进口二手数控曲轴铣床电气自动化改造及应用

初忠智，王基钰，于竹青

天润工业技术股份有限公司 山东威海 264400

1 序言

当前国内设备制造行业方兴未艾，但设备制造的基础如数控系统的研发和使用、机床机械部件的制造及应用等仍与世界先进水平有不小的差距。近年来，我公司从成本和机床的利用率、改造的性价比等方面调研，购买了多台进口二手数控铣床，该批设备电气系统老化，但其机械部件已经过多年的自然时效，精密铸造、传统工艺淬火的基础工件年代越久，其应力与精度稳定性越好，工件耐疲劳、抗变形能力越强，应用价值也越高。但也正因为其电气系统尤其是数字控制系统已经属于淘汰产品，限于电气元件的可恢复性、备件的可用性与储备性及公司内人员缺乏对该系统的认识和了解等，二手设备的电气系统无法使用，需要进行“换脑”和“换心”，将原有的电气控制系统进行改造，更换为性价比更加适合的数控系统，让老设备重新投入使用。

2 改造的目的、现状和主要内容

（1）实施改造的目的 对二手设备进行电气自动化改造，使原本淘汰报废的设备发挥其残余价值，并且恢复加工能力、加工精度，是本次改造的主要目的。

（2）数控机床改造现状 近几年我国数控机床虽然发展较快，但在可靠性、外观质量、产品开发周期、应变能力及设备刚性等方面与国际先进水平还存在一定的差距。为了缩小差距，有关专家建议机床企业应在以下6个方面着力研究。

1）加大力度实施质量工程，提高数控机床的无故障率。

2）跟踪国际水平，使数控机床向高效、高精方向发展。

3）成套设计开发能力上求突破。

4）发挥服务优势，扩大市场占有率。

5）多品种制造，满足不同层次的用户需求。

6）模块化设计，缩短开发周期，快速响应市场。

（3）改造的主要内容 我公司有一台1996年出厂的德国某品牌数控曲轴铣床，是公司早期购买的二手进口铣床，该机床原采用Uni-pro NC90系统，但系统及驱动部分故障率比较高，系统控制板及驱动板均为淘汰产品，损坏后修复困难，修理周期长，而且无相应备件替换，造成设备停机时间长。随着自动化技术的发展，此机床已无法满足自动化要求，需对此机床进行系统改造，用FANUC αi系列（公司原储备备件）伺服单元和伺服电动机替换原机床控制单元和步进电动机，可实现多轴数控联动。

3 数控曲轴铣床电气改造技术要求

根据原机床的结构和功能确定数控系统的配置，改造的技术要求如下。

1）用FANUC具有网络功能的超小、超薄型及高精、高效的FANUC 0i-TD 数控系统更换原机床的数控系统。并且选用FANUC 0i-TD双路径控制功能，可实现两个刀架同时加工，也可两个刀架独立加工。

2）用具高速、高精度和高能效的FANUC αi系列（公司储备的备件）交流数字伺服单元和伺服电动机更换原机床X1轴、Z1轴、A1轴、X2轴、Z2轴和A2轴的伺服单元及伺服电动机。同时X1轴为刀架1径向移动，Z1轴为刀架1轴向移动，A1轴为刀架1偏心轴旋转，X2轴为刀架2径向移动，Z2轴为刀架2轴向移动，A2轴为刀架2偏心轴旋转。

3）保留原机床X1轴、A1轴、X2轴及A2轴的半闭环反馈控制。将原机床Z1轴、Z2轴由半闭环控制改为全闭环控制，增加光栅尺。选用海德汉全封闭绝对式双读数头光栅尺，机床改造完成以后，用激光干涉仪对X1轴、Z1轴、X2轴和Z2轴的定位精度与重复定位精度进行检测与补偿，提高机床各坐标轴的定位精度。

4）用FANUC 0i-TD的I/O连接单元更换原机床的I/O连接单元，用FANUC 0i-TD系统的内装PLC对机床外围的所有动作进行逻辑控制。

5）重新设计制作机床操作站与机床操作面板（操作面板上的所有按扭和指示灯选用施耐德产品），选用FANUC 10.4in（lin=0.0254m）LCD彩色液晶显示器及日本原装外挂式手摇脉冲操作盒。

6）用FANUC原装伺服电动机反馈电缆更换原机床X1轴、Z1轴、A1轴、X2轴、Z2轴和A2轴的反馈电缆，用德国缆谱的动力电缆更换原机床X1轴、Z1轴、A1轴、X2轴、Z2轴、A2轴及两个主轴的动力电缆。

7）保留原机床电气柜，重新设计制作强电控制盘。所有强电元件选用西门子或施耐德品牌。

8）保留原机床两个主轴电动机的控制方式及主轴电动机，重新配置软起动器，重新接线，使之与新的0i-TD系统相接，并通过系统内部PLC程序对其进行控制。

9）将原机床X轴、Z轴由一个电动机控制改为两个电动机单独驱动，去掉原机床的齿轮减速箱。重新设计制作4个齿轮减速箱（保留最后一级齿轮传动），并同时加装4个伺服减速器替换原来的减速齿轮与离合器，消除齿轮传动间隙。

10）根据原机床的结构和动作要求重新进行机床的电气设计和PLC控制程序设计。

4 数控曲轴铣床改造后的构成及关键动作设计

（1）改造后的机床电气控制部分 改造后的机床如图1所示。其电气控制部分由机床电器柜、

图1 改造后的机床

CRT/MDI操作盘以及机床操作面板等构成。

1）机床电器柜 柜内装有日本FANUC A系列伺服单元，包括X1轴、Z1轴、A1轴、X2轴、Z2轴和A2轴，FANUC 0i-TD数控系统，I/O接口电路，以及光栅尺接口板等。

2）CRT/MDI操作面板 CRT/MDI操作面板安装在操作站的上方，各按钮功能可查阅用户手册[1]。

3）机床操作面板 机床操作面板如图2所示，各按钮的功能在关键动作设计和主要运动部件控制中有相应说明。

图2 机床操作面板

（2）关键动作设计 关于双通道控制、机床各轴控制和互锁信号的关键动作设计如下。

1）双通道控制。改造采用FANUC 0i-TD控制系统，该系统是双通道的，每个通道相当于一个单独的系统，可以分别控制相应的轴运动。在MDI及自动方式执行机床控制时，一定要分清当前的通道，在显示屏幕的右下角显示：路径1（即通道1）或路径2（即通道2）。对于同一条指令，例如：GO G91 X100；如果此时是通道1，则X1轴移动；如果在通道2中，则X2轴移动。通道的切换可通过操作面板上的切换按钮实现[2]。

2）机床各轴控制。在该数控铣床中，有6个数控轴，其中通道1控制3个数控轴，它们分别是X1轴、Z1轴和A1轴；通道2控制3个数控轴，它们分别是X2轴、Z2轴和A2轴，其中机床的前后运动沿X轴，机床的横向移动沿Z轴，刀盘的旋转运动沿A轴。

3）各轴互锁信号。①在移动时，X1轴液压锁紧压力检测必须断开，且为自动打开。②Z1轴位置必须在设定的范围，即脱离卡盘区，允许X1轴移动，当同时按下“双通道运行”键及相邻左边的空白键，在手轮方式下，可以移动X轴。该设计是为了对刀盘中心使用，使X轴不受Z轴位置设定条件的影响。③在移动时，Z1轴液压锁紧压力检测必须断开，且为自动断开；中心架松开，左卡盘夹紧，左侧防护罩打开[3]。

5 主要运动部件控制

（1）刀盘旋转控制 本机床的主轴为普通三相电动机控制，起动采用西门子软起动器控制，平滑升速。主轴速度约为80r/min。在主轴传动齿轮侧面安装速度检测开关，在旋转过程中机械出现问题时，及时报警且让机床停止进给[4]。

（2）刀盘旋转起停注意事项 当“卸左刀盘”按钮按下时，对应的左刀盘将不能旋转，当“卸右刀盘”按钮按下时，对应的右刀盘将不能旋转。当刀盘起动后有急停报警时，将导致刀盘停止，且软起动器报警，电器柜内软起动器红灯亮，需将软起动器复位才能消除报警[5]。

（3）刀盘的拆卸动作 当机床的刀盘需要拆下时，需要将刀盘停止。如果拆左边的刀盘，将Z1轴向右开到合适的安全位置，长按“卸左刀盘”按键，约1s即可，卸左刀盘灯将闪烁。如果拆右边的刀盘，将Z2轴向左开到合适的安全位置，长按“卸右刀盘”按键，约1s即可，卸右刀盘灯将闪烁。当该灯闪烁后，刀盘将不能旋转。然后拆掉中心架上的护罩，手动移动相应的X轴退出中心架范围。换完刀后，先将X轴移回刀盘中心，然后按住相应的“卸刀盘”按钮约1s，灯灭后再将Z轴移回加工位。

需要注意的是：如果刀盘开出来，必须将“卸左刀盘”、“卸右刀盘”指示灯点亮，直到机床的X轴恢复原位，再按该按钮，取消该动作，否则会出现严重后果。由于机床的X轴有液压锁紧，所以当X轴开出来后，锁紧液压将无处密封，导致大量漏油，甚至把密封圈憋坏；当卸刀盘功能生效后，机床对应的X轴将不锁紧，也就不会漏油。

（4）卡盘及顶尖的控制 在手动状态下，按一下“左卡盘夹紧”按钮，左卡盘将夹紧，指示灯亮；按一下“左卡盘松开”按钮，“左卡盘将松开”松开灯亮。其他手动按钮“左止口前进”“右顶尖前进”“右卡盘松开”“中心架松开”和“中心架夹紧”等操作类似。

在自动状态下，按“夹紧”按钮，动作顺序为右顶尖前进→止口前进→左卡盘夹紧→右卡盘夹紧→完成后灯亮。

按“松开”按钮，动作顺序为止口松开→右卡盘松开→左卡盘松开→右顶尖后退→完成后灯亮。

需要注意：编制手动控制PLC程序时要先顶右顶尖，再让右卡盘夹紧，否则容易损坏机械。

（5）尾座的移动 在手动状态，将Z2轴开出卡盘区到达安全位置；同时按住两个尾座移动键约1s，两个指示灯同时闪烁；松开固定尾座的左右螺钉，手动前后扳动尾座上方的液压阀5S25手柄就可以移动尾座。

6 结束语

通过电气改造，解决原机床控制系统和位置反馈系统问题，使机床具有高精度和精确的位置补偿功能，让旧设备焕发新活力。

数控机床使用范围越来越广，市场容量也越来越大，但竞争也会加剧。机床使用企业不能从根本上解决当前国内设备制造业存在的问题，虽然大量应用国内设备，但高精度、高速率和高强度要求的设备仍需要从国外进口。而采取对二手设备进行自主改造的方式，可以缩短与先进装备制造技术的差距，吸收国外先进的机床技术，同时也能为企业节省大量的成本。同一级别的国产设备价格是300多万元，进口全新设备价格是700～900万元，而采购二手进口设备价格是80万元，加上改造费用90万左右，比采购进口全新设备最高可节省成本达700多万元，经济效益显著。