華中 8 系統(tǒng)對(duì)馬豪 MH1600W 加工中心換腦改造
2021-1-28 來(lái)源:湖北三江航天紅陽(yáng)機(jī)電 湖北江山華科數(shù)字 作者:明先承 楊進(jìn)東 陳艷 孫承新 劉基國(guó)等
摘要:針對(duì)德國(guó)進(jìn)馬豪 MH1600W 立臥轉(zhuǎn)換加工中心系統(tǒng)老化,故障率高發(fā),備件定制周期長(zhǎng),設(shè)備處于停機(jī)狀態(tài),介紹采用華中數(shù)控 848D 高檔數(shù)控系統(tǒng)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行換腦改造的方案、實(shí)施和應(yīng)用情況。改造后設(shè)備恢復(fù)正常使用,性能提高,經(jīng)濟(jì)效益明顯。
關(guān)鍵詞:MH1600W 加工中心;換腦改造;華中數(shù)控 HNC-848D
0 引言
MH1600W 四軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心為 90 年代末引進(jìn)德國(guó)德馬吉公司 (現(xiàn)為 DMG MORI 公司)80 年代初期的產(chǎn)品,該設(shè)備使用至今已經(jīng) 20 余年,電氣控制系統(tǒng)集成度低,控制系統(tǒng)老化,近幾年處于故障高發(fā)期,加上沒有詳細(xì)的系統(tǒng)維護(hù)文檔,部分零部件停產(chǎn)需定制致使配件維修費(fèi)用昂貴、周期長(zhǎng)等,給設(shè)備的保障帶來(lái)極大的困難,設(shè)備無(wú)法正常工作導(dǎo)致在生產(chǎn)中不能發(fā)揮正常效能,嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和進(jìn)度。但該設(shè)備機(jī)械部分剛性好,精度保持較好,具有較高的換腦改造再制造[1]價(jià)值,被納入04 專項(xiàng)換腦工程專項(xiàng)課題支持并成功實(shí)施換腦改造。主要介紹采用華中數(shù)控 848D 高檔數(shù)控系統(tǒng)[2]在 MH1600W 立臥轉(zhuǎn)換加工中心設(shè)備上的換腦改造方案、實(shí)施和應(yīng)用情況。
1、 MH1600W 設(shè)備現(xiàn)狀及存在的問題
MH1600W 設(shè)備加工范圍 X 軸 1600 mm、Y 軸 800 mm、Z 軸 800 mm, 并帶有 Φ800 mm 工作臺(tái),4 個(gè)全閉環(huán)控制的坐標(biāo)軸,鏈?zhǔn)降稁?kù)的容量為 30 把刀,機(jī)械手自動(dòng)換刀,屬大中型加工中心,該設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速 20~3200 r/min,功率 15 k W,扭矩1210 N·m,可自動(dòng)進(jìn)行立臥轉(zhuǎn)換,具備四軸四聯(lián)動(dòng)加工功能,數(shù)控系統(tǒng)為德國(guó)海德漢 MILLPLUS 系統(tǒng)。該設(shè)備一次裝夾可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的立式與臥式兩種加工工藝,發(fā)揮立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床的效能,縮短工藝流程,減少裝夾次數(shù)與裝夾時(shí)間,能完成多面體復(fù)雜加工,使工件加工精度、加工效率及工件質(zhì)量均得到大幅提升[3],主要用于工序多、周期長(zhǎng)、質(zhì)量難控制精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、關(guān)鍵件以及外協(xié)件加工,被列為公司的關(guān)鍵設(shè)備,在航天軍民品零件加工中發(fā)揮著重要作用。其主要存在的問題如下:
(1) 數(shù)控系統(tǒng)落后老化 。 數(shù)控系統(tǒng)為 HEIDENHAINMill Plus V320,智能化程度低,開放程度差,功能相對(duì)較少,數(shù)控主機(jī)、I/O 板、信號(hào)板等板卡為 PHILIP 早期控制產(chǎn)品,各軸的數(shù)控伺服控制模塊和電源模塊為德國(guó)力士樂模擬產(chǎn)品,均停產(chǎn),加上硬件 PCB 板老化,故障率高。
(2)控制系統(tǒng)相對(duì)落后。線路、繼電器、接觸器等元件老化,動(dòng)作可靠性降低,元件的集成度較低,3 個(gè)線性軸光柵信號(hào)衰減報(bào)警頻繁。
(3)機(jī)械零件磨損。Z 軸高速運(yùn)行時(shí)抖動(dòng),工作臺(tái)鎖緊缸出現(xiàn)多次銹蝕卡死現(xiàn)象,刮屑板磨損運(yùn)行不暢。
(4)潤(rùn)滑、液壓系統(tǒng)老化。管路老化,潤(rùn)滑不良,液壓系統(tǒng)漏油滲油嚴(yán)重,工作臺(tái)多次鎖死,機(jī)械手自動(dòng)換刀有時(shí)不到位或動(dòng)作遲滯;
(5)其他。部分維修配件停產(chǎn)需定制,供貨周期較長(zhǎng),且價(jià)格昂貴,技術(shù)資料不全等。
由于四軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心在航天加工工藝中的獨(dú)特地位,考慮到該機(jī)床的功能較齊全,主要功能部件完好,因此對(duì)該機(jī)床實(shí)施換腦改造比報(bào)廢、更新一臺(tái)同等規(guī)格的設(shè)備更為經(jīng)濟(jì)合算。
2 、換腦改造實(shí)施方案
2.1 系統(tǒng)選擇及實(shí)施方案
在國(guó)家重大專項(xiàng)課題的支持下,國(guó)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)以西門子、發(fā)那科等國(guó)外先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)為對(duì)標(biāo)產(chǎn)品,自主研發(fā)了華中數(shù)控 HNC-808/818/848 型、廣州數(shù)控 GSK27 型、大連光洋GNC60/61/62 型、沈陽(yáng)高精 GJ400 型等一批中、高檔數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品。攻克了開放式平臺(tái)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、高速高精、多軸多通道、同步控制和可靠性等核心關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的跨越式發(fā)展,其穩(wěn)定性、可靠性經(jīng)受了用戶的檢驗(yàn)[2]。
對(duì)于這種高精度立臥轉(zhuǎn)換數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō),電氣控制系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。在幾何精度、剛性、慣量等各機(jī)械因素一定的情況下,數(shù)控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)加工的質(zhì)量、效率則起到?jīng)Q定性的作用。
在對(duì)原機(jī)床的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行仔細(xì)分析后,制訂以下改造方案:從目前幾種主流的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)來(lái)看,結(jié)合公司現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)使用情況,設(shè)備采用華中 8 系統(tǒng) HNC-848 全數(shù)字高檔數(shù)控系統(tǒng)替換原有的 MAHO CNC 數(shù)控系統(tǒng),進(jìn)行換腦升級(jí)改造,該系統(tǒng)在航空航天系統(tǒng)使用已較普遍,系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性口碑好,并經(jīng)受 MBTF 20 000 h 的考核,后期硬件和服務(wù)支持也有保障,為今后的維護(hù)、升級(jí)、擴(kuò)充、通信等提供方便。采用華中數(shù)控交流數(shù)字伺服單元和登奇伺服電機(jī)來(lái)替換原有的交流伺服單元和伺服電機(jī);采用華中數(shù)控交流數(shù)字主軸驅(qū)動(dòng)模塊和主軸電機(jī)來(lái)替換原有的交流伺服單元和交流主軸電機(jī);采用海德漢封閉式的光柵尺、圓光柵替代原有老化停產(chǎn)的光柵尺、圓光柵;更換、檢修 X、Y、Z 軸滾珠絲杠、絲母和導(dǎo)軌;檢修液壓和潤(rùn)滑系統(tǒng),更換管路和閥組。
根據(jù)設(shè)備存在的問題和現(xiàn)狀,換腦改造主要從控制系統(tǒng)、機(jī)械、液壓和潤(rùn)滑幾個(gè)方面全面考慮,關(guān)鍵是控制系統(tǒng)的改造,包括電氣系統(tǒng)改造、邏輯控制設(shè)計(jì)和數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試,難點(diǎn)在于對(duì)設(shè)備的控制邏輯進(jìn)行準(zhǔn)確分析,對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、判斷和控制,確保設(shè)計(jì)安全可靠。
2.2 HNC-848D 系統(tǒng)主要性能及系統(tǒng)配置
華中數(shù)控 HNC-848D 為全數(shù)字總線式高檔數(shù)控系統(tǒng),采用模塊化開放式體系結(jié)構(gòu),支持自主開發(fā)的 NCUC 總線及 Ether-CAT 總線協(xié)議,具有高速高精加工控制、五軸聯(lián)動(dòng)控制、多軸多通道控制、雙軸同步控制及誤差補(bǔ)償?shù)雀邫n數(shù)控系統(tǒng)功能,具備面向數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)通信能力,滿足機(jī)床復(fù)雜加工工藝及控制要求。
設(shè)備換腦改造采用華中數(shù)控 HNC-848D CNC 系統(tǒng),系統(tǒng)連接及配置見圖 1,其中 Y 軸帶抱閘,伺服驅(qū)動(dòng)、主機(jī)模塊、通訊線纜、動(dòng)力線纜、光柵尺和編碼器電纜屏蔽層必須可靠接地,提高抗干擾性。
3 、改造實(shí)施
3.1 電氣控制系統(tǒng)改造
3.1.1 伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)
去掉原機(jī)床 X、Y、Z、B、S 軸 5 臺(tái)交流伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器采用華中數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)和登奇電機(jī),外接制動(dòng)電阻。其中 Y軸帶抱閘,電機(jī)安裝接口需設(shè)計(jì)電機(jī)座、過渡法蘭和連軸器;主軸調(diào)速給定由數(shù)控系統(tǒng)程序 S 指令設(shè)定,主軸啟動(dòng)、停止、點(diǎn)動(dòng)、變速等操作都集成在系統(tǒng)操作面板上。
3.1.2 光柵系統(tǒng)
更換原機(jī)床 X 軸有效行程 1640 mm,Y、Z 有效行程 920 mm光柵尺和 B 軸圓光柵為海德漢 18 000 線圓光柵,配海德漢標(biāo)準(zhǔn)電纜,實(shí)現(xiàn)各軸的全閉環(huán)控制;采用 2048 線 ROD480 圓光柵更換主軸定向 ROD486 圓光柵。
3.1.3 刀庫(kù)
恢復(fù)刀庫(kù)控制和管理功能,實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)自動(dòng)找刀、定位,利用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)就近選刀功能,機(jī)械手自動(dòng)換刀,并設(shè)置手動(dòng)單步換刀功能,方便維護(hù)調(diào)試和操作人員進(jìn)行換刀和對(duì)刀操作。
3.1.4 低壓電氣設(shè)計(jì)
更換機(jī)床控制和信號(hào)線纜和套管,數(shù)控系統(tǒng)及進(jìn)給驅(qū)動(dòng)部分加裝隔離電源。驅(qū)動(dòng)器電源進(jìn)線加裝交流電抗器,數(shù)控系統(tǒng)電源進(jìn)線加裝隔離變壓器,保證所有裝置接地良好。保留原機(jī)床電氣控制柜,重新現(xiàn)場(chǎng)裝配并進(jìn)行二次布線,控制柜中低壓控制元件全部更換新件,電柜出線按機(jī)床部件順序排列,屏蔽線均可靠接地。更換操作箱,操作箱采用鋁制機(jī)箱,更換控制面板、按鈕站面板及面板元件,恢復(fù)原機(jī)床的控制功能。
3.1.5 邏輯設(shè)計(jì)與控制
I/O 模塊通過總線連接到系統(tǒng),利用 PLC 代替電路中大量的繼電器和接觸器的控制電路,實(shí)現(xiàn)機(jī)床的所有邏輯順序控制任務(wù),包括:主軸立臥轉(zhuǎn)換、液壓、潤(rùn)滑、夾緊放松、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)、冷卻、排屑、控制電源、外部保護(hù)等控制,系統(tǒng)具備梯形圖在線監(jiān)控功能。主軸立臥轉(zhuǎn)換通過 PLC 完成,轉(zhuǎn)換到位后才允許啟動(dòng)。
(1)立臥轉(zhuǎn)換及換刀。該設(shè)備的主要?jiǎng)幼魇侵鬏S立臥轉(zhuǎn)換和機(jī)械手換刀。根據(jù)加工需要選擇主軸立式或臥式加工,轉(zhuǎn)換過程見圖 2、圖 3,保護(hù)主軸的堵蓋總是裝在不用的主軸上,避
免進(jìn)屑子。機(jī)械手換刀動(dòng)作基本流程可以分解為選刀過程和換刀過程,選刀動(dòng)作必須在換刀動(dòng)作之前完成。選刀動(dòng)作主要是負(fù)責(zé)選取指定的刀號(hào)的刀具,旋轉(zhuǎn)刀庫(kù)到指定刀具位置,然后等待換刀動(dòng)作開始。換刀動(dòng)作主要負(fù)責(zé)將刀庫(kù)上選定的刀具和主軸上的刀具進(jìn)行交換的動(dòng)作。
圖 1 系統(tǒng)連接及主要配置
圖 2 立式轉(zhuǎn)臥式
圖 3 臥式轉(zhuǎn)立式
(2)主要參數(shù)設(shè)置。MH1600W 立臥轉(zhuǎn)換加工中心是通過立式或者臥式的不同換刀位置來(lái)進(jìn)行換刀;換刀位置參數(shù)在坐標(biāo)軸參數(shù)下面的對(duì)應(yīng)軸 0(X)、軸 1(Y)、軸 2(Z)參數(shù):
立式主軸定向位置參數(shù)為 #105 539=2792;
臥式主軸定向位置參數(shù)為 #105 590=3190;
立式 Y 軸換刀位置參數(shù)為 #101 021=22.145;
立式 Z 軸換刀位置參數(shù)為 #102 021=-33.7;
臥式 Y 軸換刀位置參數(shù)為 #101 022=21.345;
臥式 Z 軸換刀位置參數(shù)為 #102 022=-180.8;
臥式 Z 軸讓刀位置參數(shù)為 #102 023=0。
3.1.6 其他功能
(1)系統(tǒng)具備反向間隙補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償?shù)裙δ埽蓪?duì)機(jī)床的幾個(gè)軸向移動(dòng)分別進(jìn)行補(bǔ)償,消除傳動(dòng)間隙。同時(shí)調(diào)整系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器參數(shù),使機(jī)床具有較高的回零精度和響應(yīng)速度。
(2)恢復(fù)原機(jī)床各項(xiàng)控制、連網(wǎng)功能,設(shè)置全方位報(bào)警文本功能,使系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)由于誤操作、編程錯(cuò)誤,各電氣部件問題所引起的各種故障,系統(tǒng)除進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作外,同時(shí)顯示報(bào)警號(hào)和報(bào)警文本,方便維護(hù)。
3.2 機(jī)械、液壓、潤(rùn)滑檢修
(1)檢查機(jī)床各軸的滾珠絲杠,更換聯(lián)軸節(jié),更換各軸滾珠絲杠兩端的支撐軸承、軸承調(diào)整墊,消除絲杠軸向竄動(dòng)。調(diào)整各軸滾珠絲杠的軸向預(yù)加載荷,消除反向間隙,保證機(jī)床各軸的定位精度及重復(fù)定位精度要求。
(2)檢修工作臺(tái),檢修轉(zhuǎn)臺(tái)鎖緊裝置,對(duì)工作臺(tái)鎖緊槽除銹處理,更換鎖緊缸,檢修 B 軸蝸輪蝸桿,調(diào)整蝸輪蝸桿間隙,更換蝸輪蝸桿軸承和編碼器,使定位準(zhǔn)確。
(3)更換主軸前、后端軸承,檢查主軸箱內(nèi)各換擋齒輪及拔叉是否磨損或損壞;檢查主軸錐孔的磨損情況,可用標(biāo)準(zhǔn)研棒研磨處理;更換蝶簧,調(diào)整松拉刀機(jī)構(gòu)和壓力,達(dá)到松拉刀要求。
(4)更換 X 軸導(dǎo)軌刮屑板,防止鐵屑及灰塵進(jìn)入導(dǎo)軌,造成導(dǎo)軌刮傷;檢修機(jī)床各軸防護(hù)裝置,更換全部 X 軸、Y 軸、Z 軸防護(hù)板的密封條,防止雜物進(jìn)入。
(5)檢修機(jī)床自動(dòng)換刀裝置,即刀庫(kù)及機(jī)械手裝置,檢查液壓閥、液壓馬達(dá)、更換損壞的零件及電磁閥,使機(jī)床自動(dòng)換刀穩(wěn)定可靠。
(6)檢查液壓裝置及液壓箱,更換機(jī)床老化或損壞的液壓元件、閥體、管路、電磁閥、密封圈、集中潤(rùn)滑裝置、潤(rùn)滑管路、分配器,冷卻裝置及管路等,更換蓄能器,檢修液壓泵,防止泄漏,壓力達(dá)到正常標(biāo)準(zhǔn),液壓間歇自動(dòng)補(bǔ)壓,解決液壓頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致油溫過高和漏油問題。
幾何精度調(diào)整檢驗(yàn)合格后,后采用利用激光干涉儀對(duì)機(jī)床的幾個(gè)軸向移動(dòng)分別進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償;同時(shí)調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器參數(shù),使機(jī)床具有較高的動(dòng)態(tài)性能、定位精度和重復(fù)定位精度,同時(shí)減小跟隨誤差。
4、 實(shí)施后的效果和優(yōu)點(diǎn)
換腦改造后,機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度達(dá)到原有機(jī)床的精度;按 GB/T 18400.7—A320 輪廓加工試件加工試切,經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量,直線度、垂直度、圓度、孔的定位精度等均達(dá)到原機(jī)床試件的加工精度。
在更換數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,使用全閉環(huán)控制、多平面刀具補(bǔ)償、小線段連續(xù)優(yōu)化過渡等功能,并通過以太網(wǎng)與車間 DNC 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸,實(shí)現(xiàn)機(jī)床狀態(tài)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控,大大提升機(jī)床的加工能力與加工效率。同時(shí)對(duì)原有的機(jī)械部分做了充分的維護(hù)和保養(yǎng)。對(duì)相關(guān)機(jī)械連接件做了必要的重新設(shè)計(jì)和更換。簡(jiǎn)化了電氣柜內(nèi)的線路連接,通過模塊化的方式,重新設(shè)計(jì)電氣柜的電氣連接,方便維護(hù)和故障檢修,設(shè)備可維修性得到提高。
5 、結(jié)束語(yǔ)
通過國(guó)家重大專項(xiàng)支持,采用華中數(shù)控 8 型系統(tǒng)成功進(jìn)行換腦改造,在完成以上改造后,該機(jī)床的性能和精度達(dá)到或超過原機(jī)床。經(jīng)過近半年時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐證明,該改造方案經(jīng)濟(jì)可行,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,故障率很低,故障停機(jī)時(shí)間比以前大為減少,提高了加工精度,原值 550 萬(wàn)元瀕臨報(bào)廢的設(shè)備在科研生產(chǎn)中又重新煥發(fā)生機(jī),取得良好的經(jīng)濟(jì)效益,完全能夠滿足航天軍工高精度、高效率、高可靠性的要求,改造費(fèi)用控制在同檔次進(jìn)口機(jī)床價(jià)格的 1/4 以內(nèi),避免了采用進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行改造成本高、時(shí)間長(zhǎng)等問題,實(shí)現(xiàn)進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化替代,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命,達(dá)到預(yù)期的效果。同時(shí)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)在航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,提升軍工企業(yè)的智能制造能力和生產(chǎn)效率,保障軍工企業(yè)信息安全、產(chǎn)業(yè)安全和經(jīng)濟(jì)安全,為國(guó)防安全的自主可控提供保障。
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