华中Ⅰ型数控系统对大型立车的数控改造

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1 引言

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目前，购置一台大型数控立车价格非常昂贵，因此只有极少数企业用数控立车对于大型回转体零件进行加工。大多数企业一般都采用普通大型立车，手工操作进行加工。手工操作一是劳动强度大，时间长，二是精度无法得到保证。

华中数控系统有限公司自1995年以来，先后对国内的一些企业的大型普通立车进行数控改造，改造普通立车有Ø2.3m一台，Ø2.5m二台，Ø3.4m二台，Ø6.3m一台。都采用HZCNC—1T华中数控系统。Ø6.3m的配德国AMK交流伺服电机，Ø3.4m的二台分别配SIEMENS和FANUC交流伺服电机，其余用华中交流伺服电机。改造的数控立车投入使用后，由于系统操作灵活，使用方便，加工功能增强，适合于较为复杂型面工件的加工，提高了生产效率，保证了加工精度。现以东方电机厂的一台Ø6.3m立车的数控改造为例予以介绍。

该车床为双柱立式车床，由底座、工作台、传动箱、立柱、进给箱、横梁、滑座、滑枕和顶梁等组成。最大车削直径为6300mm，交流主电机功率为100kW。它有左右两个刀架，每个刀架分别由两台三相交流异步电机驱动，控制X、Z方向的快速移动及进给。 9 o4 t( P; ]' C, U

2 Ø6.3m立式车床的数控改造

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1. 机械改造
   从机械改造尽可能简单的原则出发，根据东方电机厂加工零件的要求，Ø6.3m立车数控改造保留了原右刀架、横梁和主轴的手动加工操作功能。对其左刀架的X轴和Z轴运动采用数控。机械部分也相应地做了改动，更换了减速箱。右刀架留作常规加工之用，使以往产品的加工工艺路线不致有较大变化，符合传统生产习惯。左刀架可进行数控加工，满足该厂在不断开发新产品时，实现多品种、单件和小批量生产的要求。 + R: M5 }+ D9 H6 Z$ L" Y
   具体方法是：去掉左刀架的原有的齿轮传动系统，安装上伺服进给驱动箱，其变速比为1:4。对于这类大型机床，由于刀架比较重，惯性大，若采用伺服电机直接与丝杆相连，伺服系统的驱动功率要求很大。虽然这样可以提高进给速度，但系统的成本将会非常高。对于大型回转体加工，进给速度一般要求比较低，因此，X、Z轴采用一定速比的机械降速传动，以降低对X、Z轴伺服电机驱动力矩的要求，从而降低改造成本。进给速度通常设定为2m/min左右。改造前后的进给传动系统示意图如图1所示。 * |7 [, _- J+ _4 n7 o3 b# V% [4 D" D! M

   (a)改造前	(a)改造后
   图1 进给传动系统图

   新的传动链中，刀架滑座和刀架滑枕的进给各自独立，分别由各自的交流伺服电机驱动。经过一对减速齿轮，传动各自的丝杠，产生相应的位移。两传动链在机械上互不联系，当加工锥面或球面时，由数控系统发出指令，使两坐标轴按要求的规律联动，车削出所需的锥面和球面。从图1b可见，改造后的进给箱仅用一对齿轮传动，这远比原进给箱的齿轮对数少，为减少齿轮传动链的反向间隙创造了有利条件。
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2. 伺服系统选型 ) x5 ]) B' S% B. j) G
   大型立式车床X、Z轴的负载特性不同于小型机床，因此对伺服电机的力矩要求亦不同于小型机床，另外信号的传输距离也比较远。考虑到用户的需求，用华中Ⅰ型数控系统改造的大型立车时，选择以下三种伺服系统之一： : z! ^: ~: z8 i% e1 a% |

   1. 采用德国AMK公司的65N·m交流伺服驱动和电机，其中Z轴电机带抱闸装置。该伺服系统是模块化结构，有电源模块、进给模块，模块之间由控制信号相连。数控系统的内装PLC检测各模块有无异常，按一定的顺序分别输出信号，使伺服处在就绪状态。模拟伺服模块检测电机编码器作为速度反馈，同时输出到位置控制器，作位置反馈。
   2. 采用德国SIEMENS公司的交流伺服系统及电机，它也是模块化结构，分成电源模块、进给模块。进给模块接受系统输出的模拟电压信号(为-10V～＋10V)控制。电机输出两路检测信号，一路为测速机的速度模拟信号，输出到进给模块，一路为编码器信号，输出到位置控制接口。 - [5 Y* n% `! X$ J* \. a2 J! W, B
   3. 采用FANUC公司的直流伺服系统。此种配置主要是为了与原有的直流进给电机配套，以节省经费。
   东方电机厂Ø6.3m立车的改造，采用了德国AMK公司的65N·m交流伺服驱动和电机。
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3. 数控系统 9 v {9 B3 r) Z' C% D
   对大型立车数控改造，采用HZCNC-IT数控系统。由于机床外型大，整个系统布局设计分为三部分 # Z7 M+ }) P* Y4 ]& \8 q

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   1. 操作站，含显示器、数控编程键盘、机床操作面板和软盘驱动器；
   2. 电气控制柜，由主轴控制柜和伺服控制柜构成； - K( a: W( I a/ S! L1 C
   3. 小操作盒悬挂在机床上，由摇动和点动按钮组成。
   由于操作站与电气控制柜之间的距离相距约30多米，对系统的信号传输需要进行特殊的处理。具体如下： ! E* }0 l) ^$ h6 g' G

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   1. 位置控制器与系统的主控机的信号处理。位置控制器如嵌入到主控机箱中，位置控制器输出的位置指令是一个小电流的模拟电压信号(-10V～+10V)。若长距离的传输，必然会衰减。如系统给定10V，输出到伺服系统可能只有5V。即使不考虑其它干扰因素，电机也达不到理论的转速，会引起系统跟踪误差过大而报警。如考虑其它干扰，进给轴控制的稳定性无法得到保证，为此位置控制器与伺服单元轴的物理位置尽可能近。为此设计了一块智能位置控制卡，CPU为80C196，安装在电气柜中，它与伺服驱动系统构成对机床X、Z轴的进给控制。而智能位置环控制卡与主控机，采用串口RS-422方式，遵循一定的协议长距离进行实时通信，即主控机每8ms向智能位置环控制卡传送增量信息。 ( Y* E3 S) d( d {3 E/ t- n1 ^
   2. 手摇信号的处理。手摇脉冲发生器输出的信号为A、B两路、相位相差为90°的TTL的方波信号。为了长距离的传输，将A、B两路信号分别经差分发送器，变成差分信号，以便提高信号的抗干扰能力。

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3 系统的PLC

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华中I型系统内装式PLC，硬件上采用输入/输出控制卡，软件使用系统提供的定时任务，系统定时采集输入接口的输入信号。进行逻辑运算后，通过输出接口将结果输出。PLC有高级和低级之分，高级PLC完成机床紧急情况的处理，它的执行周期为8ms。低级PLC完成机床的顺序动作，它的执行周期可根据控制顺序的复杂程度通过系统参数设定，一般为80ms。系统内装PLC的结构如图2。
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图2 系统内部PLC结构图

图3 球体轴承座零件

4 改造效果

机床改造后，可加工内外球面和各种流线型回转面等。依据伺服电机输出的转矩以及传动比的调整，切削用量可较以前得以提高。多道工序编程后可一次完成加工，测量、对刀与找正等辅助时间减到最少。定位精度和加工精度要好于机床改造前。例如加工球体轴承座零件中的?1900mm内球面(图3)，该零件为球墨铸铁材料，直径2.5m，上下缸体用工艺搭子焊为一体)，其直径偏差可控制在0.003mm以内，远远满足了原零件的工艺要求。其中最大偏差值出现在球面中间剖分线上，这是由于X轴反向间隙补偿值略大造成的。因该值是在无加工负荷状态下测量并补偿的，与实际加工状态比有偏差。据此对补偿值作调整后，该项精度提高30%～50%。另外，如工人手动加工需要时间三周左右。加工之后还要进行打磨处理，才可满足要求。改造后两天左右即可完成加工。

数控改造完成两年来，不仅使东方电机厂完成了新型发电设备的生产，提高了产品的技术含量和附加值，并节省下购买大型数控机床的大笔投资。