基于中达电通自动化平台的车铣复合加工机床解决方案

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1 引言
5 W4 f; V& N9 }随着机械冷加工领域零件产品的多样化少量化以及日趋复杂化，金属切削制造业对能够加工出高质量、高精度、高效率、低成本产品的CNC（计算机数控）机床的需求日益增加。同时作为数控机床制造商，如何在现有生产能力的基础上能够简单、实用、高效、经济地生产出具有复合加工能力的CNC机床，在日趋激烈的市场竞争中求得生存并发展，也是产品研发的主要目标和方向。为此机床的设计与制造者们一直在做出不懈的努力。
' t9 g& U' c& d5 ^+ I2 CNC复合加工技术
一个零件产品的生产，通常需要多道工序方能完成，不同的工艺方法有着不同的加工原理和特点，不同的加工工序有着不同的加工目的和要求，因此它们各自需要用着不同的加工设备来实现。
在传统的制造工艺中，一个零件的制造往往就需要有多种、多台不同的加工设备来完成。这不仅增加了设备的台数和生产厂房的占地面积，从而增加了企业的投入，而且由于生产过程中零件需在工艺和工序设备间等待、运输、检查和重新定位装夹等因素，既影响加工精度，也必然增加了不少生产辅助时间。统计表明，这部分非加工时间将占到零件生产总周期的70%~95%左右，从而大大地制约了生产效率的提高。
随着金属切削制造业蓬勃发展，对于传统加工方式，甚至是使用普通的分散式CNC加工方式都可能已不能满足机床用户对复杂零件的加工要求。取而代之的就是把不同加工技术集中在同一台机床上完成的集约式的复合加工方式，并已成为未来机床发展的重要方向。
CNC复合加工就是把几种不同的加工工艺，放在同一台数控机床上来实现零件的加工，例如在一台数控机床上可以进行车削加工、铣削加工、钻孔加工等。CNC复合加工是近年来金属切削加工领域中最流行的先进制造技术之一。具有复合加工能力CNC机床的最大的优点就是能够通过一次零件装夹，即可实现零件多种不同工艺的加工，从而达到减少机床和夹具，免去工序间的搬运和储存，提高零件加工精度，缩短制造周期和节约作业面积的目的，为使用者带来效益。
! f- C, n- @; h# H# I* L根据图1展示燃气具燃烧喷嘴零件加工图，传统的加工方式需要下3道基本加工工序方能完成：使用CNC车床或者小型液压仿形车床来加工外圆轮廓；使用钻床安装分度卡盘或者专用夹具实现来分度钻孔；使用钻床安装专用的快换夹头来实现侧面的钻孔和攻丝。
而在具有复合功能的CNC车床上生产时，通过一次工序装夹，简单的NC编程就能方便快速的实现上述所有加工步骤，极大的提高了加工效率。
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图1 燃气具燃烧喷嘴
! h/ ?- w' I8 y3 车铣复合功能的实现以及和经济型CNC车床的差异
- ^0 d  P( k4 N3.1 机械结构的差异
1 w) t- c- z( n( T. ?5 r4 K' ]以车削为基础的CNC复合加工车床，通常是以普通CNC数控车床为基础，配以一个多个工位的刀架和动力旋转刀具发展而成，加工对象主要是轴类、盘套类等回转体零件。除主要进行车削加工外，还可以进行部分的铣削、钻孔和攻丝等加工。为了实现在一台车床上通过一次装夹，便可对回转体零件进行全部或大部分的加工，因此在它车床的床身上，除了可以安装一般的车削刀具外，还要具有能够安装上铣刀、钻头和丝锥等旋转的辅助动力装置，这点是具有车、铣复合功能CNC车床机械结构上区别于经济型车床的显著特征。
3.2 CNC控制系统的差异
* @) {$ I4 o, t9 }5 f( h. I+ ^' ^, U（1）C轴功能。对于具有车、铣复合功能CNC车床，它控制系统的主轴通道，除了能够执行S代码主轴的功能，控制机床主轴变速旋转外，还要能够实现机床主轴可以精确分度的C轴功能和C与Z轴、C与X轴的联动功能。具有这样复合功能CNC车床不仅可以像普通数控车床那样能对回转体零件的内外表面（含圆柱面、锥面、曲面等）、端面进行车削加工，还可以利用C-Z轴联动功能车螺纹，利用C轴分度功能和X或Z轴上安装的动力旋转刀具进行偏离回转体零件中心线的钻孔和铣削加工，从而大大地扩展了数控车床复合加工的能力。
（2）多轴的控制能力。标准的经济型的CNC车床通常配置1路主轴通道（伺服主轴或者变频器主轴）和2路伺服进给轴通道（X轴、Z轴），而具有车、铣复合功能CNC车床，还需要增加辅助动力装置来实现钻孔和铣削加工，因此就需要控制器能够提供更多的伺服轴通道（如A轴、Y轴）来控制辅助动力装置，满足控制的要求，如图2所示。
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图2 多轴加工
; Y# t1 s# e( e4 基于中达电通自动化平台的车铣复合加工解决方案
1 {- t4 ~2 v* K( M; X9 E% Y: a4 ~综合上述的分析，我们了解到从经济型车床向具有复合加工能力的CNC车床的转变是需要在机床电气控制架构和机械设计两个方面同时入手来满足的要求的，对于后者因为每个机床制造商的机台设计不尽相同，而利用中达电通CNC系统的PLC的开放性完全可以满足不同的机械设计需求，本文对机械部分不再做讨论，主要介绍中达电通在电气控制方面能够提供的整体解决方案。
机电自动化产业制品丰富的中达电通除能够提供PUTNC-H4CL-T加强型车床数控系统来满足具车、铣复合功能的CNC车床的控制要求外，还能够提供台达 ASD系列交流伺服系统、台达VFD-VE系列交流变频器，CS7主轴专用编码器等全套工业自动化产品来满足电气控制方面的需求，使机械制造商有能力在现有生产能力的基础上能够简单、实用、高效、经济地生产出具有复合加工能力的CNC机床，从而为机械制造商和最终用户带了更大的利益。
% g$ P; g+ f. I4.1 CNC 控制系统介绍
基于金属切削制造业对具有复合加工能力的CNC机床的市场需求和未来发展的技术趋势，中达电通在2006年底将PUTNC-H4CL-T加强型车床数控系统推向市场（图3）。创新设计的PUTNC-H4CL-T加强型车床数控系统采用了全新的硬体设计架构，完全继承了中达电通数控系统的稳定性和操作易用性的特点，使其性能更加出色。
PUTNC-H4CL-T技术特点：

图3 PUTNC-H4CL-T数控系统
* {' G2 w9 Y) y  E# u6 U（1）开放式的系统架构，內含嵌入式 PLC。 LCD界面可规划 ，能够满足不同机械制造商的客制化需求。
（2）10.4寸彩色液晶显示器，视野更大、更清晰。
- I3 U% A  L% V  M（3）分体式操作平台，使用更方便，操作更灵活。
+ o% Y( h. _- R1 x% I（4）最大控制伺服通道数：4路伺服轴（X、Z、Y、A）。
. m5 F8 m9 V2 _( T（5）主轴控制通道数：可以控制1路伺服主轴或变频主轴，主轴控制具有S主轴功能和C轴任意角度分度功能。
（6）车、铣一体机的设计理念，能够实现C与Z轴、C与X轴的联动功能，可以进行螺旋槽铣削，高精度螺纹加工等丰富加工功能。
（7）配合铣刀、钻头和丝锥等旋转的辅助动力装置能够实现刚性攻丝、、X轴向钻孔、Z轴向钻孔、偏心刚性攻丝等复合加工功能。
4.2 CNC系统的参数配置
使用PUTNC-H4CL-T车床数控系统的参数界面，机床制造商可以方便的通过相应参数配置来实现主轴机能和辅助动力头功能，而无须对CNC的PLC程序进行编辑。从而可以更轻松的构建CNC车床复合加工所需各项控制机能，如图4所示。

1 P5 V3 n* [5 m7 P9 F4 m& F图4 数控系统的自动界面和主轴参数配置界面
4 v2 P, F( |5 r" z& M: @+ E! V, }4.3 CNC车床复合加工的NC编程
对于PUTNC-H4CL-T车床数控系统，系统已经开发了专用的NC指令代码，可以方便的控制主轴分度、辅助动力头旋转、实现刚性攻丝、、X轴向钻孔、Z轴向钻孔、偏心刚性攻丝等复合加工功能。下表列举了常用的NC指令代码。
表   复合加工常用NC编程代码
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, H8 d- q1 b/ `, B8 m! _  K9 F- F5 台达 ASD系列交流伺服系统
4 h% _8 w# k2 j) m台达ASD-A系列进阶型交流伺服系统和ASD-B标准型交流伺服系统是台达电子分别于2003年和2005年面向市场推出的2款主流伺服产品，能够全方位满足工业用户的需求，特别在CNC机床的应用上性能表现更加优异。
; Z' f$ T6 T6 i& _$ d台达伺服针对于CNC机床领域特点：
（1）内建完整的三种（位置 / 速度 / 转矩 模式）基本控制机能，可以方便的和上位控制器连接。
; C8 x# p5 g/ T$ v7 d8 {（2）动态响应性好，伺服整定时间1ms、空载状态下-3000RPM~3000RPM的加速时间10ms。
（3）PDFF（ Pseudo-Derivative Feedback and Feedforward）强健式控制架构相应更快速、对外部干扰有更强的抑制补偿能力，从而能够保证车刀切削瞬间,或者其它外力突然介入时，伺服定位或定速被影响很少，如图5所示。
（4）伺服的自动增益调整功能，能够自动评估负载情况并合理设置伺服增益，从而使伺服调试更简单、更快捷，且伺服定位更精准，无超越量和加速度过冲。

图5 PDFF控制架构
  M- X, v6 ~; V1 i7 Z3 D) H（5）提供共振抑制功能和低通滤波器功能，能够有效弥补机械的不足和缺陷。
* u- Z) k* @" e  D. \0 g& o（6）台达ASD-A系列进阶型交流伺服系统更具有分度定位功能，配合CNC系统PLC的I/O规划能够轻松实现伺服刀库控制，参见图6。
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图6 ASD-A系列内置的伺服分度功能
6 台达VFD-VE系列高性能磁束向量控制交流变频器
1 \! `% S5 z3 ^! t台达VFD-VE系列是2007年为满足高端市场推出的一款全新产品，其频率输出范围为0~ 600 Hz，而V2H型的输出更高达3600Hz，完全能够满足CNC机床高速主轴的控制需求。利用独特位置控制功能，配合H4CL-T系统的C轴机能亦可实现主轴任意角度分度功能。
VFD-VE系列交流变频器特点：
- K2 d* \+ T/ v（1）内置V/F，向量控制。转矩控制，以及位置控制功能。
（2）频率输出范围为0~ 600 Hz，高端机型的输出更高达3600Hz。
. G. s' j7 h/ G3 X（3）速度控制精度：FOC+PG闭回路控制，可达+/-0.02%。
（4）低速力矩：0.5HZ可达150%。
9 M' u) Y! i% s: G/ G+ l- a（5）可做马达参数和负载惯量估测以及高速弱磁曲线估测功能。
（6）机械煞车控制功能、瞬时停电时减速功能。
5 F2 f% M. J- E! F  a' e（7）马达温度回授保护（PTC）功能。
7 台达CS7主轴专用编码器
CS7主轴专用编码器特点：
% w4 ^, s1 z$ w9 g- z（1）最高适应转速高达8000RPM，最高相应频率为300kHZ。
（2）机构设计能够适应重负载工作环境，耐震动，耐高温。
6 v# d4 ]6 b! F+ }（3）航空接头，防护等级为IP65,适用于高油气环境。
（5）模块化设计，多种规格可选，可靠性高。
8 结束语
复合加工技术是未来CNC机床发展的重要方向。中达电通量身定度的整体自动化解决方案，对于机床制造商而言完全能够满足经济型机床向具有复合功能中高端机床的功能转变。让机床制造商能够寻找到更高的目标市场，产品更具有竞争力。
对于机床最终用户而言，应用了复合加工技术的CNC机床，结合中达电通控制系统的稳定性和易用性，生产工艺也将由传统分散式生产转变为先进集约式生产方式，产品质量和零件的制造周期也将有“质”和“量’的飞跃,从而为其创造出更大的效益。显而易见，由于解决方案集成了单一品牌自动化平台，使得基于中达电通CNC机床的最终用户容易获得设备生命周期总拥有利益TB0(Tota1Benefit 0f 0wnerShip)最大化的经济技术特点。
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