LK6807B機床的通用化集成??

景富軍

(中國兵器裝備集團自動化研究所智能制造研發中心，四川綿陽621000)

通過整機系統結構模塊化功能設計、制造裝調,配置一套西門子840D sl型號數控系統控制功能平臺,二次開發數控系統的自動化軟件編程、加工過程監控、異常停電的軌跡回退等專用功能,集成一套能滿足內孔加工范圍φ100～φ250 mm、工件長度范圍3 000～12 000 mm、高硬度合金材料不同規格工件加工的LK6807B型號深孔螺旋線拉削加工通用機床.

1 結構模塊設計制造

考慮到加工工件長度范圍大、內孔加工范圍變化大、加工過程重復穩定性好等指標需求,將整機結構設計為工件床身、刀桿床身、進給傳動、拉刀系統、冷卻回路、潤滑回路、安全防護保障等功能相對獨立的模塊化結構[1],并行制造、配裝融為一體,機床總體長度不短于27 m.圖1為整機系統結構三維示意布局圖.

1.1 工件床身模塊

工件床身模塊由工件床身、工件支架、夾具、回油回路等組成.工件床身制造長度13 m,可適應不同長度、不同外形工件的裝夾.根據制造工藝的可行性要求分為兩段模塊分別鑄造,拼裝固定成為整體,具有足夠的剛度承載力；導軌副采用雙矩形導軌結構,床身中間低于導軌面方便冷卻液循環回收；由3個可移動支架組成固定支架,依據工件長度、重心等手動調節3個支架定位；各夾具部件沿中心線對稱夾持,獨立調整,三方固定,可調范圍φ100～φ500 mm,滿足涉及的所有工件的通用裝夾、固定性能,保障了工件的同心定位[1-2].

1.2 刀桿床身模塊

刀桿床身模塊由刀桿床身、刀桿托架、主軸箱箱體等組成,用于配裝不同規格的刀桿和刀體.結合主軸箱1.5 m長度的空間需要,刀桿床身制造長度14 m,可滿足不同長度刀桿的裝配；采用鑲鋼貼塑導軌副方式提供主軸箱導軌面；刀桿托架由3個移動托架和1個固定托架組成.托架上的滑動軸承采用了德國生產的固體潤滑軸套裝配,摩擦系數小、使用壽命長；根據工件長度需求調整滑動軸承與刀桿間的實際間隙,避免了加工過程中出現震動等狀況.固定托架采用了不同規格的可調彈性夾套支撐,支持多種規格刀桿的不同配裝需求；依據刀桿長度人工定位托架位置,保障刀桿的行程需要[1-2].

1.3 進給傳動模塊

依據工件加工工藝需求,設計的三套進給軸傳動模塊由三套通用且易于裝調的傳動結構回路組成并通過控制系統編程實現有效聯動,它們都集中裝配在整體鑄造的主軸箱箱體中,如圖2所示[1-2].

通過ANSYS仿真軟件對設計的主軸箱箱體受力形變分析如圖3所示,主軸箱箱體具有結構緊湊、強度余量大、變形微小等特點,保障承受多種復合負載時具備足夠強度,滿足機床加工的實用要求.

將工件床身、刀桿床身、主軸箱箱體等模塊聯裝成整體.通過對床身臺面的水平、導軌平行度、工件和刀桿床身中心線一致性、床身配合精度等指標按照高于國家機床標準精調,保障了刀桿沿工件軸線直線進給的Z軸進給定位精度誤差小于0.02 mm/1 000 mm、刀具沿工件軸線的C軸旋轉精度誤差小于0.01°、刀具沿工件徑向的X軸進給精度誤差小于0.01 mm/250 mm等全程精度實際要求[1-2].

2 控制系統功能集成

2.1 控制系統硬件配套

選用了西門子840D sl型號數控系統作為主控系統；依據進給軸驅動功率、加工速度等實際需要,配套了55 kW的電源模塊保障1FT7108型號伺服電動機實現Z軸進給、1FT7105型號伺服電動機實現C軸旋轉、1FT7086型號伺服電動機實現X軸進給,構成速度半閉環控制回路；配套德國海德漢公司制造的兩套光柵尺、一套角度編碼器分別對接三軸位置檢測部件,連接三套SMC20模塊sin/cos信號接口和DRIVE CLIQ驅動控制電纜與數控系統構成位置環回路,實現三進給軸全閉環控制；配套一套80 kVA功率交流穩壓器為整機系統提供穩定的AC380V三相輸入電源；多路DC24V開關電源分別提供操作箱、驅動柜等直流電源；一套空調機裝配于驅動柜外側保障驅動柜內部件長期工作在25℃左右恒溫環境.整機系統控制原理如圖4所示[1-5].

2.2 控制功能的實現

通過對集成的數控系統基本控制功能、參數設置、驅動優化等整機聯調,利用數控系統配套的PLC(programming logic control)I/O模塊接口編程急停、進給軸限位、機床零點、Mini型手輪信號、加電時序控制、驅動模塊瞬時狀態、電源模塊故障、系統內部故障、軸位置超差、電動機負載電流超限、加工過程警示、空調機故障、潤滑液位低、冷卻壓力不足等信號的及時檢測監控,定義了機床控制面板上15個按鍵的冷卻、潤滑、換刀、修調、分度、單左行、單右行、倍率、冷卻干預等獨特功能,進一步完善了需求的整機系統基本控制功能[1-2,4].

通過定期檢驗并調節三進給軸傳動回路部件的連接精度和傳動可靠性、校正進給軸螺距補償等方式,保障了整機系統精度的穩定實現.

3 特殊控制系統功能開發

數控系統不具備自動編程等功能.針對機床特殊功能需求,依據數控系統功能平臺開發了下列部分特殊功能的實現.

3.1 數控系統參數化編程功能的二次開發

開放數控系統3GL畫面開發軟件授權,開發了方便切換的工件工藝參數、采樣內部參數、方程系數、電動機流偏監控參數、程序管理、系統授權等10個通用OEM參數設置畫面.圖5中展示了工藝參數設置界面的部分參數.通過人工設置對應畫面中工件必需的工藝參數,開發的編程軟件自動實現參數判別、運算處理并編制出對應工件加工程序,自動將編制好的加工程序存放到數控系統“零件程序”子目錄中,提供操作者選用.

數控系統接收到設置的相關參數,PLC程序通過變量區讀取對應參數,實現瞬時位置、瞬時電流、加工過程記錄、報警信息等的及時判斷、處理.數控系統和PLC間及時交換相關信息并有效激活停止加工、安全退刀、報警提示等信息,實現加工過程的有效監控.圖6為進給軸瞬時電流判別控制圖.

3.2 研制數據庫管理軟件實時記錄工況數據

利用開發的專用軟件重新分配數控系統數據區,建立相關參數的數據庫文件,收集處理每次開/關加工程序等監測相關數據,經編程軟件處理為如圖7所示的工況數據記錄表等外界能識別格式的數據文件,在退出加工過程狀況下,方便拷貝和外界分析.上述最新數據文件能在數控系統中保存不短于3個月,有利于實現對加工狀況的有效管控[1-3,5].

3.3 異常停電后的軌跡回退功能

開通數控系統中緊急回退功能軟件授權.當系統異常停電或急停中止自動加工過程,坐標位置捕獲信號立即被激活,開發的編程軟件立即生成原軌跡退刀程序XXX_LT.txt.當數控系統重新上電或退出急停狀況后,操作啟動“安全回退”功能鍵,系統立即自動執行對應退刀程序安全回退一定距離脫離工件,減免了工件、刀具等不必要的損傷[2-4].

4 結語

經過一年多時間的優化設計、配裝聯調和有效使用,整機系統的整體結構、控制功能、加工精度等均達到了用戶的實際要求,實現了整機系統交鑰匙工程,實現了數十種型號內孔拉削的工件加工,通用性強,為多用途通用機床制造提供了一種可以借鑒的模塊化設計、模塊化組合聯調、集成快速、通用的可行實踐,具有推廣性能[1-5].