龍門銑床的數(shù)控改造

朱 亮,熊超美,王 杰

(1.湖北省地質(zhì)勘察裝備中心,湖北武漢 430034; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué),湖北武漢 430074)

·機(jī)械設(shè)備·

龍門銑床的數(shù)控改造

朱 亮1,熊超美1,王 杰2

(1.湖北省地質(zhì)勘察裝備中心,湖北武漢 430034; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué),湖北武漢 430074)

主要針對(duì)龍門銑床數(shù)控改造的數(shù)控系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進(jìn)行研究與改進(jìn)。通過對(duì)龍門機(jī)床進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)的研究,對(duì)比出數(shù)控龍門銑床的優(yōu)越性,做初步改造計(jì)劃并對(duì)數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進(jìn)行選擇。選擇數(shù)控系統(tǒng)Hi800作為龍門銑床的控制核心,并對(duì)其進(jìn)行研究。最后進(jìn)行電氣系統(tǒng)的改造,給出龍門銑床電氣系統(tǒng)的具體改造和接線方法,包括重要部分的電氣連接,數(shù)控銑床弱電、強(qiáng)電的接口電路設(shè)計(jì)。

龍門銑床;數(shù)控改造;電氣系統(tǒng)

數(shù)控龍門銑床長(zhǎng)時(shí)間工作后,設(shè)備、電器控制元件會(huì)老化,整體可靠性下降,出現(xiàn)故障頻率增加,機(jī)械傳動(dòng)偏差加大,造成加工精度不高,速度減慢,單軸控制,電路復(fù)雜,操作繁瑣,性能不穩(wěn)定,且效率低下。為解決上述問題,也為了適應(yīng)現(xiàn)代制造工業(yè)發(fā)展,合理利用資源,針對(duì)龍門銑床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行改造。

1 龍門銑床的總體結(jié)構(gòu)

龍門銑床整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 龍門銑床示意圖

龍門銑床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):主機(jī)結(jié)構(gòu)為工作臺(tái)移動(dòng)、橫梁沿左右立柱上下移動(dòng),加工范圍長(zhǎng)2 000 mm、寬900 mm、高700 mm,適用于各種機(jī)械上的大中型黑色金屬或有色金屬零件的水平平面、垂直平面、斜面溝槽、凹槽的銑削以及孔類的鏜擴(kuò)加工的銑削等功能。

龍門銑床的主要結(jié)構(gòu)性能:機(jī)床的主要構(gòu)件床身、工作臺(tái)、橫梁、左右立柱、連接梁、龍門頂均為優(yōu)質(zhì)高合金耐磨鑄鐵鑄造,經(jīng)特殊工藝加工,徹底消除機(jī)件負(fù)應(yīng)力,保持機(jī)件性能穩(wěn)定。床身、工作臺(tái)導(dǎo)軌采用靜壓卸荷和耐磨涂層技術(shù),確保低速平穩(wěn)性和精度保持性,負(fù)載、摩損、精度等均能滿足工作要求。

2 龍門銑床數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)的選擇

數(shù)控裝置在此處選用的是Hi800數(shù)控系統(tǒng),系統(tǒng)采用WindowNT/2000操作系統(tǒng)及PA實(shí)時(shí)內(nèi)核(Real TIME kernel),軟件數(shù)控(Soft CNC)技術(shù)的應(yīng)用及開放式CNC架構(gòu),使用戶可以靈活地組態(tài)CNC功能模塊,適用領(lǐng)域?qū)?廣泛應(yīng)用于數(shù)控銑床、數(shù)控車床、加工中心、車銑中心、數(shù)控磨床、龍門式機(jī)床、激光切割機(jī)、激光焊接機(jī)、數(shù)控沖床、高壓水射流切割機(jī)、木工機(jī)械等加工設(shè)備。

伺服系統(tǒng)主要分為三類:(1)開環(huán)控制系統(tǒng);(2)閉環(huán)控制系統(tǒng);(3)半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)兼具開環(huán)控制和閉環(huán)控制的特點(diǎn),應(yīng)用廣泛,故伺服控制系統(tǒng)選擇半閉環(huán)控制系統(tǒng),如圖2所示。

圖2 半閉環(huán)控制系統(tǒng)

半閉環(huán)控制方式應(yīng)用的伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)兩種,交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小,使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。另外在同樣體積下,交流電機(jī)的輸出功率可比直流電機(jī)高10%～70%,而且容量可以比直流電機(jī)造得大,達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。故本設(shè)計(jì)中均采用交流電機(jī)作為半閉環(huán)控制系統(tǒng)的伺服電機(jī)。

3 電氣系統(tǒng)的改造

電氣系統(tǒng)的改造是將原龍門銑床的電氣系統(tǒng)改造為電氣系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)連接,并受數(shù)控系統(tǒng)控制的電路。在對(duì)原有機(jī)床的電氣系統(tǒng)改造時(shí),要將主軸控制、數(shù)控裝置、驅(qū)動(dòng)裝置及電動(dòng)機(jī)接入電氣系統(tǒng)。

對(duì)機(jī)床電氣進(jìn)行改造,須拆除原機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)及其相應(yīng)強(qiáng)電線路。

為實(shí)現(xiàn)機(jī)床的主軸起/停和正/反轉(zhuǎn)、切削液的開/關(guān)、緊急停機(jī)、機(jī)床原點(diǎn)的設(shè)置、各坐標(biāo)軸的限位等功能,銑床數(shù)控系統(tǒng)提供有由KA1～KA4四個(gè)繼電器和接線端子排構(gòu)成的附件板,通過電纜與系統(tǒng)控制箱相連,接受系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的輸入/輸出信號(hào)圖如圖3所示。

圖3 銑床數(shù)控化改造電氣原理圖

將附件板安裝在強(qiáng)電柜內(nèi),將控制線分別接到機(jī)床電氣的受控點(diǎn),如圖4所示。

圖4 銑床電氣改造原理圖

1.坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)用隨機(jī)電纜將各軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)柜相應(yīng)插座相連,即可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)控制。

2.主軸起/停和正/反轉(zhuǎn)、切削液的開/關(guān)均通過系統(tǒng)控制 KA1～KA4四個(gè)繼電器的吸合/斷開,從而使機(jī)床中相應(yīng)的交流接觸器吸合/斷開來實(shí)現(xiàn)。

3.緊急停機(jī)開關(guān)SB5,系統(tǒng)用三個(gè)SQ4到SQ6作為機(jī)床個(gè)坐標(biāo)軸的原點(diǎn)檢測(cè)器件,坐標(biāo)軸的限位,將系統(tǒng)的信號(hào)線接到三個(gè)行程開關(guān)SQ1到SQ3上,即實(shí)現(xiàn)對(duì)各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)限位。

4 電氣控制系統(tǒng)與其他部件的連接

4.1 在數(shù)控銑床中與弱電部分的連接

在數(shù)控銑床中與電氣控制系統(tǒng)相連的弱電部分是數(shù)控裝置和PLC可編程控制器。在與這兩個(gè)部件的連接中,可以通過數(shù)控系統(tǒng)說明書和PLC可編程控制器的輸入/輸出接口設(shè)計(jì)完成。

4.2 強(qiáng)電的接口電路設(shè)計(jì)

在工業(yè)生產(chǎn)過程中,控制對(duì)象大部分都是強(qiáng)電。在微機(jī)控制系統(tǒng)中,接口電路是硬件開發(fā)的關(guān)鍵,它不僅要求接口電路的功能控制,還要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電設(shè)備與弱電微機(jī)隔離,并輸出較大的電流用以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。目前,現(xiàn)有的控制轉(zhuǎn)換電路主要由隔離脈沖變壓器和功放管等器件組成。由于隔離脈沖變壓器可靠性差,而功放管輸出的電流又相對(duì)較小(≤1 A),都不是理想的選擇。本設(shè)計(jì)中強(qiáng)電的控制接口電路采用光電耦合器和驅(qū)動(dòng)放大器給以驅(qū)動(dòng)。它不僅滿足了隔離效果,而其驅(qū)動(dòng)電流較大(達(dá)到2 A),并具有線路簡(jiǎn)潔、性能良好、成本低及可靠性高等特點(diǎn)。電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 接口電路系統(tǒng)圖

5 結(jié) 語

數(shù)控系統(tǒng)選擇的是Hi800高性能數(shù)控系統(tǒng)并配以合適的電氣系統(tǒng)電路,使改造后的機(jī)床能達(dá)到強(qiáng)切削力、高精度、高穩(wěn)定性的機(jī)床數(shù)控化要求,改造成本適中,改造后機(jī)床的性能得到很大改善,數(shù)控系統(tǒng)提高了機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定性,伺服電機(jī)的應(yīng)用使工作臺(tái)、橫梁移動(dòng)準(zhǔn)確,位移精度由改造前的2 mm提高到改造后的0.5 mm,加工切削精度由改造前的0.1 mm提高到改造后的0.01 mm,達(dá)到數(shù)控銑床的要求,實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的功能。

[1] 王愛玲,白恩遠(yuǎn).現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2003.

[2] 羅永順.機(jī)床數(shù)控化改造技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

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[4] 白恩遠(yuǎn),王俊元,孫愛國(guó).現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測(cè)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

[5] 林宋.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[6] Bralla,James G.(EDT),Design for Manufacturability Handbook [M].New York:McGraw-Hill,2005.

Gantry Milling Machine of Numerical Control Transformation

ZHU Liang1,XIONGChao-mei1,WANGJie2
(1.Hubei Geological Prospecting Equipment Center,W uhan430034,China;2.China University of Geosciences,W uhan430074,China)

The CNC system and electrical system transformation of gantry milling machine were researched and improved.Contrast to the superiority of the CNC milling machine,through the study of the overall structure of the gantry machine,it did reconstruction plans and CNC system and servo system selection.Select the NC system Hi800 gantry milling machine as the core of the control,and research it.finally,the transformation of the electrical system,the gantry milling machine specific transformation of the electrical system and wiring methods were given,including an important part of the electrical connection,CNC milling weak,strong electrical interface circuit design.

gantry milling machine;numerical control transformation;electrical system

TH183.3

A

1003-5540(2012)05-0058-03

朱亮(1963-),男,工程碩士,工程師,主要從事機(jī)械工程和機(jī)電一體化的研究工作。

2012-07-29