用于汽車橋殼工件加工的數控雙頭車的電氣設計與應用

熊 輝

(寧夏新瑞長城機床有限公司, 寧夏 銀川 750021)

對于重型汽車橋殼工件的加工，一般推薦用戶使用筆者公司生產的CKU7840中間驅動機床。為提高設備使用效率，某重汽車橋公司需要一種可加工多種汽車橋殼工件的機床。分析用戶提供的4種橋殼工件：毛坯長1 270～1 400 mm，可以用頭架尾架的伸縮去兼顧；工件加工部位的止口尺寸為φ156～158mm、法蘭尺寸均為φ220 mm，差異不大；中間包體形狀和尺寸差異較大，橋殼工件圖[1]對比見圖1，因此中間驅動裝置無法做到通用，CKU7840中間驅動機床無法滿足加工需求。

經過與用戶的多次技術溝通，我們在CKU7840中間驅動機床基礎上，根據加工工藝的需要，取消中間驅動裝置，采用頭架、尾架雙主軸驅動，為用戶設計并生產了3臺CKS7840數控雙頭車機床。

1 機床簡介

CKS7840數控機床有左右兩個對置的主軸，有左右兩個床鞍，雙刀架對稱布局。左右主軸箱上裝有頭架、尾架套筒及脹套；兩組液壓托料架用于橋殼工件自動上下料。機床結構如圖2[1]。

兩個主軸均采用FANUCαiP30系列數字交流主電動機驅動，可在寬范圍內實現無級調速。主電動機采用Y型接線，使用電動機的低速區特性，并通過皮帶減速，最終左右主軸限定最高主軸速度500 r/min。

加工時頭架、尾架夾持著同一個工件同步旋轉，這就要求兩個對置的主軸不僅轉速相同，主軸旋轉的相位(旋轉角)也必須保持一致，為此需使用FANUC主軸同步控制功能。為精確地控制主軸的相位同步，CKS7840機床的兩個主軸均采用FANUC BZi環形編碼器作為位置反饋。

該機床的縱、橫向電動機采用高性能的FANUCαiF系列交流進給伺服電動機，定位精度高。左右刀臺采用SAUTER公司生產的0.5.440.220/8T系列液壓伺服轉塔刀臺。左刀臺在左床鞍上，由X1軸和Z1軸伺服電動機驅動；右刀臺在右床鞍上，由X2軸和Z2軸伺服電動機驅動。

2 數控系統及連接

出于成本的，CKS7840機床使用FANUC 0i-D雙通道數控系統，圖3為主軸連接示意圖[2]。第一主軸(左主軸)是主控主軸，通過NC與主軸放大器的通訊電纜接受來自CNC的指令，第二主軸(右主軸)跟隨主主軸同步回轉，是從控主軸。主電動機αiM傳感器的速度反饋連接到主軸模塊的JYA2，BZi環形編碼器的位置反饋連接到主軸模塊的JYA4。CNC 隨時監視兩個主軸的移動位置，并對兩者的誤差進行補償。

3 機床工作時序

圖4為PLC外部電氣接線圖。為方便操作，開機后首次主軸同步控制用按鈕操作，主軸同步完成后，主軸同步按鈕指示燈亮。套筒、脹套、托料架是用液壓控制的，其中套筒可以氣動鎖緊，橋殼工件放在托料架上通過兩個定位銷定位。

機床NC通電后，主軸電動機均處于自由狀態，是速度控制方式。進入主軸同步控制方式過程中，為了檢測位置編碼器一次旋轉信號，兩個主軸會自動地旋轉2～3圈，旋轉方向、旋轉的圈數均可能不同，因此接通主軸同步控制是不能夾持著工件進行的。

如果機床上一次斷電時未將工件卸下，NC通電后，為確保安全需先卸下工件：托料架上升→脹套松開→頭架、尾架的主軸套筒松開并退回→托料架下降到原位→用天吊卸下工件。

然后，手動方式按主軸同步按鈕、或MDI方式執行M46 S0進行主軸同步操作。主軸進入同步控制方式后，主軸停在位置編碼器一次旋轉信號位置。

手動或自動上料：托料架上升→主軸套筒伸出、鎖止→脹套漲緊→托料架下降到原位。自動門關閉后，主軸便可以同步旋轉進行工件加工。

根據用戶的汽車橋殼工件裝載及卸料的需求，加工結束后，主軸需定向停止在固定的方向，因此需要實現主軸同步控制中定向的功能。

主軸同步定向停止后，手動或自動下料，自動門打開，吊走加工好的工件，繼續裝載下一個工件。機床工作時序如圖5。

由于工件又大又重，為確保設備安全，按照動作順序要求，在PLC梯形圖中編寫了相應的互鎖關系、操作信息及報警。

4 主軸同步控制

根據機床工作時序需求，機床需進行主軸同步的相關控制[3]

4.1 主要參數設定

8133 #4=1使用主軸同步控制

4014 #6=1主軸同步定向功能有效

4800#5=1進行將第1路徑第1主軸作為主控主軸、第2路徑第1主軸作為從控主軸的主軸同步。

4801#0在主軸同步控制中各電動機的旋轉方向處理，路徑1設為0，路徑2設為1。

4.2 PLC處理

主軸同步控制的信號處理、主要邏輯關系參見圖6的梯形圖[4]。

M46接通主軸同步控制信號G38.2，當F44.2為1時主軸同步速度控制完成(轉速同步)，接著接通主軸相位同步控制信號G38.3，當F44.3為1時主軸相位同步完成(相位匹配)。

根據工件卸載的需求，主軸停止需要進行同步定向停止操作。復位或指令M05時，發出同步定向操作請求信號G73.3，并指定定向旋轉方向。當主軸放大器端輸出同步定向容許信號F47.3時，接通主軸相位同步控制信號G38.3，主軸同步定向停止在一次旋轉信號位置。

在初期調試過程中出現了主軸飛車狀況：執行M46主軸同步，M03S50旋轉主軸，急停后再次執行M46，主軸飛車到最高轉速500 r/min然后進入同步狀態并停止。繼續調試發現G38.2應遲于G70.4接通，即解除急停后，需先進入速度控制方式，再進入主軸同步控制方式。

由于篇幅的關系，參數設定不能一一列舉，PLC梯形圖也做了簡化，如主軸的其他信號處理、同步條件、手動的同步等做了刪減。

5 機床應用

機床的上料和卸料過程固定，手動操作較為繁瑣。通過參數設定了兩個調用子程序的M代碼[5]，M71調用自動上料子程序O9001，M72調用自動下料子程序O9002，可在主程序中調用以實現半自動加工。編程舉例如下：

O1111； 主程序

M24； 自動門關

M71； 調用機床自動上料子程序O9001

……： 工件加工程序塊

M05； 主軸同步控制中定向

M72； 調用機床自動下料子程序O9002

M25； 自動門開

M02

O9001； 自動上料子程序

M36； 托料架上升

M12； 主軸套筒伸出、鎖止

M10； 脹套漲緊

M37； 托料架下降到原位

M99； 返回主程序

O9002； 自動下料子程序

M36； 托料架上升

M11； 脹套松開

M13； 主軸套筒松開、退回

M37； 托料架下降到原位

M99； 返回主程序

6 結語

該機床的設計滿足用戶一臺機床加工多種橋殼工件的需求，且用戶只需將橋殼工件定位放在液壓托料架上，一鍵循環啟動后，關門、上料、裝卡、加工、下料、開門等工序一次自動完成，大大地提高了生產效率。如果機床外配備裝載卸載工件的機器人、工件輸送裝置等，便可實現自動化加工生產線。

2011年以來3臺CKS7840機床已在用戶現場使用多年，機床控制穩定可靠，實際應用效果很好。

[1]李顏平.基于橋殼加工的兩頭同步驅動加工數控車床設計和研究[J].制造技術與機床，2017(9)：26-28.

[2]FANUC AC SPINDLE MOTOR αiseries參數說明書，B-65280CM[Z].

[3]FANUC 0i-D連接說明書(功能篇)，B-6 4303CM-1/01 [Z].

[4]FANUC 0i-D PMC PROGRAMMING MANUAL，B-64393EN/02[Z].

[5]FANUC 0i-D車床系統/加工中心系統通用 操作說明書，B-64304CM/02[Z].