CK3263A數(shù)控轉(zhuǎn)塔車床改造

王海龍 閆秦川 姚敬博

CK3263A數(shù)控轉(zhuǎn)塔車床是西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠1993年購買的數(shù)控設(shè)備，經(jīng)過多年的使用，機(jī)床可靠性和穩(wěn)定性下降，設(shè)備CRT不顯示，已經(jīng)無法使用。綜合考慮決定對(duì)該設(shè)備進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造。

一、存在的問題

CK3263A數(shù)控車床系沈陽第三機(jī)床廠1991年出產(chǎn)，采用發(fā)那科3T數(shù)控系統(tǒng)。主軸控制器為V57模擬驅(qū)動(dòng)器，主軸電機(jī)為直流電機(jī)（型號(hào)Z4-180-31，功率37kW，轉(zhuǎn)速3000r/min）。主軸箱變速采用四擋液壓驅(qū)動(dòng)滑移齒輪，速度范圍19～1500r/min，主軸卡盤夾緊松開采用液壓驅(qū)動(dòng)。機(jī)床床身導(dǎo)軌采用75°傾斜形式，最大車削直徑630mm。刀架采用12工位水平軸回轉(zhuǎn)盤式編碼器刀架，卡盤和尾座采用液壓夾緊方式，有排屑器自動(dòng)排屑功能。直線軸X、Z，X軸配有液壓平衡油缸，各進(jìn)給軸位置按標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控車床坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)定義，快進(jìn)速度X軸8000mm/min，Z軸6000mm/min。X、Z軸為半閉環(huán)控制，測量系統(tǒng)為增量編碼器。X、Z軸均為模擬直流驅(qū)動(dòng)器和直流伺服電機(jī)。直流伺服電機(jī)力矩34.3N·m，轉(zhuǎn)速 1000r/min，電流 30A，電壓 130V。

發(fā)那科3T為20世紀(jì)80年代后期的產(chǎn)品，系統(tǒng)元器件老化嚴(yán)重，連接電纜多，體積大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此突發(fā)故障多，并且該系列已停止生產(chǎn)，機(jī)床部件一旦損壞，維修更換都較為困難。模擬直流驅(qū)動(dòng)器和直流電機(jī)有零點(diǎn)漂移的缺陷，容易在產(chǎn)品加工中影響產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)過多年的使用，滾珠絲杠磨損嚴(yán)重，X軸的定位精度0.149mm（出廠標(biāo)準(zhǔn)0.035mm），重復(fù)定位精度為0.028mm（出廠標(biāo)準(zhǔn)0.01mm）；Z軸的定位精度0.058mm（出廠標(biāo)準(zhǔn)0.04mm），重復(fù)定位精度為0.023mm（出廠標(biāo)準(zhǔn)0.01mm），Z軸快進(jìn)時(shí)局部有抖動(dòng)。主軸控制器為V57模擬驅(qū)動(dòng)器，模擬信號(hào)容易受到干擾，驅(qū)動(dòng)器本身由多層電路板組成，故障率高，維修困難。設(shè)備CRT不顯示，已經(jīng)無法使用。

二、選型與改造

根據(jù)設(shè)備使用要求和原配置使用狀況，經(jīng)過市場現(xiàn)狀調(diào)研與分析，本著有針對(duì)性與實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性與可靠性的原則，認(rèn)為西門子數(shù)控系統(tǒng)性能先進(jìn)可靠、市場占有率高，操作界面容易熟悉，最終選擇了西門子802D數(shù)控系統(tǒng)，它是車床類通用型控制機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、精度高等特點(diǎn)，并且價(jià)格合理，完全可以滿足設(shè)備使用與控制功能的需要。

1.數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)及功能

（1）西門子數(shù)控SINUMERIK 802D系統(tǒng)是專門為中國市場而開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型CNC控制系統(tǒng)，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，通過PROFIBUS總線連接，不但結(jié)構(gòu)緊湊、電纜減少、可靠性好，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)剛性強(qiáng)，而且操作界面簡單友好，驅(qū)動(dòng)單元通過SimoComU軟件實(shí)現(xiàn)電流環(huán)和速度環(huán)的優(yōu)化，沒有零點(diǎn)漂移的缺陷。

（2）在位置控制中定位精度高，在速度環(huán)控制中調(diào)速精度高，抗負(fù)載擾動(dòng)的能力強(qiáng)，即靜態(tài)和動(dòng)態(tài)速降小，保證了數(shù)控機(jī)床的定位精度、加工精度、零件加工質(zhì)量和提高了效率。

（3）西門子802D除了有較高的定位精度外，還有良好的快速響應(yīng)特性及前饋功能，即跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)較快，位置跟蹤誤差（位置跟蹤精度）較小，保證了輪廓切削形狀精度和加工表面質(zhì)量。

（4）伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，為 0.3～3000mm/min（1∶10，000）。

（5）西門子伺服系統(tǒng)在低速進(jìn)給時(shí)有大的轉(zhuǎn)矩輸出，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，速度平穩(wěn)無爬行，適合機(jī)床在低速時(shí)進(jìn)行重切削的要求。

（6）1FK7交流伺服電機(jī)是西門子新一代緊湊型高效電機(jī)，具備相當(dāng)?shù)募铀倌芰洼^低的固有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)極端工作負(fù)載循環(huán)，實(shí)現(xiàn)快速定位和啟停，從而保證速度環(huán)和位置環(huán)的完美曲線軌跡。

圖1 進(jìn)給伺服的半閉環(huán)控制

圖2 數(shù)控系統(tǒng)硬件配置與組成

（7）數(shù)控系統(tǒng)主要功能：直線、圓弧、螺旋插補(bǔ)、三軸聯(lián)動(dòng)、通過外部DNC執(zhí)行程序、手動(dòng)/自動(dòng)/單步/MDI等多種運(yùn)行方式，標(biāo)準(zhǔn)的G、M、T功能，可編程的零點(diǎn)偏置、進(jìn)給率F連續(xù)可調(diào)（0%～120%）、刀具半徑補(bǔ)償、長度、磨損補(bǔ)償、倒直角/倒圓角功能、前饋功能（Look ahead，10 blocks）、極坐標(biāo)編程功能、FRAME 功能（比例、縮放、旋轉(zhuǎn)、鏡像）、固定鉆削、車削循環(huán)、兩極軟限位、參數(shù)編程、子程序調(diào)用、反向間隙和螺距誤差補(bǔ)償功能、報(bào)警文本功能、PLC的面板顯示、通過RS232接口與PC機(jī)通信功能、中文菜單、數(shù)據(jù)保護(hù)功能。

2.電氣部分改造

（1）拆除原發(fā)那科3T數(shù)控系統(tǒng)。采用西門子全數(shù)字SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)，HMI10.4英寸液晶顯示屏，通過PROFIBUS總線實(shí)現(xiàn)PCU-PP72/48-SIMODRIVE之間的通信，輸入輸出通過PP72/48模塊實(shí)現(xiàn)。更新的數(shù)控系統(tǒng)功能按標(biāo)準(zhǔn)車床版配置，并且批量加工能滿足工藝的節(jié)拍和精度要求。

（2）拆除原主軸驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，更換為英國歐陸590P全數(shù)字DC主軸驅(qū)動(dòng)器（CHHE DCZ510-400V/190A直流主軸驅(qū)動(dòng)裝置），保留原主軸直流電機(jī)。

（3）拆除原所有X、Z軸驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。采用西門子SIMODRIVE 611UE全數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，配備西門子最新推出的高性價(jià)比的1FK7系列電機(jī)，X、Z軸仍為半閉環(huán)控制，電機(jī)端的編碼器反饋速度和位置信號(hào)如圖1，X、Z直線軸快進(jìn)速度不低于8000mm/min、6000mm/min。控制和聯(lián)動(dòng)軸數(shù)均為2軸。電機(jī)參數(shù)：X軸為 36N·m和 3000r/min（帶抱閘），Z軸為 36N·m和3000r/min。

（4）增裝日本產(chǎn)移動(dòng)式手持單元，方便操作者準(zhǔn)確對(duì)刀。換裝1024線主軸編碼器，增裝RS232接口及通信程序和通信電纜。

（5）重新設(shè)置機(jī)床參數(shù)和編制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的PLC程序，保留電控柜，更換所有低壓器件。所有電氣布線符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（GB4064），布線合理、安全、美觀并具備足夠的抗干擾能力。數(shù)控系統(tǒng)硬件配置與組成如圖2。

3.機(jī)械部分改造

（1）保留原主軸的液壓驅(qū)動(dòng)滑移齒輪換擋（4擋）及原卡盤的液壓夾緊工作方式、原主軸箱的垂向（Z軸）液壓平衡功能、原刀架本體。

（2）拆除原X、Z軸的滾珠絲杠，換裝臺(tái)灣上銀科技公司產(chǎn)精度等級(jí)三級(jí)的滾珠絲杠。有效行程不小于350mm和1000mm，精確尺寸合格。

（3）檢修主軸齒輪箱，更換損壞的傳動(dòng)部件。檢查并調(diào)整液壓系統(tǒng)的缸體、閥及管路，更換所有液壓電磁閥。增裝南京貝奇爾可調(diào)流量和間隔式自動(dòng)潤滑泵V-III（通過PLC實(shí)現(xiàn)）。

（4）更換損壞的機(jī)床回零開關(guān)和限位開關(guān),并具備防水和防金屬屑功能。拆除原操作面板及操作箱，根據(jù)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)并安裝HMI、MCP 及操作箱。

三、改造效果

（1）用西門子全數(shù)字SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)替換發(fā)那科3T系統(tǒng)，通過PROFIBUS總線連接，不但具有結(jié)構(gòu)緊湊、電纜減少、可靠性好、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)剛性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且操作界面簡單友好，驅(qū)動(dòng)單元通過SIMOCOMU軟件實(shí)現(xiàn)電流環(huán)和速度環(huán)的優(yōu)化，沒有零點(diǎn)漂移的缺陷，新系統(tǒng)含概原系統(tǒng)所有功能。

（2）用歐陸590P全數(shù)字DC主軸驅(qū)動(dòng)器替換V57模擬驅(qū)動(dòng)器，使主軸的穩(wěn)定性大幅提高，故障率降低。

（3）更換X、Z軸滾珠絲杠，使兩運(yùn)動(dòng)軸的幾何精度達(dá)到設(shè)備原出廠標(biāo)準(zhǔn)。

（4）檢修主軸齒輪箱和轉(zhuǎn)塔刀架，調(diào)整液壓系統(tǒng)后，主軸和刀架比改造前運(yùn)轉(zhuǎn)靈活穩(wěn)定。

（5）該設(shè)備自2006年5月改造使用至今，運(yùn)轉(zhuǎn)正常、工作穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)備出廠和科研生產(chǎn)要求，生產(chǎn)出了合格產(chǎn)品，工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高。

（6）該設(shè)備原值78.5萬元，設(shè)備改造費(fèi)用為18萬元，改造投資比例為23%。設(shè)備增值后的資產(chǎn)值（設(shè)備凈資產(chǎn)加上改造投資）遠(yuǎn)低于購買相同類型數(shù)控機(jī)床的投資額，且由于投入使用以來設(shè)備故障率大幅下降，從而使生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量均有了較大提高，取得了良好的投資效益。

現(xiàn)有工業(yè)企業(yè)中有很大數(shù)量的早期數(shù)控設(shè)備由于數(shù)控系統(tǒng)老化、過時(shí)等原因而不能被充分利用，其中部分企業(yè)存在著資金短缺的現(xiàn)狀。因此，以延長設(shè)備使用壽命和提高精度及穩(wěn)定為出發(fā)點(diǎn)的數(shù)控設(shè)備改造就顯得尤為重要。正確選用好數(shù)控系統(tǒng)，降低改造成本和追求改造綜合效能最佳是企業(yè)的目標(biāo)。

W10.01-23