米克朗UCP系列5軸加工中心換刀系統改造

張建

（中國空空導彈研究院二分廠，河南洛陽 471009）

米克朗UCP系列5軸加工中心換刀系統改造

張建

（中國空空導彈研究院二分廠，河南洛陽 471009）

分析換刀系統電氣及機械設計原理，找出米克朗UCP系列加工中心換刀系統故障率偏高的原因。通過3種維修方案的對比，確定選擇加裝變頻器的改造方案。項目實施后，機床換刀振動和刀庫故障減少，節省維修費用。

5軸加工中心；換刀系統；變頻器

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.54

0 概述

米克朗UCP系列5軸加工中心采用海德漢iTNC530數控系統，該機床是專為滿足工業模具、航天和賽車業要求而設計的多軸、高精度零件加工機床。

1 米克朗UCP系列加工中心換刀系統簡介

UCP系列加工中心采用盤式刀庫，通過手動裝載刀具，在加工進程中換刀系統處于準備狀態。垂直軸通過伺服驅動移動到換刀位置，然后抓取刀具。刀具切屑端朝下存儲在刀盤上，這樣可防止鐵屑、切屑液等污染主軸抓刀錐孔。在加工過程中，自動防護門關閉，使換刀系統與加工區域隔離，防止刀具及換刀系統被鐵屑及切屑液污染。

2 換刀原理

2.1 換刀流程

UCP系列加工中心的換刀流程：操作人員輸入換刀指令后，數控系統CNC接到請求刀號信號，控制PLC的O11輸出信號，K602繼電器線圈上電，其常開觸點吸合給M600供電使其正向旋轉，驅動大導程的螺旋傳動機構旋轉，帶動螺母做直線運動，從而將刀盤推出刀庫，同時通過機械傳動推開刀庫門，B638接近開關檢測刀盤前進后退位置是否到位，同時刀盤上的刀夾夾緊主軸上的刀具，數控系統控制主軸松刀并上移。然后CNC根據目標位置和現在位置確定最短路徑旋轉方向，隨后通過伺服放大器A501驅動電機M611旋轉。電機的旋轉運動通過刀盤驅動減速器轉變為刀盤的旋轉運動,刀盤的角度位置信息通過編碼器精確地反饋給數控系統，判斷刀盤旋轉是否使指定刀號達到換刀位置。指定刀號達到換刀位置后，主軸移動到抓刀位抓取刀具，PLC的010輸出信號，控制M600反轉，把刀盤拉進刀庫并關閉刀庫門，完成換刀動作。

2.2 換刀系統布局

圖1 換刀系統布局

換刀系統部件如圖1所示，刀盤驅動減速器、刀盤旋轉伺服電機M611、刀庫前進/后退到位檢測開關B638、驅動刀庫前進/后退交流異步電機M600分布在刀庫中，刀庫零點開關B637、換刀位刀具檢測開關B611、刀具監測開關B630分布在刀盤底部及前方。

2.3 控制系統原理及電氣圖

控制系統主要包括人機交互界面MMC、海德漢數控系統CNC、可編程邏輯控制器PLC、驅動電機和檢測開關等（圖2）。系統采用集中控制方式，控制系統的核心為CNC與PLC,由人機界面發出換刀信號，經CNC及PLC運算處理后，使電機驅動刀盤做前進、后退以及旋轉運動，后經接近開關把信號反饋給 LC，PLC負責處理信號的邏輯關系，從而控制刀盤的準停。

圖2 控制系統原理

換刀系統驅動電氣圖如圖3所示，換刀系統檢測電氣圖如圖4所示。

圖3 換刀系統驅動

3 換刀系統存在的問題

UCP系列加工中心近7年故障維修統計如圖5所示，刀庫及換刀故障相比于其他類型故障數量最多。產生這些故障的主要原因是換刀過程產生的沖擊振動造成位置檢測開關B611和 B630檢測不到信號或者造成刀庫傳動機構的機械損壞。因此需要找出換刀系統振動大的原因然后對換刀系統的故障進行維修，解決換刀過程振動大的問題。

圖4 換刀系統檢測

圖5 UCP系列故障統計

4 換刀系統振動大的原因

驅動螺桿如圖6所示，整個機構由一部三相交流異步電機驅動螺旋傳動機構旋轉，帶動螺母做直線運動，從而實現刀盤的進出移動。

式中：v——速度，m/sP——螺桿導程,mn——電機額定轉速，r/min

從式（1）可以看出，在電機恒定轉速下，螺桿導程越小，刀盤直線移動速度越低。螺桿的設計就是根據這一原理，使其導程角漸變式呈現兩端小、中間大的特征，從而實現刀盤直線移動的加減速運動，在機械上實現刀盤直線運動的減速制動功能。

隨著機床役齡的增長，螺桿兩端的小導程角螺紋逐漸被磨損，導致刀盤在移動結束的瞬間都是機械上硬性撞擊減速停止的，沒有任何緩沖裝置，具體表現為換刀過程中的巨大振動和聲響，損壞機床機械結構，影響換刀檢測開關信號的穩定性，增加機床換刀系統的故障率。根據式（1）計算，在忽略所有阻力的理想狀態下刀盤撞擊前移動速度為9 m/s。

5 改造方案和實施

5.1 可選方案

圖6 驅動螺桿在換刀過程中，刀盤直線移動速度

3個可選方案：①更換螺桿備件；②采用減速電機或低速電機替換原有電機來降低速度；③利用變頻器控制電機的加速減速曲線并配合變頻器的智能剎車控制（表1）。

表1 可選方案

5.2 方案對比及選擇

在上述3種方法中，第一種不用改動電氣控制，但是螺桿備件采購周期約2～3周，需要進行機械拆卸及裝配，拆卸并更換螺桿維修工時約2～3個工作日，沒有可調性；第二種采用減速電機的方法，雖然有成熟的電機可以直接替換，但是需要重新設計連接緊固機構，周期也相對較長，也沒有可調性；第三種利用變頻器設置基本頻率和柔性加減速參數來實現，此方法在機械上不需改動、電路上不需增加其他器件，只需將原繼電器控制的線路接到變頻器的輸入輸出，正反轉控制線路則接到原正反轉控制接觸器的輔助觸點。

通過比較不難發現，加裝變頻器的方案有實施周期短、備件費用低、操作簡單、有可調整性等諸多優點，因此選擇利用變頻器來實施改造方案。

5.3 方案實施及效果

變頻器型號選擇為臺達VFD-M，安裝實景（圖7）。繼電器的控制線路接到變頻器的輸入輸出，原正反轉控制繼電器的輔助觸點接到變頻器正反轉信號。

圖7 變頻器安裝實景

反復調試設置最終確定主頻率為25.6 Hz，加速時間P10為0.5 s，減速時間P11為1 s，電機停車方式P02為00（恒減速剎車方式），主頻率設定源P00為04（由數字操作器上的旋鈕設定），停止時直流制動時間0.5 s，因為控制的電機為永磁機，永磁電機不存在勵磁線圈，所以控制模式P105設置為00（V/F控制、標量控制）。

通過此改造項目之后，機床換刀過程中刀盤直線運動最大速度降低為4.5 m/s，通過恒減速剎車方式使刀盤在接近兩端終點時速度降低至0，因此換刀過程振動大大減輕，機床刀庫故障率降低。

TH17

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〔編輯 吳建卿〕