朱 暉

(安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院 安徽馬鞍山 243000)

隨著我國鐵路建設(shè)跨越式發(fā)展，鐵路交通現(xiàn)代化的步伐正日益加快,國內(nèi)新造機車車輛和引進高速列車的快速增加,對車輪加工精度的要求也不斷提高。因為車輪加工機床屬于高投入的設(shè)備，利用現(xiàn)有普通機床進行數(shù)控系統(tǒng)改造就成為了一種、各較為理想的選擇。

車輪公司原有四臺501機床，雖然能夠很好地完成非精加工車輪的生產(chǎn)，但是滿足不了高加工精度的要求，面臨被淘汰的尷尬狀況。該型號的機床主傳動和各刀架鋼性很好，整體結(jié)構(gòu)結(jié)實可靠，如果對其進行全面的數(shù)控化改造，不但能夠節(jié)約采購新機床的高額費用，而且避免浪費現(xiàn)有資源。

根據(jù)數(shù)控機床的基本特征，和現(xiàn)場的實際需求，我們對整個系統(tǒng)進行了設(shè)計。系統(tǒng)分為結(jié)構(gòu)改造和數(shù)控系統(tǒng)改造。

結(jié)構(gòu)改造包括刀架的滾珠絲杠改造、主軸驅(qū)動變速箱改造、液壓系統(tǒng)改造等，屬于機械液壓專業(yè)，另外專門敘述。

本文著重介紹數(shù)控系統(tǒng)的選型和改造：分為數(shù)控系統(tǒng)、刀架伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動系統(tǒng)等三個模塊。

數(shù)控系統(tǒng)是FUNAC公司的0系列的0—TTC系統(tǒng)。0—TTC系統(tǒng)是一種能控制雙路徑的CNC，是為能獨立控制雙刀架的車床設(shè)計使用的。

刀架伺服系統(tǒng)FUNAC系統(tǒng)的控制部分，通過軸板將伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接起來。其中一路徑受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制，而另一路徑受附加多軸卡控制。前一路為左刀架，另一路為右刀架。左刀架X，Z軸接在 AXE的軸板的第1，2軸上，而右刀架X，Z軸接在附加軸卡AXS的第5，6軸上。在控制系統(tǒng)方面是一個半閉環(huán)系統(tǒng)，只通過串型α脈沖編碼器來進行位置，速度反饋。系統(tǒng)的檢測單位為1 μm。電機一轉(zhuǎn)，刀架移動8mm。水平刀架以直徑來表示，垂直刀架以半徑來表示。

主軸驅(qū)動系統(tǒng)：使用了西門子的6RA70主軸控制系統(tǒng)，可調(diào)速。

1 FUNAC數(shù)控控制系統(tǒng)的組成部分

1.1 主板

主板是將各功能板連接起來，進行信號,指令傳遞并向各功能板提供電源。主CPU在主板上。左下角有六個發(fā)光LED管分別顯示運行、報警等系統(tǒng)信號。

1.2 電源模塊

電源模塊是向CRT/MDI，I/O板，主板提供，+24E，+15V，-15V，+5V，+24E電源。

現(xiàn)場使用的電源模塊型號是A16B-1212-0110。它有四組接口(CP11，CP12，CP14，CP15)，我們只用了CP11，CP12，CP15三組。四組保險絲(F11，F(xiàn)12，F(xiàn)13，F(xiàn)14)

1.3 PMC—M板

0系統(tǒng)可使用兩種PMC，既機床PMC —L，PMC —M。我們現(xiàn)場使用的是PMC—M型。在FUNAC系統(tǒng)中，PLC程序是以梯型圖來表示的，梯型圖是以PMC為編程平臺，利用PMC的指令來編制的。不同型號的PMC，其程序的步數(shù)，功能指令，內(nèi)部繼電器，保持型存儲器的地址是不同的。順序程序的編程是從梯型圖的編制開始。梯型圖是用PMC的指令編制，梯型圖編制好后，并將它變換成機器語言指令，存儲在PMC—M板上的兩塊可讀寫存儲器(ROM)上。存入到存儲器的PLC程序有PMC的CPU逐條的高速讀出，并執(zhí)行。在PMC—M板中有兩塊ROM存儲器來存放機床的PLC程序。

1.4 I/O板

來自機床側(cè)的和控制面板的輸入信號通過I/O板傳遞到控制系統(tǒng)，主要是按鈕信號，限位開關(guān)，繼點電器觸點或接近開關(guān)。并將從控制系統(tǒng)發(fā)出的輸出信號通過I/O板傳遞給機床,讓機床按指令運動。(如圖1所示)該板有M1，M2，M18，M19，M20，CS8接口：M1，M18，M20接的是輸入信號；M2，M19接的是輸出信號；CS8 是用來連接主板的。輸入信號的+24V電源是由電源模塊提供的(通過M1接口的29，30，31，32針提供的)。輸出信號的 +24V是由外部的+24E電源提供。

圖1 I/O板

1.5 子CPU板

該板是對信號進行邏輯運算。

1.6 存儲器板

存儲器板是用來接受系統(tǒng)操作面板的鍵盤輸入信號，提供串型數(shù)據(jù)傳送接口，主軸模擬量，位置編碼器接口，存儲機床數(shù)據(jù)，零件加工程序，各種參數(shù)等。如圖2所示。

它有M27，M26，M12，M3，M5，M74，CCX5，CS11，CS12，CPA7接口。

M27：用來連接位置編碼器。

圖2 存儲器板

M26：用來模擬主軸，連接到6RA70主軸控制器。

M3 ：用來連接MDI。

CCX5：用來連接9寸黑白顯示器。

M12：用來連接手搖脈沖發(fā)生器。

M5 ：用來通訊(例如：傳零件加工程序)。

M74：用來通訊(例如：傳零件加工程序。本系統(tǒng)沒有用)

CPA7：用來連接備用電池(為防止停電時，機床數(shù)據(jù)丟失)。

CS11，CS12：用來連接主板。

1.7 軸板

我們所使用的機床的FUNAC 的CNC控制系統(tǒng)有兩個軸板，一個AXE基本軸，控制X，Y，Z，4th軸；另一個AXS擴展軸，控制5，6軸。FUNAC系統(tǒng)的控制部分通過軸板將伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接起來，(在我們所使用的系統(tǒng)中)構(gòu)成了一個半閉環(huán)控制系統(tǒng)。用AXE軸板來提供左刀架的X軸，Z軸的進給指令，接受左刀架的X軸，Z軸反饋的位置信號。用擴展的AXS軸板來提供右刀架的X軸，Z軸的進給指令，接受右刀架的X軸，Z軸的反饋的位置信號。如圖3所示。

M184：給左刀架X軸驅(qū)動模塊的給定信號。

圖3 軸板

M185：來自左刀架X軸驅(qū)動電機編碼器的位置反饋信號。

M187：給左刀架Z軸驅(qū)動模塊的給定信號。

M188：來自左刀架Z軸驅(qū)動電機編碼器的位置反饋信號。

CP A12：備用電源用于絕對脈沖編碼器，本系統(tǒng)沒有用。

M204：給右刀架X軸驅(qū)動模塊的給定信號。

M205：來自左刀架X軸驅(qū)動電機編碼器的位置反饋信號。

M207：給左刀架Z軸驅(qū)動模塊的給定信號。

M208：來自左刀架Z軸驅(qū)動電機編碼器的位置反饋信號。

M206，M209：分離型位置編碼器，用于全閉環(huán)系統(tǒng)。

M28，M29：用于主軸控制。

2 FUNAC的伺服驅(qū)動系統(tǒng)

2.1 α伺服放大器模塊及報警說明

我們選用的α伺服放大器的型號A06B—6089—H104。輸入交流220伏。都有內(nèi)裝型再生放電單元。再生放電單元就是當(dāng)負(fù)載慣量大時，加減速頻率高時，電機產(chǎn)生的再生能源，這些再生能源通過模塊背后的阻值為16歐姆的散熱片消耗掉。這兩種放大器使用的時A型接口。它的報警保護功能通過模塊前面的LED顯示出來。在模塊的下部有六個接口，我們所使用的系統(tǒng)中只用了兩個接口(JV1B，CX4)見圖4。

CX3，JA4， JF1， JS1B接口沒有用。

JV1B：與軸板相連。

CX4：使能信號。(與機床的急停信號和超程信號有關(guān)，當(dāng)其中的一個信號斷開時，就將模塊的使能信號斷開。) 信號斷開時，就將模塊的使能信號斷開。)

圖4 接口布置圖

2.2 α伺服電機

我們現(xiàn)場所用的電機都是交流伺服電機。1#，2#機床的X軸電機的型號α30/1200，額定輸出3.3 kW，30 NM。Z軸電機的型號α30B/1200，額定輸出3.3 kW，30 NM。Z軸電機所帶抱閘的輸入電壓為直流90伏，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出NC準(zhǔn)備好信號F149.7和伺服準(zhǔn)備好F148.6信號后，接通輸出信號Y49。0后，抱閘打開。X軸，Z軸交流伺服電機都帶有串型α脈沖編碼器作為位置，速度反饋。我們現(xiàn)場使用的伺服電機每轉(zhuǎn)，刀架移動8 mm。

3 主軸驅(qū)動系統(tǒng)

我們選用的主軸系統(tǒng)是西門子公司的6RA70主軸控制器。

在FUNAC系統(tǒng)中有兩種控制主軸電機的接口：主軸串型輸出接口和模擬輸出接口。主軸串型輸出接口可以控制兩個串型主軸，而模擬輸出接口只能控制一個模擬主軸。我們所使用的是模擬主軸。模擬主軸的速度是通過輸出模擬的10V直流電壓指令。他們是通過存儲板上的M26接口的7#和20#管腳輸出到6RA70主軸控制器，來控制主軸的速度。這里的10V電壓設(shè)定成主軸的最速度。主傳動的反饋的信號是通過主電機的測速發(fā)電機來傳送的。

4 FUNAC系統(tǒng)的連接方式

4.1各功能板的連接圖

圖5 各功能板的連接圖

4.2 軸板(AXE,AXS)與伺服驅(qū)動的連接示意圖

以左刀架的Z軸為例。(其他各軸是一樣的)

從圖中我們可以看到，它是一個半閉環(huán)控制系統(tǒng)。給定是電壓信號，反饋信號是以脈沖信號來傳遞的，通過控制單元將脈沖信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，與給定電壓信號進行比較。

圖6 軸板(AXE,AXS)與伺服驅(qū)動的連接示意圖

5 結(jié)論

較為老舊的501機床經(jīng)過數(shù)控改造以后，加工精度大大提高，達到了加工高精度車輪的要求。改造后的機床動作控制準(zhǔn)確有效；PLC程序編制、修改方便快捷；NC程序的輸入簡單明了。因為大量采用該公司常用設(shè)備的模塊，使得備件通用性強，降低了使用成本。

數(shù)控機床自投入運行以來，其圖形化的人機交互界面為操作及維護提供了簡潔可靠的方法，該機床可靠性較好，加工精度高，使生產(chǎn)效率大大提高，有利地促進了公司的生產(chǎn)。

參考文獻

[1] 何玉安. 數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011

[2] 錢 平. 伺服系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011