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基于德國巨浪ＤＺ１８Ｗ數控機床的升級改造

2021-4-22 來源：中山市技師學院作者：林建滿

摘要：如何合理利用改造技術將老舊數控機床進行升級優化，是當下需迫切解決的問題。以德國巨浪ＤＺ１８Ｗ數控機床為例，結合當前最新數控系統功能進行升級改造。闡述了該設備在改造過程中存在的優缺點及技術難點，從數控系統、外圍電器控制、部分機械結構３方面進行改造，實現了高速高精的數控機床要求。在工作效率上較改造前的設備提升了約３０％，設備故障率降低了約８５％，有效提升了機器的整體性能，提高了生產效率，創造了經濟效益。

關鍵詞：數控機床；升級改造；高速高精

０引言

自２０世紀９０年代以來，我國廣泛購買和引進國外數控類加工中心或專機，用于加工生產，提高產品的質量及生產效率。這些機器經過近３０年的使用，或年久失修，或幾經易手，機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，而且生產效能已顯著下降，整機呈被淘汰趨勢。但是，這些國外進口機器在結構設計，機械鑄件和裝配方面，依然有著行業較高水平。隨著計算機科學、

電子電路、電機學等的快速發展，數控系統也在飛速發展，其中ＮＣ控制、伺服控制、算法、電機等與之前的數控系統相比，更不可同日而語。因此，本文通過更換新一代的數控系統，對舊的進口數控加工中心進行升級改造，改變舊機器電氣老化、故障繁多導致維修成本上升、效能下降的不良情況，保留較高水平的機械結構，從而提高舊型機床的生產效能，為企業創造更高的經濟效益。

１、功能分析與系統選型

１.１舊數控機床的現狀和功能分析

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的優良設計特點，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行產品的加

工。這款機器在企業內主要用于高速的零件銑削和鉆孔攻絲。

圖１　舊的進口加工中心

１.２加工中心存在的缺點和優點

這款加工中心購買使用已有２０多年，主要功能可以實現，但容易出現故障使得生產停機。缺點如下：

（１）電氣元器件老化，工作不穩定，設備可靠性下降，影響生產；

（２）機器已過保修期，進口機器維修難，且維修費用很高；

（３）電氣元件較老，多數已不生產，維修用的元器件采購成本高；

（４）機器故障，廠家在國外，維修周期長，停機時間久，沒保障；

（５）數控系統年代久遠，與新系統相比，功能不強大，與廠家同機型的最新款相比，機器整體效能低。

這些缺點，使得繼續使用此款機器的成本高，經濟效益低。優點如下：

（１）緊湊特殊的雙主軸結構，有利于快速生產；

（２）交換工作臺的設計，使得一邊加工的同時，另一工作臺可進行工件的裝夾，在工廠進行智能升級時，可完美配套機械手，在加工的同時進行工件的安裝或者拆卸，為后續的智能生產提供了良好基礎；

（３）整機結構設計理念超前，同廠同機型的最新款依然沿用這種結構設計。

綜上所述，如果能在保留優良設計結構的基礎上，對系統等電氣部分進行升級改造，那么將使這臺機器重新煥發光彩，為企業帶來良好的經濟效益。

１.３機床功能分析和升級改造

這臺加工中心的改造重點在于系統電氣部分和少量的機械外圍部分，而保留原有的超前機械結構設計。對機床，分機械、控制、外圍三大方面進行分析。

１.３.１控制部分

機床有Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸３個進給軸，２個主軸，２個刀庫和交換工作臺。交換工作臺旋轉由１個伺服電機和１套液壓裝置控制。

（１）進給軸。立式加工中心結構的三軸進給，對比現在的機器，進給速度較慢，效率相對低。

改造辦法：采用新型伺服電機進行改造，并配以較大螺距的絲桿以提升進給速度，提高加工效率。

（２）交換工作臺。轉臺機械性能良好，但液壓站使用年份已久，很多檢測元件容易出現不穩定，從而發生故障。

改造辦法：采用新型伺服電機替換原有轉臺的電機。對控制轉臺的液壓站進行整體更換。

（３）雙主軸。兩個主軸同時進行剛性攻絲、鉆孔，以及同轉速銑削的工藝。隨著加工工藝的發展，主軸轉速不高的情況較難滿足現在使用要求，效率欠缺。

改造辦法：根據企業現在最新的加工工藝，重新選擇主軸電機，并配高速主軸，以滿足現在工藝的高精高效的要求。

對于兩個主軸同時進行剛性攻絲、鉆孔的工藝，可以采用Ｆａｎｕｃ系統的“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、從控主軸予以結合，以使得剛性攻絲、通常的主軸旋轉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。

隨著工藝的發展和變化，需要增加考慮一些人性化操作，如一個主軸出現故障進行維修時，可以很簡單地讓另一個主軸進行動作，避免機臺停機，造成影響。

（４）雙刀庫控制。可以配合２個主軸同時進行換刀，但很大部分的換刀邏輯都在ｐｍｃ內處理，一旦換刀出現錯亂和故障后，取消報警和恢復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機械部分

整體的設計結構和機床主體不改變。對常出現故障的局部進行改造。

（１）主軸。這是最常使用的部件，易出故障，且之前的設計轉速無法達到現在的工藝要求。

改造辦法：更換為目前國內較為常見的高速主軸。

（２）三軸絲桿。易出故障，且之前的設計速度滿足不了現在的使用要求。

改造辦法：更換為市場較常見的絲桿，同時加大螺距，以提高進給速度。

（３）刀庫。使用已久，換刀執行部件和檢測元件質量老化下降，舊刀庫的設計邏輯繁瑣。

改造辦法：采用常見的高速刀庫進行更換，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，都使得電器質量下降，靈敏度降低，容易出現誤動作，產生報警故障。采用新電氣元件和線材替代舊品的辦法進行改造。

２、方案實施

２.１控制部分的升級改造

２.１.１系統的整體配置

根據機床原有電機規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，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。配套具有高速響應的ａｉ系列的伺服驅動和伺服電機，使得在滿足機臺原有功能的基礎上，又能提升了整體的控制性能，達到先進應

用行列。升級整體配置：控制系統為０ｉＭＤ；驅動器為ａｉＰＳ５５＋ａｉＳＰ２２＋ａｉＳＰ２２＋ａｉＳＶ８０／８０＋ａｉＳＶ４０／４０；伺服電機為ａｉＦ８／３０００＋ａｉＦ８／３０００＋ａｉＦ１２／４０００＋ａｉＦ１２／４０００；主軸電機為ａｉＩ１５／１２０００。采用新配置，使得主軸電機的轉速從原來的８０００ｒ／ｍｉｎ提升到了１２０００ｒ／ｍｉｎ，伺服電機的轉速最高提到了４０００ｒ／ｍｉｎ。

舊系統的電流控制為ＨＲＶ１控制，此次選配的０ｉＭＤ系統采用了新一代伺服控制理念，高速電流響應采用了ＨＲＶ３控制，大大提高了伺服響應，使得機器的高速高精度控制變成了可能。絲桿的螺距從原來的１０ｍｍ提升到Ｘ軸和Ｙ軸為１２ｍｍ，Ｚ軸為１６ｍｍ。這樣，Ｘ／Ｙ軸的速度提高到了３６ｍ／ｍｉｎ；而Ｚ則提高到了４８ｍ／ｍｉｎ。相比原來ＸＹＺ三軸均為２４ｍ／ｍｉｎ的移動速度，改造后整體速度提高了約６６％，可與目前進口機器的速度相比。變換絲桿后需設置與指令、檢測、齒輪比之類的伺服參數，以使得機器得以精確平穩地運行。以Ｚ軸為例，設置如表１所示。

表１Ｚ軸基本伺服參數設置

２.１.２主軸控制

新一代的主軸驅動和主軸電機，在主軸指令的響應上以及轉速上有很大提升，剛性攻絲和銑削能力也加強。雙主軸采用的主軸簡易同步控制，在滿足功能和參數設置（表２）的前提下，通過輔助功能代碼（Ｍ代碼）觸發主軸簡易同步控制信號來實現，主軸簡易同步控制信號為Ｇ６４＃６（ＥＳＲＳＹＣ），這樣可簡單進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