該設備是武漢江漢石油儀器儀表廠于上世紀九十年代初從德國 進口的精密加工機床。為工廠生產服務已近三十年的時間。由于企 業管理完善,設備長時間得到保養,設備及附件的整體性能不錯, 完整程度比較高,而且設備機械部分的精度保持很好。在這些設備 儀器上仍然可以寄加工出高精度的產品零件。但是設備畢竟時間久 遠,且受到空氣等腐蝕該設備在電氣控制部分上問題較多,有些問 題還很嚴重。比如:數控系統經常不知原因的死機、黑屏。電柜內 的控制器件因老化經常出現故障、機床電纜也老化破損嚴重導致產 生誤動作。由于設備電氣控制部分故障的原因經常導致機床加工中 斷、或產生不合格產品。再者時間久遠,系統的備件供應困難,維 修費用不斷增高。設備經常處于停機待維修狀態。
2設備電氣改造的可行性探討及數控系統的選型
鑒于該設備機械部分的良好狀態,加工工藝范圍也非常適合工 廠生產產品的需求。與其將錢花費在不斷增高的電氣備件維修上, 不如一次性投入將包括數控系統在內的所有電氣部分更換一新,恢 復機床原有的全部功能??紤]到數控系統正常的使用周期一般在十 年左右,在機械部分正常保養和使用的情況下,改造后設備在十年 內將不會有大的維修費用支出。在不用投入很多費用進行機械翻新 的前提下,進行或不進行電氣改造的判斷就很容易的被得出了。
使用什么品牌的數控系統及其配套產品來替換原有的產品,我 們進行了較長時間的思考。原因有很多方面,首先我們希望使用具 有良好穩定性的名牌進口數控系統,因為硬件的可靠性和穩定性是 第一位的。其次在系統的編程及使用上,要求能與舊的數控系統在 功能上相匹配,如:自動選擇切入、切出封閉輪廓的軌跡編程,擁 有在鉆孔方向自動遞減的深孔鉆削循環,擁有多種組合形狀和加工 順序的陣列孔加工等先進功能。其次要與其他配套產品的配套可靠 性要好,性能發揮充分。如:數控系統同伺服驅動系統及電機、數 控系統同位置測量系統、數控系統與可編程控制器等。最后整體配 套費用也應是被考慮的因素。綜合幾方面的情況,也有對同樣是德 國制造的信任,我們經過不斷對比分析,最終選擇了德國海德漢公 司生產的TNC 320數控系統,該設備海德漢LS1378C直線型光柵尺、 內裝型PLC可編程控制器及ROD700角度編碼器。配套日本安川公 司生產的CIMR-F7M系列的主軸驅動器及電機、安川生產的SGDM 系列進給軸伺服放大器及電機。
舊主軸的驅動使用的是4KW的雙速控制三相異步電機,用PLC 控制的繼電器邏輯進行電機的正/反轉、平滑啟動、及快慢速控制。 主軸換擋使用三個可正/反向旋轉的直流電機帶動機械撥叉進行齒 輪級的切換。配合主軸電機的雙速控制,可實現機床加工主軸40到 4000轉速范圍內的21級固定轉速變化。操作控制時操作者需在控制 系統上對應輸入21個命令代碼,PLC控制進行電機的速度選擇及相 應檔位的切換動作。
由于舊主軸電機故障頻繁,維修費用較高。再者這種輸入21個 命令代碼的操作方式也很繁瑣,不及現在流行的轉速直接輸入方式 先進。改造時我們首先選用了伺服驅動主軸電機代替了舊的三相異 步電機,提高了控制特性。其次由于機械結構不易改動的原因,齒 輪切換的驅動方式沒有改變,但由以前的21級齒輪變換減少到3級。 在各級轉速范圍內利用驅動器的變頻調速功能實現無級調速,這樣 由以前的21級速度控制升級到范圍內的全速度控制。最后,為了避 免這種改動造成主軸扭矩的損失,我們在兩個方面采取了相應措施: 經數據測算優化3檔的分級范圍;經數據測算選用更大功率的主軸 電機。保證了主軸扭矩輸出在工作范圍內不低于原有的指標。
首先進行的是舊數控系統及相關部分的拆除、舊伺服系統的拆 除、電機的拆除、控制元器件的拆除、電柜配電盤的清理、機床外 圍電纜電線的拆除等等清理工作。在清理工作的過程中有條件讓我 們進一步分析、理解原機床的設計控制思想,及時修改在設計階段 產生的技術錯誤。在這之后,開始進行新系統的安裝、電機的安裝、 位置檢測器件的安裝、控制元器件的安裝等工作。在中間不斷有需 要根據現場情況,臨時做工藝技術調整的狀況。最后,進行新系統 各部分的電氣互連。由于電氣改造工程的獨特性,我們的設計資料 不可能像新機床設計那樣出具非常全面的電氣互聯圖,也不可能出 具機床電氣分部份詳細的接線圖。全部電氣圖紙以能滿足現場施工 配線為目的。具體走線等電氣工藝問題需要現場施工人員憑經驗解 決。
這是整個電氣改造工程最為重要的過程,先前所有的在技術上 的準備,都要在這個階段落到實處。機床參數要進行精調,用以配 合該機床的機械特性,產生最佳的加工效果。各種原機床可以實現 的功能都要一一調試出來,PLC程序要進行全面的修改和補充,所 有碰到的技術問題都無法回避,必須依次徹底解決。具體講也可分 為幾個階段:
(1)將機床調試成為普通銑床。各進給軸應能正常運行,回零、 限位保護都可實現,進給軸在各種速度下運行都應平穩。主軸換擋 功能的實現,正/反轉平穩,主軸動態響應參數要進行優化,進給 軸的優化,主軸的松緊刀控制,液壓系統的起??刂?,導軌潤滑的 定時控制等等。
(2)在第一步的基礎上進一步將機床調試成為加工中心機床。 實現主軸的定向功能,實現刀庫旋轉的回零功能、手動旋轉功能、 自動尋刀旋轉功能、換刀機械手地初始化、換刀機械手的手動分解 動作、自動換刀動作的聯動、與刀庫的換刀點調整、等等。
(3) 將機床調整為全閉環控制。調整機床參數消除運行震動。 調試機床附件、全閉環回轉工作臺。調試機床加工冷卻系統。調試 機床門開關與保護功能。
該機床經過電氣改造后,經過多次試驗順利完成了工廠內部的 全部驗收工作,機床全部控制功能都已可靠地實現。試驗結果用事 實證明了最終電氣改造工作驗收合格?,F在該機床正在加工車間為 工廠的產品生產可靠的服務著。
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