進口二手數控曲軸銑床電氣自動化改造及應用

初忠智，王基鈺，于竹青

天潤工業技術股份有限公司 山東威海 264400

1 序言

當前國內設備制造行業方興未艾，但設備制造的基礎如數控系統的研發和使用、機床機械部件的制造及應用等仍與世界先進水平有不小的差距。近年來，我公司從成本和機床的利用率、改造的性價比等方面調研，購買了多臺進口二手數控銑床，該批設備電氣系統老化，但其機械部件已經過多年的自然時效，精密鑄造、傳統工藝淬火的基礎工件年代越久，其應力與精度穩定性越好，工件耐疲勞、抗變形能力越強，應用價值也越高。但也正因為其電氣系統尤其是數字控制系統已經屬于淘汰產品，限于電氣元件的可恢復性、備件的可用性與儲備性及公司內人員缺乏對該系統的認識和了解等，二手設備的電氣系統無法使用，需要進行“換腦”和“換心”，將原有的電氣控制系統進行改造，更換為性價比更加適合的數控系統，讓老設備重新投入使用。

2 改造的目的、現狀和主要內容

（1）實施改造的目的 對二手設備進行電氣自動化改造，使原本淘汰報廢的設備發揮其殘余價值，并且恢復加工能力、加工精度，是本次改造的主要目的。

（2）數控機床改造現狀 近幾年我國數控機床雖然發展較快，但在可靠性、外觀質量、產品開發周期、應變能力及設備剛性等方面與國際先進水平還存在一定的差距。為了縮小差距，有關專家建議機床企業應在以下6個方面著力研究。

1）加大力度實施質量工程，提高數控機床的無故障率。

2）跟蹤國際水平，使數控機床向高效、高精方向發展。

3）成套設計開發能力上求突破。

4）發揮服務優勢，擴大市場占有率。

5）多品種制造，滿足不同層次的用戶需求。

6）模塊化設計，縮短開發周期，快速響應市場。

（3）改造的主要內容 我公司有一臺1996年出廠的德國某品牌數控曲軸銑床，是公司早期購買的二手進口銑床，該機床原采用Uni-pro NC90系統，但系統及驅動部分故障率比較高，系統控制板及驅動板均為淘汰產品，損壞后修復困難，修理周期長，而且無相應備件替換，造成設備停機時間長。隨著自動化技術的發展，此機床已無法滿足自動化要求，需對此機床進行系統改造，用FANUC αi系列（公司原儲備備件）伺服單元和伺服電動機替換原機床控制單元和步進電動機，可實現多軸數控聯動。

3 數控曲軸銑床電氣改造技術要求

根據原機床的結構和功能確定數控系統的配置，改造的技術要求如下。

1）用FANUC具有網絡功能的超小、超薄型及高精、高效的FANUC 0i-TD 數控系統更換原機床的數控系統。并且選用FANUC 0i-TD雙路徑控制功能，可實現兩個刀架同時加工，也可兩個刀架獨立加工。

2）用具高速、高精度和高能效的FANUC αi系列（公司儲備的備件）交流數字伺服單元和伺服電動機更換原機床X1軸、Z1軸、A1軸、X2軸、Z2軸和A2軸的伺服單元及伺服電動機。同時X1軸為刀架1徑向移動，Z1軸為刀架1軸向移動，A1軸為刀架1偏心軸旋轉，X2軸為刀架2徑向移動，Z2軸為刀架2軸向移動，A2軸為刀架2偏心軸旋轉。

3）保留原機床X1軸、A1軸、X2軸及A2軸的半閉環反饋控制。將原機床Z1軸、Z2軸由半閉環控制改為全閉環控制，增加光柵尺。選用海德漢全封閉絕對式雙讀數頭光柵尺，機床改造完成以后，用激光干涉儀對X1軸、Z1軸、X2軸和Z2軸的定位精度與重復定位精度進行檢測與補償，提高機床各坐標軸的定位精度。

4）用FANUC 0i-TD的I/O連接單元更換原機床的I/O連接單元，用FANUC 0i-TD系統的內裝PLC對機床外圍的所有動作進行邏輯控制。

5）重新設計制作機床操作站與機床操作面板（操作面板上的所有按扭和指示燈選用施耐德產品），選用FANUC 10.4in（lin=0.0254m）LCD彩色液晶顯示器及日本原裝外掛式手搖脈沖操作盒。

6）用FANUC原裝伺服電動機反饋電纜更換原機床X1軸、Z1軸、A1軸、X2軸、Z2軸和A2軸的反饋電纜，用德國纜譜的動力電纜更換原機床X1軸、Z1軸、A1軸、X2軸、Z2軸、A2軸及兩個主軸的動力電纜。

7）保留原機床電氣柜，重新設計制作強電控制盤。所有強電元件選用西門子或施耐德品牌。

8）保留原機床兩個主軸電動機的控制方式及主軸電動機，重新配置軟起動器，重新接線，使之與新的0i-TD系統相接，并通過系統內部PLC程序對其進行控制。

9）將原機床X軸、Z軸由一個電動機控制改為兩個電動機單獨驅動，去掉原機床的齒輪減速箱。重新設計制作4個齒輪減速箱（保留最后一級齒輪傳動），并同時加裝4個伺服減速器替換原來的減速齒輪與離合器，消除齒輪傳動間隙。

10）根據原機床的結構和動作要求重新進行機床的電氣設計和PLC控制程序設計。

4 數控曲軸銑床改造后的構成及關鍵動作設計

（1）改造后的機床電氣控制部分 改造后的機床如圖1所示。其電氣控制部分由機床電器柜、

圖1 改造后的機床

CRT/MDI操作盤以及機床操作面板等構成。

1）機床電器柜 柜內裝有日本FANUC A系列伺服單元，包括X1軸、Z1軸、A1軸、X2軸、Z2軸和A2軸，FANUC 0i-TD數控系統，I/O接口電路，以及光柵尺接口板等。

2）CRT/MDI操作面板 CRT/MDI操作面板安裝在操作站的上方，各按鈕功能可查閱用戶手冊[1]。

3）機床操作面板 機床操作面板如圖2所示，各按鈕的功能在關鍵動作設計和主要運動部件控制中有相應說明。

圖2 機床操作面板

（2）關鍵動作設計 關于雙通道控制、機床各軸控制和互鎖信號的關鍵動作設計如下。

1）雙通道控制。改造采用FANUC 0i-TD控制系統，該系統是雙通道的，每個通道相當于一個單獨的系統，可以分別控制相應的軸運動。在MDI及自動方式執行機床控制時，一定要分清當前的通道，在顯示屏幕的右下角顯示：路徑1（即通道1）或路徑2（即通道2）。對于同一條指令，例如：GO G91 X100；如果此時是通道1，則X1軸移動；如果在通道2中，則X2軸移動。通道的切換可通過操作面板上的切換按鈕實現[2]。

2）機床各軸控制。在該數控銑床中，有6個數控軸，其中通道1控制3個數控軸，它們分別是X1軸、Z1軸和A1軸；通道2控制3個數控軸，它們分別是X2軸、Z2軸和A2軸，其中機床的前后運動沿X軸，機床的橫向移動沿Z軸，刀盤的旋轉運動沿A軸。

3）各軸互鎖信號。①在移動時，X1軸液壓鎖緊壓力檢測必須斷開，且為自動打開。②Z1軸位置必須在設定的范圍，即脫離卡盤區，允許X1軸移動，當同時按下“雙通道運行”鍵及相鄰左邊的空白鍵，在手輪方式下，可以移動X軸。該設計是為了對刀盤中心使用，使X軸不受Z軸位置設定條件的影響。③在移動時，Z1軸液壓鎖緊壓力檢測必須斷開，且為自動斷開；中心架松開，左卡盤夾緊，左側防護罩打開[3]。

5 主要運動部件控制

（1）刀盤旋轉控制 本機床的主軸為普通三相電動機控制，起動采用西門子軟起動器控制，平滑升速。主軸速度約為80r/min。在主軸傳動齒輪側面安裝速度檢測開關，在旋轉過程中機械出現問題時，及時報警且讓機床停止進給[4]。

（2）刀盤旋轉起停注意事項 當“卸左刀盤”按鈕按下時，對應的左刀盤將不能旋轉，當“卸右刀盤”按鈕按下時，對應的右刀盤將不能旋轉。當刀盤起動后有急停報警時，將導致刀盤停止，且軟起動器報警，電器柜內軟起動器紅燈亮，需將軟起動器復位才能消除報警[5]。

（3）刀盤的拆卸動作 當機床的刀盤需要拆下時，需要將刀盤停止。如果拆左邊的刀盤，將Z1軸向右開到合適的安全位置，長按“卸左刀盤”按鍵，約1s即可，卸左刀盤燈將閃爍。如果拆右邊的刀盤，將Z2軸向左開到合適的安全位置，長按“卸右刀盤”按鍵，約1s即可，卸右刀盤燈將閃爍。當該燈閃爍后，刀盤將不能旋轉。然后拆掉中心架上的護罩，手動移動相應的X軸退出中心架范圍。換完刀后，先將X軸移回刀盤中心，然后按住相應的“卸刀盤”按鈕約1s，燈滅后再將Z軸移回加工位。

需要注意的是：如果刀盤開出來，必須將“卸左刀盤”、“卸右刀盤”指示燈點亮，直到機床的X軸恢復原位，再按該按鈕，取消該動作，否則會出現嚴重后果。由于機床的X軸有液壓鎖緊，所以當X軸開出來后，鎖緊液壓將無處密封，導致大量漏油，甚至把密封圈憋壞；當卸刀盤功能生效后，機床對應的X軸將不鎖緊，也就不會漏油。

（4）卡盤及頂尖的控制 在手動狀態下，按一下“左卡盤夾緊”按鈕，左卡盤將夾緊，指示燈亮；按一下“左卡盤松開”按鈕，“左卡盤將松開”松開燈亮。其他手動按鈕“左止口前進”“右頂尖前進”“右卡盤松開”“中心架松開”和“中心架夾緊”等操作類似。

在自動狀態下，按“夾緊”按鈕，動作順序為右頂尖前進→止口前進→左卡盤夾緊→右卡盤夾緊→完成后燈亮。

按“松開”按鈕，動作順序為止口松開→右卡盤松開→左卡盤松開→右頂尖后退→完成后燈亮。

需要注意：編制手動控制PLC程序時要先頂右頂尖，再讓右卡盤夾緊，否則容易損壞機械。

（5）尾座的移動 在手動狀態，將Z2軸開出卡盤區到達安全位置；同時按住兩個尾座移動鍵約1s，兩個指示燈同時閃爍；松開固定尾座的左右螺釘，手動前后扳動尾座上方的液壓閥5S25手柄就可以移動尾座。

6 結束語

通過電氣改造，解決原機床控制系統和位置反饋系統問題，使機床具有高精度和精確的位置補償功能，讓舊設備煥發新活力。

數控機床使用范圍越來越廣，市場容量也越來越大，但競爭也會加劇。機床使用企業不能從根本上解決當前國內設備制造業存在的問題，雖然大量應用國內設備，但高精度、高速率和高強度要求的設備仍需要從國外進口。而采取對二手設備進行自主改造的方式，可以縮短與先進裝備制造技術的差距，吸收國外先進的機床技術，同時也能為企業節省大量的成本。同一級別的國產設備價格是300多萬元，進口全新設備價格是700～900萬元，而采購二手進口設備價格是80萬元，加上改造費用90萬左右，比采購進口全新設備最高可節省成本達700多萬元，經濟效益顯著。