C61200車床數控系統機械和電氣綜合改造技術方案

分類：解決方案日期：2009-08-13 08:32:58 來源：廠商

　　一：系統描述

　　1.C61200X10X63車床系青海重型機床公司生產的雙刀架大型車床，該設備由無錫機床電器廠配套電氣控制系統，主軸由直流電機驅動，數控核心由SONY單軸脈沖發生器實現，各軸定位動力由電磁離合器切換，刀架移動動力由主軸分配，系統構成簡單，屬于簡易數控車床，如下圖：　　

　　2. 該C61200車床最大加工工件長度10000毫米，最大加工直徑2000毫米，屬于該公司主力設備；

　　3.隨著加工任務的增加，加工精度的提高，加工復雜程度的加大，半自動化加工方式的系統電氣和機械上均存在的問題日趨突出，急需改造。但是，如果采用原廠全西門子數控方案，價格高昂，工廠亟待尋找一種價格適中，而又能滿足生產要求的機電一體化改造方案；

　　4.成都海科工控有限公司致力于機電一體化傳動技術，在系統成套和設備改造方面有著豐富的經驗，經現場查看和與客戶的技術溝通，我們確信完全有能力將此系統進行按期改造并最終實現強大的數控車床功能。

　　二：問題分析和改造方案的提出

　　1.原系統采用兩臺單軸簡易脈沖定位控制器，分別獨立控制兩套刀架，各個刀架的X軸和Z軸由一臺伺服電機控制，其控制軸動力分配為離合器切換，無法實現多軸插補定位，也無法實現軸間同動，不能實現動態加工（DNC）功能，使得車床計算機輔助制造（CAM）功能大大受限；

　　1.1 由此，我們采用兩臺目前流行的標準車床CNC系統臺灣臺達PUTNC-H4-M, 經底層核心程序改良后，用于本雙刀架系統，動力驅動上采用四臺臺灣臺達ASD-A交流伺服系統控制各X軸和Z軸，完全實現了復雜的插補運算和軸間連動；

　　1.2 兩CNC系統經IO端口互相聯系，經CNC內部的PLC程序邏輯控制，及各自獨立，又互相聯系；

　　1.3新的系統支持DNC動態加工，支持CAM加工代碼；

　　1.4 新的系統，通訊協議完全開放，支持上位機，如客戶需要，可外接標準觸摸屏，加強系統界面友好性；

　　2.離合器動力分配機構結構復雜，機械和電氣上均必然造成切換動態定位誤差，精度控制和更換軸后要依賴人工仔細調試，降低了加工效率和精度；

　　2.1 新的系統完全拋棄了動力切換機構，控制獨立，精度完全穩定可控，而且調校簡單，系統可實現自動刀具補償，絲杠節距補償，是一種非常穩定的結構；

　　2.2 新系統電機連接上，采用零背隙彈性聯軸器結構和滾珠絲杠連接，安裝和調試維修均非常方便；

　　3.獨立存在的兩個刀架系統，彼此沒有聯系，操作煩瑣，而且存在安全隱患；

　　3.1 改造后的系統，兩套刀架的控制CNC是通過IO端口互相聯系的，他們在用自定義的邏輯下控制外部設備如油泵、主軸等協同運行；

　　3.2 兩套CNC允許外接遠程設備，實現遠程操作和加工；

　　4.目前的脈沖發生器對于系統而言，是開環結構，電機的響應延遲和機械安裝誤差以及定位機械背隙完全不可控，因此，系統存在的加工誤差完全由人工調校，加工誤差離散性極大，最終影響了加工質量；

　　4.1 改造后系統采用半閉環結構，可消除電機響應滯后引起的誤差，大大提高了插補運算的實際加工精度；

　　4.2 本半閉環結構，如客戶需要，完全可以外加光柵尺實現更加精確的全閉環結構，這種結構的改變，只需對系統參數作微小調整即可實現；

　　5.機械傳動上，對精度起絕對作用的定位機構，原系統采用梯形絲杠結構，存在傳動效率低，精度差等問題，另外，這種梯形絲杠承載能力非常不足，傳動間隙和摩擦系數不可控；

　　5.1絲杠替代：車床原有絲杠為直徑63的梯形絲杠，考慮到絲杠軸肩加工余量的問題，采用公稱直徑相同（Φ63）的滾珠絲杠替換，型號為R63-10T6-FSI-L1-L2-0.05；其中L1為絲杠螺紋段長度，L2為絲杠全長，具體尺寸要對被改造車床進行測繪后決定；

　　5.2承載能力比較：滾珠絲杠的承載能力主要受絲杠直徑、導程角及摩擦系數的影響，通過選型，該兩種絲杠的區別只有摩擦系數不同，傳統梯形絲杠的摩擦系數為：0.1~0.2；滾珠絲杠的摩擦系數為：0.003~0.005；導程角同為2.8度；通過比較，滾珠絲杠的承載能力高于對應的梯形絲杠；

　　5.3軸向推力比較；

　　梯形絲杠與16.5牛·米電機組和：

　　F=Tr·D·∏·η/(P·g)

　　=（16.5x2000x3.14x0.34）/(10x9.8) =359.5(kg)

　　滾珠絲杠與14.3牛·米電機組和：

　　F=Tr·D·∏·η/(P·g)

　　=（14.3x2000x3.14x0.85）/(10x9.8) =778.9 (kg)

　　5.4 綜上所述，滾珠絲杠對于精度和傳動效率以及承載能力提高巨大，是理想的傳動元件；

　　6. 原有電機扭矩，根據用戶提供信息，設備原有伺服電機扭矩分別為16.5牛·米和10.4牛·米，現在統一選取的電機型號為：ASMT30M250AK；輸出扭矩為14.3牛·米；經計算：

　　6.1系統慣量估算，負載重量W=3900kg；絲杠總長1500mm；絲杠導程10mm；轉動速度2000r/min；通過程序計算系統轉動慣量I；

　　I=280x10-4kg·m2

　　6.2 電機轉動慣量：Im=43.3x10-4 kg·m2

　　慣量比：I/Im=6.47<10；慣量匹配；

　　7.系統操作界面上，原系統采用西門子觸摸屏作為操作終端，來彌補單軸系統的不足，結構不夠嚴謹，操作不流暢；

　　7.1 改造后的系統是標準的車床操作界面，但是經改寫核心程序，又完全符合雙刀架的實際操作需要，技術人員和操作者完全可以按照車床的操作習慣來操作本系統，而且精度完全穩定可控；

　　7.2 兩臺刀架上的CNC不是完全獨立的，他們對于外設的控制是在安全邏輯上互相協調的，在安全方面，危險邏輯是互鎖定的，所以操作者可以放心的操作；

　　7.3 如果客戶需求，可借由RS232C接口外擴觸摸屏人機界面，但因遠程操作較少，本改造方案于成本考慮未安裝；

　　三：控制系統主要元件選型以及說明

　　1. 數控系統選用臺灣臺達公司（DELTA HUST）標準開放式車床數控系統，PUTNC-H4-T,該系統具有開放的車床系統架構，正式由于具有這一優點，我們才得以按照雙頭車床的系統要求做核心程序修改，以適應特殊要求；另外，該系統具有支持標準FUNCO加工G代碼程序結構，支持常用CAM軟件POST程序，方便實現DNC；

　　2. 交流伺服系統選用臺達ASD-A－M系列，該伺服系統速度環響應頻寬高達450HZ,是系統半閉環結構的高性價比產品,另外，ASD-A-M系統支持PDFF調節結構，可克服瞬時機械應力引發的加工誤差，可使得車床動態加工定位更加準確；

　　3.CNC操作界面和顯示界面選用HUST系統專用產品，為薄膜操作按鈕，具有IP65的結構，可適應現場惡劣環境；

　　4. PLC系統選用HUST系統專用產品，配置為24DI/16DO, 可外擴實現更多點數和更大功率的開關量控制；

　　5.主軸位置編碼器選擇為OMRON1024差分型產品，用于取得主軸位置和各種涉及到主軸每轉進給之信號；

　　6.各個切換系統和低壓配電以及弱電供給和系統安全邏輯為海科公司根據客戶需求度身定做，以最大限度達到客戶需求；

　　四：工程說明和最終技術指標

　　1.本系統經周密計算和功能分析，技術成熟，并完全確認方案的可行性，海科公司有著豐富的機械和電氣的實踐經驗，保證工程的按期順利完成；

　　2.本工程元件備貨周期30個有效工作日，機械加工輔助元件和系統設計制作周期15個有效工作日，現場調試周期7個有效工作日，總體工程周期約為45-50個有效工作日；

　　3.本系統經改造后，電氣控制精度為0.001毫米，機械絕對定位精度0.05毫米，系統重復定位精度優于0.02毫米；

　　4.對于上述系統技術資料可查閱公司網站：HTTP://WWW.EHAIKE.COM

　　如有任何不能理解或置疑之處，請致電：

　　028-85291366-801 成都海科工控有限公司工程技術部