C61200车床数控系统机械和电气综合改造技术方案

分类：解决方案日期：2009-08-13 08:32:58 来源：厂商

　　一：系统描述

　　1.C61200X10X63车床系青海重型机床公司生产的双刀架大型车床，该设备由无锡机床电器厂配套电气控制系统，主轴由直流电机驱动，数控核心由SONY单轴脉冲发生器实现，各轴定位动力由电磁离合器切换，刀架移动动力由主轴分配，系统构成简单，属于简易数控车床，如下图：　　

　　2. 该C61200车床最大加工工件长度10000毫米，最大加工直径2000毫米，属于该公司主力设备；

　　3.随着加工任务的增加，加工精度的提高，加工复杂程度的加大，半自动化加工方式的系统电气和机械上均存在的问题日趋突出，急需改造。但是，如果采用原厂全西门子数控方案，价格高昂，工厂亟待寻找一种价格适中，而又能满足生产要求的机电一体化改造方案；

　　4.成都海科工控有限公司致力于机电一体化传动技术，在系统成套和设备改造方面有着丰富的经验，经现场查看和与客户的技术沟通，我们确信完全有能力将此系统进行按期改造并最终实现强大的数控车床功能。

　　二：问题分析和改造方案的提出

　　1.原系统采用两台单轴简易脉冲定位控制器，分别独立控制两套刀架，各个刀架的X轴和Z轴由一台伺服电机控制，其控制轴动力分配为离合器切换，无法实现多轴插补定位，也无法实现轴间同动，不能实现动态加工（DNC）功能，使得车床计算机辅助制造（CAM）功能大大受限；

　　1.1 由此，我们采用两台目前流行的标准车床CNC系统台湾台达PUTNC-H4-M, 经底层核心程序改良后，用于本双刀架系统，动力驱动上采用四台台湾台达ASD-A交流伺服系统控制各X轴和Z轴，完全实现了复杂的插补运算和轴间连动；

　　1.2 两CNC系统经IO端口互相联系，经CNC内部的PLC程序逻辑控制，及各自独立，又互相联系；

　　1.3新的系统支持DNC动态加工，支持CAM加工代码；

　　1.4 新的系统，通讯协议完全开放，支持上位机，如客户需要，可外接标准触摸屏，加强系统界面友好性；

　　2.离合器动力分配机构结构复杂，机械和电气上均必然造成切换动态定位误差，精度控制和更换轴后要依赖人工仔细调试，降低了加工效率和精度；

　　2.1 新的系统完全抛弃了动力切换机构，控制独立，精度完全稳定可控，而且调校简单，系统可实现自动刀具补偿，丝杠节距补偿，是一种非常稳定的结构；

　　2.2 新系统电机连接上，采用零背隙弹性联轴器结构和滚珠丝杠连接，安装和调试维修均非常方便；

　　3.独立存在的两个刀架系统，彼此没有联系，操作烦琐，而且存在安全隐患；

　　3.1 改造后的系统，两套刀架的控制CNC是通过IO端口互相联系的，他们在用自定义的逻辑下控制外部设备如油泵、主轴等协同运行；

　　3.2 两套CNC允许外接远程设备，实现远程操作和加工；

　　4.目前的脉冲发生器对于系统而言，是开环结构，电机的响应延迟和机械安装误差以及定位机械背隙完全不可控，因此，系统存在的加工误差完全由人工调校，加工误差离散性极大，最终影响了加工质量；

　　4.1 改造后系统采用半闭环结构，可消除电机响应滞后引起的误差，大大提高了插补运算的实际加工精度；

　　4.2 本半闭环结构，如客户需要，完全可以外加光栅尺实现更加精确的全闭环结构，这种结构的改变，只需对系统参数作微小调整即可实现；

　　5.机械传动上，对精度起绝对作用的定位机构，原系统采用梯形丝杠结构，存在传动效率低，精度差等问题，另外，这种梯形丝杠承载能力非常不足，传动间隙和摩擦系数不可控；

　　5.1丝杠替代：车床原有丝杠为直径63的梯形丝杠，考虑到丝杠轴肩加工余量的问题，采用公称直径相同（Φ63）的滚珠丝杠替换，型号为R63-10T6-FSI-L1-L2-0.05；其中L1为丝杠螺纹段长度，L2为丝杠全长，具体尺寸要对被改造车床进行测绘后决定；

　　5.2承载能力比较：滚珠丝杠的承载能力主要受丝杠直径、导程角及摩擦系数的影响，通过选型，该两种丝杠的区别只有摩擦系数不同，传统梯形丝杠的摩擦系数为：0.1~0.2；滚珠丝杠的摩擦系数为：0.003~0.005；导程角同为2.8度；通过比较，滚珠丝杠的承载能力高于对应的梯形丝杠；

　　5.3轴向推力比较；

　　梯形丝杠与16.5牛·米电机组和：

　　F=Tr·D·∏·η/(P·g)

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

　　滚珠丝杠与14.3牛·米电机组和：

　　F=Tr·D·∏·η/(P·g)

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

　　5.4 综上所述，滚珠丝杠对于精度和传动效率以及承载能力提高巨大，是理想的传动元件；

　　6. 原有电机扭矩，根据用户提供信息，设备原有伺服电机扭矩分别为16.5牛·米和10.4牛·米，现在统一选取的电机型号为：ASMT30M250AK；输出扭矩为14.3牛·米；经计算：

　　6.1系统惯量估算，负载重量W=3900kg；丝杠总长1500mm；丝杠导程10mm；转动速度2000r/min；通过程序计算系统转动惯量I；

　　I=280x10-4kg·m2

　　6.2 电机转动惯量：Im=43.3x10-4 kg·m2

　　惯量比：I/Im=6.47<10；惯量匹配；

　　7.系统操作界面上，原系统采用西门子触摸屏作为操作终端，来弥补单轴系统的不足，结构不够严谨，操作不流畅；

　　7.1 改造后的系统是标准的车床操作界面，但是经改写核心程序，又完全符合双刀架的实际操作需要，技术人员和操作者完全可以按照车床的操作习惯来操作本系统，而且精度完全稳定可控；

　　7.2 两台刀架上的CNC不是完全独立的，他们对于外设的控制是在安全逻辑上互相协调的，在安全方面，危险逻辑是互锁定的，所以操作者可以放心的操作；

　　7.3 如果客户需求，可借由RS232C接口外扩触摸屏人机界面，但因远程操作较少，本改造方案于成本考虑未安装；

　　三：控制系统主要元件选型以及说明

　　1. 数控系统选用台湾台达公司（DELTA HUST）标准开放式车床数控系统，PUTNC-H4-T,该系统具有开放的车床系统架构，正式由于具有这一优点，我们才得以按照双头车床的系统要求做核心程序修改，以适应特殊要求；另外，该系统具有支持标准FUNCO加工G代码程序结构，支持常用CAM软件POST程序，方便实现DNC；

　　2. 交流伺服系统选用台达ASD-A－M系列，该伺服系统速度环响应频宽高达450HZ,是系统半闭环结构的高性价比产品,另外，ASD-A-M系统支持PDFF调节结构，可克服瞬时机械应力引发的加工误差，可使得车床动态加工定位更加准确；

　　3.CNC操作界面和显示界面选用HUST系统专用产品，为薄膜操作按钮，具有IP65的结构，可适应现场恶劣环境；

　　4. PLC系统选用HUST系统专用产品，配置为24DI/16DO, 可外扩实现更多点数和更大功率的开关量控制；

　　5.主轴位置编码器选择为OMRON1024差分型产品，用于取得主轴位置和各种涉及到主轴每转进给之信号；

　　6.各个切换系统和低压配电以及弱电供给和系统安全逻辑为海科公司根据客户需求度身定做，以最大限度达到客户需求；

　　四：工程说明和最终技术指标

　　1.本系统经周密计算和功能分析，技术成熟，并完全确认方案的可行性，海科公司有着丰富的机械和电气的实践经验，保证工程的按期顺利完成；

　　2.本工程元件备货周期30个有效工作日，机械加工辅助元件和系统设计制作周期15个有效工作日，现场调试周期7个有效工作日，总体工程周期约为45-50个有效工作日；

　　3.本系统经改造后，电气控制精度为0.001毫米，机械绝对定位精度0.05毫米，系统重复定位精度优于0.02毫米；

　　4.对于上述系统技术资料可查阅公司网站：HTTP://WWW.EHAIKE.COM

　　如有任何不能理解或置疑之处，请致电：

　　028-85291366-801 成都海科工控有限公司工程技术部