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鄭州華晶金剛石股份有限公司

老機床“換腦”、“換心”煥“新顏”

關鍵詞 老機床改造|2022-04-13 09:40:34|來源 金屬加工
摘要 老機床只能退役?No,No,No!今天,我們來看看一種新思路——“換腦”和“換心”,將原有的電氣控制系統進行改造,更換為性價比更加適合的數控系統,讓老設備重新投入使用。序言當前國內...

       老機床只能退役?No,No,No!今天,我們來看看一種新思路——“換腦”和“換心”,將原有的電氣控制系統進行改造,更換為性價比更加適合的數控系統,讓老設備重新投入使用。

序言

       當前國內設備制造行業方興未艾,但設備制造的基礎如數控系統的研發和使用、機床機械部件的制造及應用等仍與世界先進水平有不小的差距。近年來,我公司從成本和機床的利用率、改造的性價比等方面調研,購買了多臺進口二手數控銑床,該批設備電氣系統老化,但其機械部件已經過多年的自然時效,精密鑄造、傳統工藝淬火的基礎工件年代越久,其應力與精度穩定性越好,工件耐疲勞、抗變形能力越強,應用價值也越高。但也正因為其電氣系統尤其是數字控制系統已經屬于淘汰產品,限于電氣元件的可恢復性、備件的可用性與儲備性及公司內人員缺乏對該系統的認識和了解等,二手設備的電氣系統無法使用,需要進行“換腦”和“換心”,將原有的電氣控制系統進行改造,更換為性價比更加適合的數控系統,讓老設備重新投入使用。

改造的目的、現狀和主要內容

(1)實施改造的目的  對二手設備進行電氣自動化改造,使原本淘汰報廢的設備發揮其殘余價值,并且恢復加工能力、加工精度,是本次改造的主要目的。

(2)數控機床改造現狀  近幾年我國數控機床雖然發展較快,但在可靠性、外觀質量、產品開發周期、應變能力及設備剛性等方面與國際先進水平還存在一定的差距。為了縮小差距,有關專家建議機床企業應在以下6個方面著力研究。

       1)加大力度實施質量工程,提高數控機床的無故障率。

       2)跟蹤國際水平,使數控機床向高效、高精方向發展。

       3)成套設計開發能力上求突破。

       4)發揮服務優勢,擴大市場占有率。

       5)多品種制造,滿足不同層次的用戶需求。

       6)模塊化設計,縮短開發周期,快速響應市場。

(3)改造的主要內容我公司有一臺1996年出廠的德國某品牌數控曲軸銑床,是公司早期購買的二手進口銑床,該機床原采用Uni-pro NC90系統,但系統及驅動部分故障率比較高,系統控制板及驅動板均為淘汰產品,損壞后修復困難,修理周期長,而且無相應備件替換,造成設備停機時間長。隨著自動化技術的發展,此機床已無法滿足自動化要求,需對此機床進行系統改造,用FANUC αi系列(公司原儲備備件)伺服單元和伺服電動機替換原機床控制單元和步進電動機,可實現多軸數控聯動。

數控曲軸銑床電氣改造技術要求

       根據原機床的結構和功能確定數控系統的配置,改造的技術要求如下。
       1)用FANUC具有網絡功能的超小、超薄型及高精、高效的FANUC 0i-TD 數控系統更換原機床的數控系統。并且選用FANUC 0i-TD雙路徑控制功能,可實現兩個刀架同時加工,也可兩個刀架獨立加工。
       2)用具高速、高精度和高能效的FANUC αi系列(公司儲備的備件)交流數字伺服單元和伺服電動機更換原機床X1軸、Z1軸、A1軸、X2軸、Z2軸和A2軸的伺服單元及伺服電動機。同時X1軸為刀架1徑向移動,Z1軸為刀架1軸向移動,A1軸為刀架1偏心軸旋轉,X2軸為刀架2徑向移動,Z2軸為刀架2軸向移動,A2軸為刀架2偏心軸旋轉。
       3)保留原機床X1軸、A1軸、X2軸及A2軸的半閉環反饋控制。將原機床Z1軸、Z2軸由半閉環控制改為全閉環控制,增加光柵尺。選用海德漢全封閉絕對式雙讀數頭光柵尺,機床改造完成以后,用激光干涉儀對X1軸、Z1軸、X2軸和Z2軸的定位精度與重復定位精度進行檢測與補償,提高機床各坐標軸的定位精度。

       4)用FANUC 0i-TD的I/O連接單元更換原機床的I/O連接單元,用FANUC 0i-TD系統的內裝PLC對機床外圍的所有動作進行邏輯控制。
       5)重新設計制作機床操作站與機床操作面板(操作面板上的所有按扭和指示燈選用施耐德產品),選用FANUC 10.4in(lin=0.0254m)LCD彩色液晶顯示器及日本原裝外掛式手搖脈沖操作盒。
       6)用FANUC原裝伺服電動機反饋電纜更換原機床X1軸、Z1軸、A1軸、X2軸、Z2軸和A2軸的反饋電纜,用德國纜譜的動力電纜更換原機床X1軸、Z1軸、A1軸、X2軸、Z2軸、A2軸及兩個主軸的動力電纜。
       7)保留原機床電氣柜,重新設計制作強電控制盤。所有強電元件選用西門子或施耐德品牌。
       8)保留原機床兩個主軸電動機的控制方式及主軸電動機,重新配置軟起動器,重新接線,使之與新的0i-TD系統相接,并通過系統內部PLC程序對其進行控制。
       9)將原機床X軸、Z軸由一個電動機控制改為兩個電動機單獨驅動,去掉原機床的齒輪減速箱。重新設計制作4個齒輪減速箱(保留最后一級齒輪傳動),并同時加裝4個伺服減速器替換原來的減速齒輪與離合器,消除齒輪傳動間隙。       

     10)根據原機床的結構和動作要求重新進行機床的電氣設計和PLC控制程序設計。

數控曲軸銑床改造后的構成及關鍵動作設計

(1)改造后的機床電氣控制部分改造后的機床如圖1所示。其電氣控制部分由機床電器柜、CRT/MDI操作盤以及機床操作面板等構成。

微信截圖_20220413093211.png

       1)機床電器柜柜內裝有日本FANUC A系列伺服單元,包括X1軸、Z1軸、A1軸、X2軸、Z2軸和A2軸,FANUC 0i -TD數控系統,I/O接口電路,以及光柵尺接口板等。

       2)CRT/MDI操作面板 CRT/MDI操作面板安裝在操作站的上方,各按鈕功能可查閱用戶手冊[1]。 

       3)機床操作面板機床操作面板如圖2所示,各按鈕的功能在關鍵動作設計和主要運動部件控制中有相應說明。

微信截圖_20220413093220.png

(2)關鍵動作設計關于雙通道控制、機床各軸控制和互鎖信號的關鍵動作設計如下。

       1)雙通道控制。改造采用FANUC 0i-TD控制系統,該系統是雙通道的,每個通道相當于一個單獨的系統,可以分別控制相應的軸運動。在MDI及自動方式執行機床控制時,一定要分清當前的通道,在顯示屏幕的右下角顯示:路徑1(即通道1)或路徑2(即通道2)。對于同一條指令,例如:GO G91 X100;如果此時是通道1,則X1軸移動;如果在通道2中,則X2軸移動。通道的切換可通過操作面板上的切換按鈕實現[2]。 

        2)機床各軸控制。在該數控銑床中,有6個數控軸,其中通道1控制3個數控軸,它們分別是X1軸、Z1軸和A1軸;通道2控制3個數控軸,它們分別是X2軸、Z2軸和A2軸,其中機床的前后運動沿X軸,機床的橫向移動沿Z軸,刀盤的旋轉運動沿A 軸。

       3)各軸互鎖信號。①在移動時,X1軸液壓鎖緊壓力檢測必須斷開,且為自動打開。②Z1軸位置必須在設定的范圍,即脫離卡盤區,允許X1軸移動,當同時按下“雙通道運行”鍵及相鄰左邊的空白鍵,在手輪方式下,可以移動X軸。該設計是為了對刀盤中心使用,使X軸不受Z軸位置設定條件的影響。③在移動時,Z1軸液壓鎖緊壓力檢測必須斷開,且為自動斷開;中心架松開,左卡盤夾緊,左側防護罩打開[3]。

主要運動部件控制

(1)刀盤旋轉控制本機床的主軸為普通三相電動機控制,起動采用西門子軟起動器控制,平滑升速。主軸速度約為80r/min。在主軸傳動齒輪側面安裝速度檢測開關,在旋轉過程中機械出現問題時,及時報警且讓機床停止進給[4]。

(2)刀盤旋轉起停注意事項當“卸左刀盤”按鈕按下時,對應的左刀盤將不能旋轉,當“卸右刀盤”按鈕按下時,對應的右刀盤將不能旋轉。當刀盤起動后有急停報警時,將導致刀盤停止,且軟起動器報警,電器柜內軟起動器紅燈亮,需將軟起動器復位才能消除報警[5]。

(3)刀盤的拆卸動作當機床的刀盤需要拆下時,需要將刀盤停止。如果拆左邊的刀盤,將Z1軸向右開到合適的安全位置,長按“卸左刀盤”按鍵,約1s即可,卸左刀盤燈將閃爍。如果拆右邊的刀盤,將Z2軸向左開到合適的安全位置,長按“卸右刀盤”按鍵,約1s即可,卸右刀盤燈將閃爍。當該燈閃爍后,刀盤將不能旋轉。然后拆掉中心架上的護罩,手動移動相應的X軸退出中心架范圍。換完刀后,先將X軸移回刀盤中心,然后按住相應的“卸刀盤”按鈕約1s,燈滅后再將Z軸移回加工位。

需要注意的是:如果刀盤開出來,必須將“卸左刀盤”、“卸右刀盤”指示燈點亮,直到機床的X軸恢復原位,再按該按鈕,取消該動作,否則會出現嚴重后果。由于機床的X軸有液壓鎖緊,所以當X軸開出來后,鎖緊液壓將無處密封,導致大量漏油,甚至把密封圈憋壞;當卸刀盤功能生效后,機床對應的X軸將不鎖緊,也就不會漏油。

(4)卡盤及頂尖的控制在手動狀態下,按一下“左卡盤夾緊”按鈕,左卡盤將夾緊,指示燈亮;按一下“左卡盤松開”按鈕,“左卡盤將松開”松開燈亮。其他手動按鈕“左止口前進”“右頂尖前進”“右卡盤松開”“中心架松開”和“中心架夾緊”等操作類似。

在自動狀態下,按“夾緊”按鈕,動作順序為右頂尖前進→止口前進→左卡盤夾緊→右卡盤夾緊→完成后燈亮。

按“松開”按鈕,動作順序為止口松開→右卡盤松開→左卡盤松開→右頂尖后退→完成后燈亮。

需要注意:編制手動控制PLC程序時要先頂右頂尖,再讓右卡盤夾緊,否則容易損壞機械。

(5)尾座的移動在手動狀態,將Z2軸開出卡盤區到達安全位置;同時按住兩個尾座移動鍵約1s,兩個指示燈同時閃爍;松開固定尾座的左右螺釘,手動前后扳動尾座上方的液壓閥5S25手柄就可以移動尾座。

結束語

       通過電氣改造,解決原機床控制系統和位置反饋系統問題,使機床具有高精度和精確的位置補償功能,讓舊設備煥發新活力。

       數控機床使用范圍越來越廣,市場容量也越來越大,但競爭也會加劇。機床使用企業不能從根本上解決當前國內設備制造業存在的問題,雖然大量應用國內設備,但高精度、高速率和高強度要求的設備仍需要從國外進口。而采取對二手設備進行自主改造的方式,可以縮短與先進裝備制造技術的差距,吸收國外先進的機床技術,同時也能為企業節省大量的成本。同一級別的國產設備價格是300多萬元,進口全新設備價格是700~900萬元,而采購二手進口設備價格是80萬元,加上改造費用90萬左右,比采購進口全新設備最高可節省成本達700多萬元,經濟效益顯著。

       參考文獻:

[1] 北京發那科機電有限公司. FANUC Series 0i-MODEL D/ FANUC Series 0i Mate-MODEL D車床系統/加工中心系統通用用戶手冊[Z]. 2012.

[2] 北京發那科機電有限公司. FANUC Series 0i-MODEL D/ FANUC Series 0i Mate-MODEL D參數說明書[Z]. 2012.

[3] 北京發那科機電有限公司. FANUC Series 0i-MODEL D/ FANUC Series 0i Mate-MODEL D維修說明書[Z]. 2012.

[4] 許楷濤. 電氣設備安裝調試中存在的問題與對策研究[J]. 中國設備工程,2020(6):87-88.

[5] 左雷安. 電氣設備安裝調試中存在的問題及解決對策研究[J]. 工程技術研究,2019(5):109-110.

       本文發表于《金屬加工(冷加工)》2022年第4期第83~86頁,作者:天潤工業技術股份有限公司 初忠智,王基鈺,于竹青。原標題:《進口二手數控曲軸銑床電氣自動化改造及應用》。

 

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