五軸聯動鏜銑床改造及相關問題處理

徐學武 梅雪松 李 建 徐 銘

(西安交通大學機械工程學院，陜西西安710049)

西安交通大學機械學院機械基礎國家級教學實驗示范中心的HJ044五軸聯動鏜銑床(如圖1)，原數控系統系2000年自行開發研制，該機床是第一臺國產五軸聯動數控鏜銑床，為推動我國數控技術的發展曾發揮過重要作用。但由于條件限制，經過幾年使用暴露出不少問題，特別是在可靠性方面存在致命的弱點。加之無專人維護維修，到2004年已基本處于癱瘓狀態?？紤]到機床的五軸加工功能、機械結構特點及教學科研方面的的需求，經過多方論證認為:該機床曾耗資近百萬元，是學校的大型精稀貴重設備，且服役不到5年，必須盡快恢復使用，避免閑置浪費;另外，隨著科學技術的飛速發展，五軸聯動加工技術已成為制造業的關鍵技術，是數控機床發展的方向，對五軸聯動加工技術的教學及科研已顯得非常迫切，利用現有資源，構建五軸聯動加工技術教學與科研平臺可事半功倍。于是決定對HJ044五軸聯動鏜銑床進行維修改造。

1 維修改造方案確定

1.1 數控系統選擇

考慮到國產五軸聯動數控系統與國外的差距，為便于學習研究國外先進技術，故決定選用國外系統。FANUC和西門子是世界上兩大數控系統生產商，其先進性處于領先地位。FANUC31i和SINUMERIK840D等系統都具有五軸聯動功能，由于技術封鎖等原因，國內選用SINUMERIK840D系統的較多，普遍反映西門子系統開放性、拓展性、接口及通訊通用性和安全穩定性較好，且價格適中;而FANUC系統雖功能強大、可靠性好，但限制頗多，系統購置及技術支持困難大，故決定選用SINUMERIK840D數控系統。

1.2 可選方案

原機床伺服驅動模塊采用SIMODRIVE611A，伺服電動機為1FT5系列永磁交流伺服電動機，主軸電動機采用1PH7異步交流伺服電動機。為了降低成本，盡可能減少部件更換，節省時間及費用，希望能夠利用原有電動機及驅動，這樣就有兩種可選方案。

方案1:系統選用840Di，附加 ADI 4模塊(如圖2)。每個模塊的模擬驅動接口可用來連接多達4個帶模擬設定值接口的驅動，通過PROFIBUS DP實現運動控制功能(同步模式)，由于改造機床為六軸(包括主軸)，因此需要2個ADI 4模塊。這樣，就有8點輸入用于增量編碼器(TTL信號)，8個±10 V模擬量輸出用于1～8軸的速度控制。8個繼電器觸點用于驅動1～8軸使能。20點數字量輸出(8點通用，12點用于驅動)，20個與驅動有關的數字量輸入。模塊或數字量輸出需要外部電源(+24 V DC)。

方案2:系統選用840D，附加ANA數模轉換模塊，每個模塊用來將2組數字給定信號通過數模轉換成±10 V模擬量電壓信號提供給驅動模塊611A。ANA模塊的轉換原理圖如圖3所示。該模塊的輸入信號則為1 Vpp～正弦波信號。

1.3 方案分析

第一種方案要用2塊ADI 4模塊，有過多的接口空置。第二種方案需用3塊ANA模塊。但需要對電動機的編碼器進行更換。第二種方案相對麻煩。但考慮到840D應用的普遍性和經歷長時間的考驗，故決定采用第二套方案。

2 系統配置及連接

考慮成本與需求，兼顧后續擴展，系統主要配置如下。

電源模塊(原有):SIMODRIVE UE －MODUL INT.28/36 kW;

NCU 模塊(新添):SINUMERIK840D NCU.571.5，400MHz 64MB;

主軸模塊(原有):SIMODRIVE LT－MODUL INT.50A;

伺服模塊(原有):SIMODRIVE LT－MODUL INT.2*25A(2 塊);

伺服模塊(原有):SIMODRIVE LT－MODUL INT.50A(1 塊);

主軸電動機(原有):1PH7131—2NF02－OBAO(1臺);

X軸伺服電動機(原有):1FT5102－1AA71－4FAO(1臺);

Y軸伺服電動機(原有):1FT5102－1AA71－4FBO(帶制動)(1臺);

Z軸伺服電動機(原有):1FT5104－1AA71－1FAO(1臺);

A軸伺服電動機(原有):1FT5104－1AC71－4FAO(1臺);

B軸伺服電動機(原有):1FT5072－1AC71－4FAO(1臺);

ANA模塊(新添):SIMODRIVE LT－TRAEGER－MODUL 50MI(3塊);

PLC模塊(新添):S7－317－2DP+IM361+IM321*32+IM322*32+EM331*8;

控制單元(新添):PCU50－WindowsXP－1.2GHz/40GB/256MB;

控制面板(新添):MCP483C，19”wide，mechanical keys;

OP 單元(新添):OP010 10.4”TFT with membrane keys;

其他(新添):mini BHG－5N手持單元及SIMATIC S7 PC Adapter USB等。

系統連接圖如圖4。

如圖所示，5個伺服軸電動機的檢測系統有2部分:一部分進入611A模塊的X311(或X313)接口;一部分連接ANA模塊的X101(或X103)接口。而±10 V模擬速度控制信號則從ANA模塊的X121(或X122)口連接到611A模塊的X331(或X332)口的65和14腳。還需說明的是，主軸電動機1PH7本身只有1根檢測反饋信號線，直接接入主軸模塊的X412接口。

3 電動機編碼器更新及報警處理

如圖4，伺服電動機位置編碼器信號接入ANA模塊的X101(或X103)接口，ANA要求編碼器信號為1 Vpp～正弦波信號，而原用伺服電動機1FT5電動機編碼器為 ROD320，而此編碼器為方波(TTL)信號。1FT5電動機內部結構如圖5所示，電動機后端安裝編碼器，編碼器為中空軸，和電動機軸用錐面連軸器和螺釘連接。1FP7電動機用的海德漢編碼器型號為ENT1837，但其軸徑相差較大，1PT5用編碼器軸徑為φ15 mm錐孔，1PT7用編碼器則為φ10 mm錐孔，不能直接換用，且后者價格較貴。于是，用定做的國產編碼器更新，經兩次調修，滿足使用要求。調修中，第一次系統報警25000，編碼器硬件出錯，經示波器檢測，信號電壓幅值達1.35 V，將信號電壓幅值調至0.8～1.2 V以內，報警消除。第二次系統報警20002，參考點標記未建立。經查，為零位信號幅值太小;經調整零位信號幅值，滿足要求。

1FT5電動機編碼器的更換，相對容易一些，因為，單獨的測速機，使得編碼器更換中不需用示波器觀測相位，相位檢測由測速機保證。

4 機床控制面板制作

MCP483C是西門子公司標準的銑床控制面板，可根據自己的需要設計制作按鈕。我們根據五軸機床的特點和功能要求，制作的面板及功能配置如圖6?？刂泼姘迨窍到y自帶的I/O節點，有系統分配的地址，也要編制梯形圖程序。根據功能需要，考慮到軸較多，逐個返回參考點較麻煩，我們采用自動回零設置，按回零鍵后，系統按Z→Y→X→A→B依次自動完成返回參考點。另外，我們還在面板上設計了自動返零完成指示燈。當然，伺服使能、主軸轉速檔位控制、冷卻液開關、刀具夾緊、排屑等都是必不可少的?？紤]到操作的方便，微型手持單元的3個功能鍵F1/F2/F3分別安排為啟動使能、松刀/夾緊、排屑。

5 主軸高速檔維修

原機床主軸轉速分為兩檔，為28～3 300 r/min，機床調試過程中，發現不能換檔，只能在Ⅰ檔運行，最高轉速為738 r/min。觀察發現，換檔時，齒輪變換液壓油缸不動作。經查，PLC控制、繼電器動作正常，加在電磁閥線圈的24 V電壓正常，懷疑電磁閥損壞。拆下檢查，閥芯銹蝕、線圈燒毀。該電磁閥為日本大金工業株式會社產品，估計由于閥芯銹蝕阻力過大，導致控制電流大增線圈燒毀。用原型號替換后正?！，F主軸變速系統正常，Ⅰ檔為30～330 r/min，Ⅱ檔為300～3 300 r/min。

6 補償功能的實現

隨著科學技術的飛速發展，數控系統的誤差補償功能已成為提高機床精度的最有效的手段之一，它與單純追求機床加工裝配精度相比，有著便捷、廉價、高效等特點。目前，數控系統普遍都具有反向間隙補償和螺距誤差補償功能，這也是目前對數控系統最基本的要求。但對于高精度的多軸系統而言，僅有這2種補償是遠遠不夠的。這是因為:(1)機床軸數增加，電動機的發熱以及摩擦副的發熱，使機床的熱變形增大，于是，熱誤差成為不可忽視的誤差源;(2)各軸誤差的疊加，特別是旋轉軸的加入，使得系統誤差成倍增大。

西門子840D系統有著豐富的誤差補償功能，除前述2種補償外，還有熱誤差補償、垂度補償和角度誤差補償、摩擦補償(過象限補償)以及跟隨誤差補償等。這些補償功能可以在相關軸參數的支持下配置在任意一臺機床上，其基本思想是通過靈活的變量傳遞實施。

為了學習和研究補償功能，對幾種補償進行了嘗試，盡管有些補償對本機床可能作用不大，但對研究其原理意義重大?，F以溫度補償為例，作以簡要說明。在系統PLC配置時，就增加了模擬量EM331，該模塊為8點模擬量輸入，用作溫度測量時可帶4個Pt100熱電阻?？紤]到溫度測量的實施和主要熱影響，我們僅對主軸進行了溫度補償。關鍵是測溫點的選取，實驗得到溫度曲線，經寫入PLC變量，系統隔一段時間后讀取溫度，根據變量補償主軸的熱漲位移量。其他補償實施及伺服優化已有專文敘述，這里不再重復，可查閱參考文獻［1－3］。

7 結語

改造后的數控鏜銑床，性能大幅提高，拓展了許多功能，經幾年使用效果良好。通過用西門子840D系統改造五軸聯動鏜銑床，加深了學生對現代數控系統的進一步認識和了解，提高了學習和應用先進數控系統的能力，為數控改造積累了經驗。通過數控改造，將西門子840D系統及五軸加工引入學生教學實驗，大大縮短了教學條件和國外先進技術的距離，受到了事半功倍的效果。用改造的五軸機床對本科生開設的五軸聯動加工開放實驗，既使學生學習了840D系統的使用和操作，也學習了葉片等復雜曲面的變成機加工技術。多個研究團隊利用五軸聯動機床及840D系統進行了數控機床重大專項研究，將我校的數控技術教學實踐和科研水平提高到一個新的起點。

［1］郭亮，梅雪松，張東升，等.840D數控系統的伺服參數優化術［J］.機電工程，2011(4):444－447.

［2］顧向清.SINUMERIK840D自動過象限誤差補償QEC的應用［J］.制造技術與機床，2010(6):164－166.

［3］張沖，張東升，陶濤，等.西門子840D/810D幾何誤差補償研究［J］.機械工程師，2011(1):32－34.

［4］顏冠軍，馮斌，張東升，等.840D數控系統摩擦補償的實現［J］.制造技術與機床，2011(2):157－159.

［5］Seimens AG，Sinumerik 840D/840Di/810D Compensations(K3)Function Manual［Z］.03.2006Edition.

［6］Seimens AG，Simodrive 611 planning Guide(PJU)［Z］.02.2003Edition.

［7］Seimens AG，ADI4 － Analog Drive Interface for 4Axis［Z］.05.2005Edition.