進(jìn)口臥式加工中心CINCINNATI l 0HC數(shù)控系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)
CINCINNATI l 0HC是我校機(jī)械工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室80年代末進(jìn)口的臥式加工中心，原配該公司ACRAMATIC 900MC數(shù)控系統(tǒng)，直流伺服驅(qū)動(dòng)；其加工范圍X軸 1000mm、Y軸 1000mm、Z軸 800mm，并帶有￠800mm分度工作臺(tái)，轉(zhuǎn)盤型刀庫的容量為3把刀，屬大中型加工中心。由于進(jìn)口時(shí)間較早，電氣控制單元集成度低，近幾年系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障，最終由于缺乏備件，導(dǎo)致機(jī)床不能使用。
首先對(duì)機(jī)床進(jìn)行了全面測(cè)試，發(fā)現(xiàn)機(jī)床的伺服系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)尚可使用，機(jī)械部件仍然保持較高的精度，但計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及部分接口單元已經(jīng)損壞。在考慮價(jià)格和恢復(fù)原有機(jī)床的各種控制功能的前提下，決定選配西門子810M系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四軸控制三軸聯(lián)動(dòng)，保留原有的機(jī)械、液壓系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置，采用增量式編碼器代替原有的直線感應(yīng)同步器作為位置反饋元件，采用西門子內(nèi)裝PLC控制機(jī)床的I／O點(diǎn)，提高接口的可靠性。
原機(jī)床采用感應(yīng)同步器作為位置反饋元件進(jìn)行閉環(huán)反饋，而西門子810M系統(tǒng)基本配置只能處理編碼器的反饋信號(hào)，需增加轉(zhuǎn)換模塊才能處理感應(yīng)同步器的輸出信號(hào)。考慮到轉(zhuǎn)換模塊價(jià)格較高，而原機(jī)床的精度不太高（定位精度為0．02mm），數(shù)控系統(tǒng)補(bǔ)償單元有1000個(gè)之多，因此確定，增加脈沖編碼器與伺服電動(dòng)機(jī)軸端直接相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)位置的半閉環(huán)反饋控制。這樣也可使整個(gè)系統(tǒng)調(diào)整容易，運(yùn)行更加穩(wěn)定。這里選用雙軸端編碼器實(shí)現(xiàn)與電動(dòng)機(jī)軸和測(cè)速發(fā)電機(jī)相聯(lián)接，分別構(gòu)成速度及位置反饋。并且，利用數(shù)控系統(tǒng)提供的眾多的補(bǔ)償單元，進(jìn)行正、反向絲杠螺距補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償，達(dá)到原有的機(jī)床精度。
采用西門子內(nèi)裝PLC完成對(duì)機(jī)床限位開關(guān)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、主軸換刀、刀庫管理、主軸和進(jìn)給倍率以及操作面板等控制操作。
原系統(tǒng)的PLC工作電壓為交流110V，而西門子PLC工作電壓為直流24V，所以需要配置直流繼電器模塊，在交直流隔離的情況下，實(shí)現(xiàn)西門子PLC與機(jī)床原輸人、輸出點(diǎn)的連接。
主軸部分：機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)只是一個(gè)速度單元，開環(huán)控制；主軸的準(zhǔn)停由機(jī)械裝置和PLC控制?？刂七^程為：取消主軸使能、掛空擋、主軸減速至20r／min以下、插定位銷使主軸定位、發(fā)出完成信號(hào)。
主軸掛擋過程為：收到掛擋信號(hào)、取消使能、延時(shí)確認(rèn)主軸停，齒輪搖擺掛擋、發(fā)出完成信號(hào)。
刀庫管理：主要完成刀庫四零、手動(dòng)、自動(dòng)操作、刀座號(hào)自動(dòng)記憶、及其按最短路徑?jīng)Q定刀具的運(yùn)動(dòng)方向及旋轉(zhuǎn)的步數(shù)。
自動(dòng)換刀：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀指令時(shí)，Z軸退到換刀位置，同時(shí)主軸啟動(dòng)定位程序，刀庫啟動(dòng)選刀程序，通過機(jī)械手自動(dòng)換刀，Z軸重回加工位置并啟動(dòng)主軸。
DNC接口程序：數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)存較小，對(duì)復(fù)雜曲面的數(shù)控加工程序只能采用邊加工邊傳程序的方法。這種通訊方法利用循環(huán)緩沖寄存器，由PLC編程實(shí)現(xiàn)。
機(jī)床報(bào)警文本的建立：對(duì)機(jī)床的電壓、電流、液壓回路的壓力、液壓油面高度、潤滑狀態(tài)等傳感器進(jìn)行檢測(cè)，建立異常情況的報(bào)警文本，并在監(jiān)視器顯示，為操作者提供檢修依據(jù)。
改造后的機(jī)床經(jīng)激光干涉儀測(cè)試補(bǔ)償后，機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度達(dá)到原有機(jī)床的精度；試切標(biāo)準(zhǔn)試件經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量，其直線度、圓度、孔的定位精度均達(dá)到原機(jī)床試件的加工精度。表明改造方案經(jīng)濟(jì)可行，價(jià)值200萬元的設(shè)備又重新投入使用。目前該機(jī)床在本科生教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。
首先對(duì)機(jī)床進(jìn)行了全面測(cè)試，發(fā)現(xiàn)機(jī)床的伺服系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)尚可使用，機(jī)械部件仍然保持較高的精度，但計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及部分接口單元已經(jīng)損壞。在考慮價(jià)格和恢復(fù)原有機(jī)床的各種控制功能的前提下，決定選配西門子810M系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四軸控制三軸聯(lián)動(dòng)，保留原有的機(jī)械、液壓系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置，采用增量式編碼器代替原有的直線感應(yīng)同步器作為位置反饋元件，采用西門子內(nèi)裝PLC控制機(jī)床的I／O點(diǎn)，提高接口的可靠性。
原機(jī)床采用感應(yīng)同步器作為位置反饋元件進(jìn)行閉環(huán)反饋，而西門子810M系統(tǒng)基本配置只能處理編碼器的反饋信號(hào)，需增加轉(zhuǎn)換模塊才能處理感應(yīng)同步器的輸出信號(hào)。考慮到轉(zhuǎn)換模塊價(jià)格較高，而原機(jī)床的精度不太高（定位精度為0．02mm），數(shù)控系統(tǒng)補(bǔ)償單元有1000個(gè)之多，因此確定，增加脈沖編碼器與伺服電動(dòng)機(jī)軸端直接相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)位置的半閉環(huán)反饋控制。這樣也可使整個(gè)系統(tǒng)調(diào)整容易，運(yùn)行更加穩(wěn)定。這里選用雙軸端編碼器實(shí)現(xiàn)與電動(dòng)機(jī)軸和測(cè)速發(fā)電機(jī)相聯(lián)接，分別構(gòu)成速度及位置反饋。并且，利用數(shù)控系統(tǒng)提供的眾多的補(bǔ)償單元，進(jìn)行正、反向絲杠螺距補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償，達(dá)到原有的機(jī)床精度。
采用西門子內(nèi)裝PLC完成對(duì)機(jī)床限位開關(guān)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、主軸換刀、刀庫管理、主軸和進(jìn)給倍率以及操作面板等控制操作。
原系統(tǒng)的PLC工作電壓為交流110V，而西門子PLC工作電壓為直流24V，所以需要配置直流繼電器模塊，在交直流隔離的情況下，實(shí)現(xiàn)西門子PLC與機(jī)床原輸人、輸出點(diǎn)的連接。
主軸部分：機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)只是一個(gè)速度單元，開環(huán)控制；主軸的準(zhǔn)停由機(jī)械裝置和PLC控制?？刂七^程為：取消主軸使能、掛空擋、主軸減速至20r／min以下、插定位銷使主軸定位、發(fā)出完成信號(hào)。
主軸掛擋過程為：收到掛擋信號(hào)、取消使能、延時(shí)確認(rèn)主軸停，齒輪搖擺掛擋、發(fā)出完成信號(hào)。
刀庫管理：主要完成刀庫四零、手動(dòng)、自動(dòng)操作、刀座號(hào)自動(dòng)記憶、及其按最短路徑?jīng)Q定刀具的運(yùn)動(dòng)方向及旋轉(zhuǎn)的步數(shù)。
自動(dòng)換刀：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀指令時(shí)，Z軸退到換刀位置，同時(shí)主軸啟動(dòng)定位程序，刀庫啟動(dòng)選刀程序，通過機(jī)械手自動(dòng)換刀，Z軸重回加工位置并啟動(dòng)主軸。
DNC接口程序：數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)存較小，對(duì)復(fù)雜曲面的數(shù)控加工程序只能采用邊加工邊傳程序的方法。這種通訊方法利用循環(huán)緩沖寄存器，由PLC編程實(shí)現(xiàn)。
機(jī)床報(bào)警文本的建立：對(duì)機(jī)床的電壓、電流、液壓回路的壓力、液壓油面高度、潤滑狀態(tài)等傳感器進(jìn)行檢測(cè)，建立異常情況的報(bào)警文本，并在監(jiān)視器顯示，為操作者提供檢修依據(jù)。
改造后的機(jī)床經(jīng)激光干涉儀測(cè)試補(bǔ)償后，機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度達(dá)到原有機(jī)床的精度；試切標(biāo)準(zhǔn)試件經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量，其直線度、圓度、孔的定位精度均達(dá)到原機(jī)床試件的加工精度。表明改造方案經(jīng)濟(jì)可行，價(jià)值200萬元的設(shè)備又重新投入使用。目前該機(jī)床在本科生教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。
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