基于德國巨浪 ＤＺ１８Ｗ 數(shù)控機(jī)床的升級改造
2021-4-22 來源： 中山市技師學(xué)院 作者：林建滿
摘要：如何合理利用改造技術(shù)將老舊數(shù)控機(jī)床進(jìn)行升級優(yōu)化，是當(dāng)下需迫切解決的問題。以德國巨浪ＤＺ１８Ｗ數(shù)控機(jī)床為例，結(jié)合當(dāng)前最新數(shù)控系統(tǒng)功能進(jìn)行升級改造。闡述了該設(shè)備在改造過程中存在的優(yōu)缺點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)，從數(shù)控系統(tǒng)、外圍電器控制、部分機(jī)械結(jié)構(gòu)３方面進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了高速高精的數(shù)控機(jī)床要求。在工作效率上較改造前的設(shè)備提升了約３０％，設(shè)備故障率降低了約８５％，有效提升了機(jī)器的整體性能，提高了生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；升級改造；高速高精
０引言
自２０世紀(jì)９０年代以來，我國廣泛購買和引進(jìn)國外數(shù)控類加工中心或?qū)C(jī)，用于加工生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。這些機(jī)器經(jīng)過近３０年的使用，或年久失修，或幾經(jīng)易手，機(jī)器的電氣部分已是老化或殘缺不全，致使故障頻繁，不但維修成本急劇上升，而且生產(chǎn)效能已顯著下降，整機(jī)呈被淘汰趨勢。但是，這些國外進(jìn)口機(jī)器在結(jié)構(gòu)設(shè)計，機(jī)械鑄件和裝配方面，依然有著行業(yè)較高水平。隨著計算機(jī)科學(xué)、
電子電路、電機(jī)學(xué)等的快速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)也在飛速發(fā)展，其中ＮＣ控制、伺服控制、算法、電機(jī)等與之前的數(shù)控系統(tǒng)相比，更不可同日而語。因此，本文通過更換新一代的數(shù)控系統(tǒng)，對舊的進(jìn)口數(shù)控加工中心進(jìn)行升級改造，改變舊機(jī)器電氣老化、故障繁多導(dǎo)致維修成本上升、效能下降的不良情況，保留較高水平的機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而提高舊型機(jī)床的生產(chǎn)效能，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。
１、功能分析與系統(tǒng)選型
１.１舊數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀和功能分析
德國巨浪ＤＺ１８Ｗ加工中心如圖１所示，外觀較為陳舊，但依舊不掩蓋其高速機(jī)的優(yōu)良設(shè)計特點(diǎn)，雙主軸配套雙刀庫和交換工作臺，可以快速裝夾工件和批量進(jìn)行產(chǎn)品的加
工。這款機(jī)器在企業(yè)內(nèi)主要用于高速的零件銑削和鉆孔攻絲。
圖１ 舊的進(jìn)口加工中心
１.２加工中心存在的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)
這款加工中心購買使用已有２０多年，主要功能可以實(shí)現(xiàn)，但容易出現(xiàn)故障使得生產(chǎn)停機(jī)。缺點(diǎn)如下：
（１）電氣元器件老化，工作不穩(wěn)定，設(shè)備可靠性下降，影響生產(chǎn)；
（２）機(jī)器已過保修期，進(jìn)口機(jī)器維修難，且維修費(fèi)用很高；
（３）電氣元件較老，多數(shù)已不生產(chǎn)，維修用的元器件采購成本高；
（４）機(jī)器故障，廠家在國外，維修周期長，停機(jī)時間久，沒保障；
（５）數(shù)控系統(tǒng)年代久遠(yuǎn)，與新系統(tǒng)相比，功能不強(qiáng)大，與廠家同機(jī)型的最新款相比，機(jī)器整體效能低。
這些缺點(diǎn)，使得繼續(xù)使用此款機(jī)器的成本高，經(jīng)濟(jì)效益低。優(yōu)點(diǎn)如下：
（１）緊湊特殊的雙主軸結(jié)構(gòu)，有利于快速生產(chǎn)；
（２）交換工作臺的設(shè)計，使得一邊加工的同時，另一工作臺可進(jìn)行工件的裝夾，在工廠進(jìn)行智能升級時，可完美配套機(jī)械手，在加工的同時進(jìn)行工件的安裝或者拆卸，為后續(xù)的智能生產(chǎn)提供了良好基礎(chǔ)；
（３）整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計理念超前，同廠同機(jī)型的最新款依然沿用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計。
綜上所述，如果能在保留優(yōu)良設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)等電氣部分進(jìn)行升級改造，那么將使這臺機(jī)器重新煥發(fā)光彩，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。
１.３機(jī)床功能分析和升級改造
這臺加工中心的改造重點(diǎn)在于系統(tǒng)電氣部分和少量的機(jī)械外圍部分，而保留原有的超前機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。對機(jī)床，分機(jī)械、控制、外圍三大方面進(jìn)行分析。
１.３.１控制部分
機(jī)床有Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸３個進(jìn)給軸，２個主軸，２個刀庫和交換工作臺。交換工作臺旋轉(zhuǎn)由１個伺服電機(jī)和１套液壓裝置控制。
（１）進(jìn)給軸。立式加工中心結(jié)構(gòu)的三軸進(jìn)給，對比現(xiàn)在的機(jī)器，進(jìn)給速度較慢，效率相對低。
改造辦法：采用新型伺服電機(jī)進(jìn)行改造，并配以較大螺距的絲桿以提升進(jìn)給速度，提高加工效率。
（２）交換工作臺。轉(zhuǎn)臺機(jī)械性能良好，但液壓站使用年份已久，很多檢測元件容易出現(xiàn)不穩(wěn)定，從而發(fā)生故障。
改造辦法：采用新型伺服電機(jī)替換原有轉(zhuǎn)臺的電機(jī)。對控制轉(zhuǎn)臺的液壓站進(jìn)行整體更換。
（３）雙主軸。兩個主軸同時進(jìn)行剛性攻絲、鉆孔，以及同轉(zhuǎn)速銑削的工藝。隨著加工工藝的發(fā)展，主軸轉(zhuǎn)速不高的情況較難滿足現(xiàn)在使用要求，效率欠缺。
改造辦法：根據(jù)企業(yè)現(xiàn)在最新的加工工藝，重新選擇主軸電機(jī)，并配高速主軸，以滿足現(xiàn)在工藝的高精高效的要求。
對于兩個主軸同時進(jìn)行剛性攻絲、鉆孔的工藝，可以采用Ｆａｎｕｃ系統(tǒng)的“主軸簡易同步控制”功能。主軸簡易同步控制可以將２個主軸作為主控主軸、從控主軸予以結(jié)合，以使得剛性攻絲、通常的主軸旋轉(zhuǎn)控制隸屬于主控主軸的控制的形式。這個功能可以在Ｍ系列的串行主軸上進(jìn)行使用。主軸簡易同步控制中的指令，它對主控主軸的指令同樣對從控主軸也有效。
隨著工藝的發(fā)展和變化，需要增加考慮一些人性化操作，如一個主軸出現(xiàn)故障進(jìn)行維修時，可以很簡單地讓另一個主軸進(jìn)行動作，避免機(jī)臺停機(jī)，造成影響。
（４）雙刀庫控制。可以配合２個主軸同時進(jìn)行換刀，但很大部分的換刀邏輯都在ｐｍｃ內(nèi)處理，一旦換刀出現(xiàn)錯亂和故障后，取消報警和恢復(fù)刀庫動作等較為繁瑣且有難度。
改造辦法：重新編輯刀庫的順序控制程序，并加以簡化，以降低維修難度。
１.３.２機(jī)械部分
整體的設(shè)計結(jié)構(gòu)和機(jī)床主體不改變。對常出現(xiàn)故障的局部進(jìn)行改造。
（１）主軸。這是最常使用的部件，易出故障，且之前的設(shè)計轉(zhuǎn)速無法達(dá)到現(xiàn)在的工藝要求。
改造辦法：更換為目前國內(nèi)較為常見的高速主軸。
（２）三軸絲桿。易出故障，且之前的設(shè)計速度滿足不了現(xiàn)在的使用要求。
改造辦法：更換為市場較常見的絲桿，同時加大螺距，以提高進(jìn)給速度。
（３）刀庫。使用已久，換刀執(zhí)行部件和檢測元件質(zhì)量老化下降，舊刀庫的設(shè)計邏輯繁瑣。
改造辦法：采用常見的高速刀庫進(jìn)行更換，同時提高換刀效率。
１.３.３外圍電氣部分
電氣元件使用時間久，線材老化等，都使得電器質(zhì)量下降，靈敏度降低，容易出現(xiàn)誤動作，產(chǎn)生報警故障。采用新電氣元件和線材替代舊品的辦法進(jìn)行改造。
２、方案實(shí)施
２.１控制部分的升級改造
２.１.１系統(tǒng)的整體配置
根據(jù)機(jī)床原有電機(jī)規(guī)格和改造的功能要求和性價比等因素，選擇了Ｆａｎｕｃ公司的０ｉＭＤ系統(tǒng)，選擇配置了主軸簡易同步控制功能，以及最新的ＮＣ軟件和伺服軟件。配套具有高速響應(yīng)的ａｉ系列的伺服驅(qū)動和伺服電機(jī)，使得在滿足機(jī)臺原有功能的基礎(chǔ)上，又能提升了整體的控制性能，達(dá)到先進(jìn)應(yīng)
用行列。升級整體配置：控制系統(tǒng)為０ｉＭＤ；驅(qū)動器為ａｉＰＳ５５＋ ａｉＳＰ２２ ＋ ａｉＳＰ２２ ＋ ａｉＳＶ８０ ／ ８０ ＋ ａｉＳＶ４０ ／ ４０；伺服電機(jī)為ａｉＦ８ ／ ３０００ ＋ ａｉＦ８ ／ ３０００ ＋ ａｉＦ１２ ／ ４０００ ＋ ａｉＦ１２ ／ ４０００；主軸電機(jī)為ａｉＩ１５ ／ １２０００。采用新配置，使得主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速從原來的８ ０００ ｒ／ ｍｉｎ提升到了１２ ０００ ｒ／ ｍｉｎ，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速最高提到了４ ０００ ｒ／ ｍｉｎ。
舊系統(tǒng)的電流控制為ＨＲＶ１控制，此次選配的０ｉＭＤ系統(tǒng)采用了新一代伺服控制理念，高速電流響應(yīng)采用了ＨＲＶ３控制，大大提高了伺服響應(yīng)，使得機(jī)器的高速高精度控制變成了可能。絲桿的螺距從原來的１０ ｍｍ提升到Ｘ軸和Ｙ軸為１２ ｍｍ，Ｚ軸為１６ ｍｍ。這樣，Ｘ／ Ｙ軸的速度提高到了３６ ｍ／ ｍｉｎ；而Ｚ則提高到了４８ ｍ／ ｍｉｎ。相比原來ＸＹＺ三軸均為２４ ｍ／ ｍｉｎ的移動速度，改造后整體速度提高了約６６％，可與目前進(jìn)口機(jī)器的速度相比。變換絲桿后需設(shè)置與指令、檢測、齒輪比之類的伺服參數(shù)，以使得機(jī)器得以精確平穩(wěn)地運(yùn)行。以Ｚ軸為例，設(shè)置如表１所示。
表１Ｚ軸基本伺服參數(shù)設(shè)置
２.１.２主軸控制
新一代的主軸驅(qū)動和主軸電機(jī)，在主軸指令的響應(yīng)上以及轉(zhuǎn)速上有很大提升，剛性攻絲和銑削能力也加強(qiáng)。雙主軸采用的主軸簡易同步控制，在滿足功能和參數(shù)設(shè)置（表２）的前提下，通過輔助功能代碼（Ｍ代碼）觸發(fā)主軸簡易同步控制信號來實(shí)現(xiàn)，主軸簡易同步控制信號為Ｇ６４＃６（ＥＳＲＳＹＣ），這樣可簡單進(jìn)行主軸簡易同步控制的開啟與閉合。
表２ 主軸簡易同步控制的主要參數(shù)
簡單起見，通過對主控主軸進(jìn)行指令的方式來實(shí)現(xiàn)主軸的速度旋轉(zhuǎn)控制與剛性攻絲控制。雙主軸的主軸定向，則考慮了配合刀庫是單側(cè)還是雙側(cè)同時換刀的方式進(jìn)行調(diào)試。在日常使用和維護(hù)中，需要在非同步控制狀態(tài)下進(jìn)行，比如在工件對刀時需分別旋轉(zhuǎn)主軸來對刀等。所以通過不同的Ｍ代碼來執(zhí)行不同的狀態(tài)，如表３所示。
表３ 雙主軸使用的Ｍ代碼
２.１.３雙刀庫控制
重新編輯了雙刀庫的順序控制程序。一方面簡化了刀庫的使用信息提示和不必要的報警信息，另一方面利用系統(tǒng)提供的宏程序與ＰＭＣ的接口信號，不再把所有的邏輯都在ＰＭＣ內(nèi)處理，而是以宏程序與ＰＭＣ相結(jié)合的方式進(jìn)行。使用系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置的Ｍ代碼調(diào)用子程序和輔助功能，簡單便捷。
（１）刀庫實(shí)現(xiàn)功能
提供不同時的單側(cè)換刀功能，兩個刀庫可以單獨(dú)與對應(yīng)的主軸進(jìn)行換刀；提供雙側(cè)同時對應(yīng)主軸進(jìn)行換刀的功能。
（２）宏程序的調(diào)用功能
使用“利用Ｍ代碼進(jìn)行的子程序調(diào)用”簡單實(shí)現(xiàn)換刀程序的調(diào)用。通過事先在參數(shù)中設(shè)定一個調(diào)用子程序的Ｍ代碼，即可調(diào)用子宏指令Ｏ９００１ ～ Ｏ９００９。這種使用Ｍ６調(diào)用Ｏ９００１子宏程序的方法，在參數(shù)ＮＯ ６０７１中設(shè)定６。
（３）宏程序與ＰＭＣ的接口地址應(yīng)用對系統(tǒng)變量進(jìn)行賦值和讀取，來實(shí)現(xiàn)對接口信號的輸出和輸入。
（４）編輯宏程序宏程序編輯如表４所示。
表４ 換刀宏程序程序
２.２機(jī)械部分和外圍的改造
在機(jī)械方面，更換了市場上常見的容量為２４把刀的快速機(jī)械手原盤刀庫，絲桿換成較大螺距的品牌絲桿。在外圍電氣方面，對應(yīng)更換成西門子和施耐德品牌的接觸器等。
３、結(jié)束語
本文通過對舊數(shù)控機(jī)床的升級改造，保留了進(jìn)口機(jī)器優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)械特性；解決系統(tǒng)、電器和常用部件隱患較多的問題；大大降低了企業(yè)的維護(hù)成本；改善了機(jī)器的操作性能，增加了人性化操作設(shè)計；大大提高了機(jī)器的生產(chǎn)效能，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。
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