1:2、1:4、1:8，即将主轴速度分为四个范围：0＜S≤306r/min，齿数比为1:8；307＜S≤689r/min，齿数比为1:4；690＜S≤1539r/min，齿数比为1:2；1540＜S≤4000r/min，齿数比为1:1。
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由上可知，由于主轴电机与机械换挡相配合，即使主轴转速在低速时，主轴电机的转速也可保持在较高的转速范围内，从而保证了主轴的切削功率，提高了加工精度。由S指令来实现主轴电机变速及机械换挡。
- 伺服驱动电机及驱动单元
- 电机选用兰州电机厂的交流同步电机，X、Y轴为27N·m，Z轴为37N·m，最高转速为2000r/min。
- 驱动单元选用本公司生产的HSV—11D交流伺服驱动单元。该单元运用矢量控制原理和柔性控制技术，使得本伺服模块结构简单，调试容易，控制灵活，维护方便，体积小巧。该单元除可实现高精度位置伺服控制外，也可作为力矩控制装置使用，还可当作宽范围的调速装置使用。
- HSV-11D的主要参数是：速度控制范围＞1:3000；位置控制精度为±1µm，最高转速2000r/min，指令方式：串口方式、脉冲方式、模拟方式。
- 保护功能有反馈断线、过流、过热、欠压、短路等硬件故障保护，以及若干软件保护。
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在本系统中采用的指令方式为串行接口与主计算机联机通讯，用RS-232C标准(四串口板)信号相匹配的接口电路。
- 数控系统
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数控系统采用华中Ⅰ型数控系统，其主要特点为：
- 以通用工控机为核心的开放式体系结构的多任务、实时控制系统。
- 系统主要配置为486CPU，4MB内存。
- 是具有4通道数控系统，每个通道都有一个解释器，完成直线，圆弧，螺旋，攻丝等解释。
- 软件平台以MS—DOS为基础，通过自行开发的NCBIOS(为基本输入/输出)实现任务管理，调度，管理CNC系统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序管理、位置控制、PLC调度、插补计算和内部监控。
- 本系统用C语言编写PLC程序，精炼灵活，编程容易，虽然不及梯形图和语句表的PLC编程语言直观，但能对特别复杂的过程进行简单准确的描述。PLC程序分PLC1、PLC2两个子程序。PLC1每16ms调用一次。PLC2每64ms调用一次。对于实时性要求高的控制在PLC1中，例如刀库、主轴、机械手等控制。PLC2只控制面板上的波段开关和指示灯。
- 刀库的控制
- 该加工中心采用液压阀来实现刀库运动控制。刀库回零程序框图见图2。刀库运动方式有：刀库正转、反转、快进。通过正、反转，可实现就近选刀。刀库控制分为：刀库回零，选刀二大部分。
- 控制刀库运动的信号有刀库原点、刀库计数脉冲、刀库定位信号、刀库固定、刀库松开、刀库输入等信号。信号均由无触点开关发出。由于刀库定位信号挡块有一定的宽度，所以，当刀库作正转时，不能精确定位。为此，我们采用当刀库正转接收到刀库定位信号后，使刀库反转，当再次收到刀库定位信号时，命令刀库停止运动，刀库定位销才插入，刀库固定。
- 本系统采用随机式刀具存放方式，即刀具可以存放在任意刀套内以节省换刀时间。刀具存放位置由系统自动记忆，换刀后系统自动更新刀库表。
3 改造后的情况
- 改造后机床精度有了明显提高，重复定位精度达到5µm。例如原机床只能对柴油机缸盖进行粗加工，改造后粗加工与精加工可在同一机床上完成。机床的功能比过去更多，操作更加方便，提高了加工效率，减少了停机时间。
- 改造前X、Y、Z轴快移速度为10000mm/min，改造后它们的快移速度为15000mm/min；改造后增加了软盘和硬盘，使程序输入更为方便。
- 改造后对柴油机缸盖底面进行铣端面、粗精镗孔，共需换12把刀一次完成，加工效率提高了3倍。
- 节省购新设备的费用。购置一台同规格加工中心需200多万元，而改造一台加工中心仅需31万元。
- 通过对常柴仿形铣床和8台加工中心机床改造，公司对设备的数控化改造树立了信心，认识到这是提高企业加工设备能力的一条好途径。下一改造计划是继续改造现有加工中心，并将现已改造的加工中心组成“柴油机机体柔性生产线”。此项目已被国家经济贸易委员会批准为1998年国家技术创新项目。
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