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加工中心電氣系統(tǒng)的改造設(shè)計
2019-6-28  來源: 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)   作者:來 華



  
      摘 要: 針對某職業(yè)學(xué)校 HASS VF-3D 立式加工中心頻繁出現(xiàn)故障影響教學(xué)的情況,對該加工中心進(jìn)行改造,設(shè)計了一種實訓(xùn)型加工中心。介紹了加工中心數(shù)控系統(tǒng)的選型,闡述了加工中心電氣系統(tǒng)改造硬件設(shè)計,系統(tǒng)試運行成功。

      關(guān)鍵詞: 加工中心; 電氣系統(tǒng); 改造
  
     0 引言
  
     本文所研究的對象是某職業(yè)學(xué)校實訓(xùn)車間的一臺 HASSVF-3D 立式加工中心。

     這臺加工中心已經(jīng)使用多年,在經(jīng)歷了多次的大型維修之后,還是經(jīng)常出現(xiàn)故障,對教學(xué)造成了嚴(yán)重的影響,為此本文針對這一情況對加工中心進(jìn)行改造。本文考慮到該加工中心機(jī)床部分基本完好而數(shù)控系統(tǒng)等已經(jīng)無法繼續(xù)使用,打算改造為一種實訓(xùn)型加工中心。

    首先將原有的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行更換,同時在原有的系統(tǒng)中變頻器和伺服驅(qū)動器與原有的數(shù)控系統(tǒng)是通過一個保密的協(xié)議進(jìn)行通信的,新的系統(tǒng)無法與原有的變頻器與伺服驅(qū)動器進(jìn)行通信,所以也要更換掉。

    如果伺服驅(qū)動器更換了,那么伺服電機(jī)也要進(jìn)行更換。對于主軸電機(jī)來說,由于其功率相對來說是比較大的,同時現(xiàn)階段的運行過程中也沒有出現(xiàn)太多的異常,所以可以繼續(xù)使用。另外機(jī)械部分的一些改造工作僅僅只為了配合系統(tǒng)電氣部分的改造工作,不用進(jìn)行太多的改變。

     1 、數(shù)控系統(tǒng)的選型
  
    由于本文設(shè)計的是實訓(xùn)型加工中心,因此在整個加工中心的改造工作里面最為核心的就是數(shù)控系統(tǒng)的改造工作了,必須要選擇一個合適的數(shù)控系統(tǒng)才能夠使工作順利完成,同時數(shù)控系統(tǒng)的其他部分比如變頻器及伺服驅(qū)動也就確定了。

    本次加工中心改造的目的是為了使加工中心更能滿足教學(xué)的需要,所以設(shè)計的過程中沒有必要過多的追求加工性能,本文選擇了當(dāng)前主流的西門子數(shù)控系統(tǒng) SINUMERIK 808D,在伺服驅(qū)動方面選擇的是 SINAMICS V60 伺服系統(tǒng),在主軸方面選擇的是模擬主軸,在變頻器方面選擇的是MICROMASTER420。

    2 、電氣系統(tǒng)的設(shè)計與選型
  
    2.1 加工中心伺服系統(tǒng)設(shè)計
  
    對于整個數(shù)控機(jī)床來說,比較重要的一個部分就是伺服系統(tǒng)了,因此一定要選擇一個合理適用的。為了使選擇的電機(jī)能夠符合改造的要求,其給定負(fù)載首先要符合要求,其次再校核負(fù)載慣量。

    在數(shù)控機(jī)床里面,如果一個零件要進(jìn)行切削加工的時候,伺服電機(jī)所輸出的力矩要克服一定的力矩: 恒定的負(fù)載力矩以及切削力矩; 機(jī)床工作臺加、減速需要的力矩,選擇的伺服電機(jī)能夠滿足需求,需要看這個電機(jī)是否滿足這個條件: 負(fù)載的慣量不能大于電動機(jī)本身慣量的 3 倍。

    所謂的電機(jī)負(fù)載慣量就是電機(jī)運行過程中由于轉(zhuǎn)動而驅(qū)動物體慣量形成的,要算出每一個運動的物體的慣量,不管其是直線運動還是進(jìn)行轉(zhuǎn)動的,之后再通過一定的規(guī)則把每個慣量進(jìn)行折算求和,就能夠算出總慣量。
  
  
    電機(jī)的負(fù)載慣量對于電機(jī)動態(tài)響應(yīng)的影響是特別巨大的,這些影響會直接影響到被加工零件的質(zhì)量,一旦負(fù)載慣量的大小突然變大,期間電機(jī)的轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)很大的變化,會需要特別長的加減速時間才能夠得到指令所需的速度,特別是機(jī)床高速完成圓弧、樣條等曲線的插補(bǔ)時,所引起的偏差會更大。通常情況下,一切折算到電機(jī)軸上負(fù)載慣量都必須要小于電機(jī)慣量大小的三倍,改造方案 XY 進(jìn)給軸選型為額定電流 4A 的 SI-NAMICS V60 伺服驅(qū)動器,SIMOTICS 1FL5 SIMOTICS 1FL5 伺服電機(jī)選型為 4N·M,Z 進(jìn)給軸選型為 6A 的驅(qū)動器和 6N·M的伺服電機(jī),通過查閱《SINUMERIK 808D 數(shù)控系統(tǒng)選型樣本》中的電機(jī)選型表,這些電機(jī)的電機(jī)慣性滿足:
  
      
  
    因此本方案選取的電機(jī)滿足要求。
 
    2.2 PLC 控制和接口設(shè)計

    系統(tǒng)內(nèi)嵌的 PLC 所要進(jìn)行控制任務(wù)包括一些數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度的控制,當(dāng)然還有一些系統(tǒng)的時序控制任務(wù)。當(dāng)前數(shù)控機(jī)床都是通過 PLC 來實現(xiàn)控制功能的,相比于傳統(tǒng)的獨立PLC,數(shù)控機(jī)床的 PLC 全是內(nèi)部集成的,在數(shù)控系統(tǒng)里面為一個電路板,并沒有自己的 CPU,通常情況下都是和數(shù)控系統(tǒng)通用。

   而在導(dǎo)軌上安裝的是 PLC 的輸入輸出模塊,這些模塊能夠根據(jù)系統(tǒng)的需要配置相應(yīng)的數(shù)字量或者模擬量模塊。在編程方面,數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的 PLC 和獨立的 PLC 是一樣的,可以方便操作人員進(jìn)行使用。

    2.2.1 808D 內(nèi)嵌式 PLC —S7-200 PLC 簡介

    在本文數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的 PLC 是西門子系列的 S7-200。在S7-200PLC 的程序結(jié)構(gòu)中一般有主程序和子程序之分,PLC 在進(jìn)行周期循環(huán)的時候只對那些主程序進(jìn)行掃描,子程序不進(jìn)行掃描,子程序只是在主程序中被調(diào)用,同時子程序能夠進(jìn)行多級嵌套調(diào)用。在數(shù)控系統(tǒng)里面,PLC 系統(tǒng)和 NC 系統(tǒng)是用一個 CPU 的,PLC 內(nèi)置的編程工具 Programming Tool V3.2 是PLCS7-200 的一個子集,其編程界面和 S7- 200 的 STEP7 - Mi-cro / WIN 是一樣的。PLC 程序的下載以及上傳都是由系統(tǒng)以及 PC 機(jī)上的 RS232 接口進(jìn)行的
  
     2.2.2 數(shù)控機(jī)床 PLC 與外部的信息交換
  
     在進(jìn)行信息交換的時候,數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的 PLC 和獨立 PLC 是不一樣的,常規(guī)的獨立 PLC 都是通過輸入以及輸出和外部進(jìn)行信息的交換。外部所有的信息作為輸入送到 PLC 
里面,在 PLC 里面進(jìn)行計算,輸出結(jié)果再輸出給外部部件。

    而數(shù)控機(jī)床內(nèi)嵌的 PLC在和外部信息進(jìn)行交換的時候,也包含上面兩個途徑,但是在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)里面,PLC 不再是控制的核心,其輸入就是系統(tǒng)下達(dá)的某些任務(wù),因此 PLC 
所控制的不是所有機(jī)床系統(tǒng)的任務(wù),只是其中的一部分,PLC 從數(shù)控系統(tǒng)中接收指令,再通過邏輯運算,把結(jié)果輸出到機(jī)床上,起到承上啟下的作用。

    2.2.3 斗笠式刀庫電氣控制線路的設(shè)計
  
    在原有加工中心的機(jī)床中配備的是電機(jī)驅(qū)動的斗笠式刀庫,其大部分功能都是通過 PLC 實現(xiàn)的,原有的刀庫電氣線路無法應(yīng)用在新的系統(tǒng)上,所以要重新進(jìn)行設(shè)計工作。斗笠式刀庫之前的 I/O 點根據(jù)原材料的查閱能夠獲得,本文設(shè)計把這些I / O 點和 808D 的 PLC 接口相連,通過 PLC 即能控制斗笠式刀庫的運行。

    3 、系統(tǒng)試運行
   
    為了驗證本文設(shè)計實訓(xùn)性加工中心的性能,在使用之前一定要試運行。試運行的時候為無負(fù)載運行,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,在空運行的時候程序要一直運行長達(dá) 32 h,并且倍率開關(guān)要一直保持在 100%。機(jī)床進(jìn)行運行的時候不能夠出現(xiàn)任何問題,否則重新開始,在空運行的時候可以非故障停機(jī),每次時間不可以大于半小時,否則必須要重新開始。

   在進(jìn)行試運行之前,要檢查機(jī)床是否能夠滿足下列條件:
  
    1) 在立體三軸上面均要配置一個導(dǎo)軌伸縮防護(hù)罩作為保護(hù)措施。
    2) 系統(tǒng)的刀庫里面要掛滿刀。
    3) 整個系統(tǒng)的安裝以及調(diào)試工作都要完成并且不出現(xiàn)任何問題。
    4) 整個系統(tǒng)在準(zhǔn)備運轉(zhuǎn)之前,一定要完成清潔工作并將所有的電柜門關(guān)上。

    所有條件滿足之后,數(shù)控機(jī)床開始進(jìn)行試運行工作,在整個過程中沒有發(fā)現(xiàn)任何機(jī)床故障,試運行通過。
 
  

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