MC1332/H外圓磨床數(shù)控化改造方案和實(shí)現(xiàn)
發(fā)布日期：2016-03-04 來源：作者：孫麗萍 鄒軒 上海理工大學(xué)
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一、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造實(shí)施方案的可行性
普通外圓磨床MC1332/H主要適宜磨削IT6到IT5精度的圓柱形或圓錐形的回轉(zhuǎn)體工件，在軍工、航天、汽車等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。近些年隨著國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了機(jī)床改造市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)開始使用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通磨床，效果顯著。
首先，改造后的數(shù)控磨床MC1332/H比普通磨床有優(yōu)越性，體現(xiàn)在：它能夠解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、批量小、零件多變等加工問題；并且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；由于數(shù)控系統(tǒng)有很強(qiáng)的運(yùn)算、記憶和存儲(chǔ)能力，可存儲(chǔ)多個(gè)加工程序；它還具有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ�，能提高自�?dòng)化程度，給操作人員提供便利。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，一名操作人員可看管多臺(tái)機(jī)床，這不僅節(jié)省了勞動(dòng)力，還大幅提高生產(chǎn)效率，降低了人工成本。其次，隨著國(guó)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，它的穩(wěn)定性也在不斷提高。所以，國(guó)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)不僅能滿足實(shí)際加工需求，而且價(jià)格是同類型進(jìn)口系統(tǒng)的1/5，明顯體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)型的特點(diǎn)，能大大降低設(shè)備的改造成本。此外，采用原來已經(jīng)成熟的機(jī)械結(jié)構(gòu)本體，能實(shí)現(xiàn)機(jī)床的大批量改造，縮短新設(shè)備試制周期和生產(chǎn)周期，進(jìn)而快速響應(yīng)市場(chǎng)變化，擴(kuò)大產(chǎn)品市場(chǎng)占有率。
綜合以上分析，普通外圓磨床MC1332/H經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造實(shí)施的可行性很高，改造后不僅能滿足生產(chǎn)功能要求，提高自動(dòng)化程度，而且能大大提高磨床的加工精度，擴(kuò)大加工范圍，使企業(yè)充分利用有限資源，降低制造成本。
二、MC1332 /H改造遵循的三原則
1、“少更改”原則
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造的基本原則是在滿足需要的前提下，應(yīng)盡可能減小改動(dòng)量，最大限度地利用原有設(shè)備的硬件資源，以降低成本。“少更改”原則的前提是要提高磨床制造質(zhì)量，從控制線路改進(jìn)的源頭著手，增加使用的可靠性和耐久性，減少返修率和退貨率，從而延長(zhǎng)其技術(shù)壽命周期。先根據(jù)上述“少更改”的原則，以改造后磨床要達(dá)到的各種精度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率和用戶的要求為基準(zhǔn)，只把與數(shù)控系統(tǒng)有關(guān)的部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，可最大限度地減少成本，節(jié)省設(shè)計(jì)制造時(shí)間，減少廢棄物產(chǎn)生，提高資源再次利用率。
2、簡(jiǎn)化和低消耗原則
改造時(shí)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，使用多功能部件及模塊化的部件來簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)方便用戶檢查和維修。一方面，在滿足生產(chǎn)工藝控制要求的前提下，簡(jiǎn)化控制回路的邏輯設(shè)計(jì)，可節(jié)省元器件，方便操作；另一方面，所用到的電氣元器件數(shù)量愈少，工作過程中出現(xiàn)故障的概率就愈小，穩(wěn)定性就會(huì)愈高。此外，在設(shè)計(jì)過程中要做到：合理使用和分布電氣件和線路，使用抗干擾能力強(qiáng)的電氣元件，盡可能遠(yuǎn)離干擾源與干擾對(duì)象，高壓線路、脈沖引線、低電壓線路分別敷線，輸入端口和輸出端口分開等。
3、可擴(kuò)展、升級(jí)原則
改造時(shí)不僅需要考慮系統(tǒng)本身的壽命，而且要考慮產(chǎn)品功能的更新。首先，通過更換功能模塊，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品較為簡(jiǎn)易且廉價(jià)的升級(jí)。對(duì)于磨床用戶當(dāng)前不要求的功能，在設(shè)計(jì)時(shí)可將這些功能作為推薦可選部件，留下相應(yīng)的設(shè)計(jì)空間，方便用戶生產(chǎn)過程中的功能添加。其次，采用可進(jìn)行實(shí)時(shí)軟硬件升級(jí)的數(shù)控系統(tǒng)，用戶可對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行更新、程序更改及資料備份，避免用戶重新購入設(shè)備造成的資源浪費(fèi)，這既可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用周期，也可以提高設(shè)備利用率。
三、MC 1332/H改造過程
MC1332/H的改造基于以上3條基本改造原則，一般從3個(gè)部分：機(jī)械部分、液壓部分、電氣部分進(jìn)行改造。由于MC1332/H機(jī)床機(jī)械部分各方面性能穩(wěn)定，精度高，液壓系統(tǒng)工作正常，所以改造時(shí)基本采用原有的機(jī)械及液壓零部件。下面重點(diǎn)闡述電氣控制部分的改造過程。
1、電氣控制部分方案
普通外圓磨床MC1332/H的電氣控制回路是由繼電器來實(shí)現(xiàn)控制的，雖然實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作并不多，但是控制較復(fù)雜，且安全互鎖較多，因此電箱中的電路顯得十分復(fù)雜。MC1332/H砂輪架進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是通過人工手搖實(shí)現(xiàn)的，工作臺(tái)面的左右運(yùn)動(dòng)是由液壓驅(qū)動(dòng)換向閥實(shí)現(xiàn)的。這種方式精度不高，也不能完成成型砂輪修整任務(wù)，所以用途局限。
采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的數(shù)控KT630系統(tǒng)進(jìn)行電氣控制部分改造后，在原機(jī)床機(jī)械基礎(chǔ)上，機(jī)床兩軸（X軸、Z軸）的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分別由數(shù)控交流伺服電機(jī)通過滾珠絲杠傳動(dòng)； X軸和Z軸上分別設(shè)有硬限位和參考點(diǎn)組合開關(guān)，極大地簡(jiǎn)化了外部控制電路。該數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是半閉環(huán)控制，在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，雖然它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的低，但能滿足加工精度的要求。用戶能根據(jù)加工要求，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)磨削控制、砂輪的手動(dòng)和自動(dòng)修整、修整后自動(dòng)補(bǔ)償?shù)冗^程，并可對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)定多級(jí)密碼進(jìn)行保護(hù)；實(shí)現(xiàn)機(jī)械反向間隙、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、系統(tǒng)參數(shù)、程序文件的內(nèi)外存儲(chǔ)等。數(shù)控系統(tǒng)控制回路如圖1所示。
改造后的MC1332/H砂輪架（X軸）伺服電機(jī)和工作臺(tái)（Z軸）伺服電機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分別由全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制，且分別帶有內(nèi)置編碼器；在程序運(yùn)行過程中，電機(jī)速度和位置信號(hào)反饋到數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)端來保證工件尺寸。頭架采用國(guó)產(chǎn)變頻器控制，可實(shí)現(xiàn)速度可調(diào)；機(jī)床可供用戶選配端面測(cè)量?jī)x和徑向自動(dòng)測(cè)量?jī)x裝置。利用端面測(cè)量?jī)x，可精確定位砂輪磨削工件切入位；采用徑向自動(dòng)測(cè)量?jī)x，可自動(dòng)在線測(cè)量保證工件的加工尺寸。
2、砂輪修整的實(shí)現(xiàn)
砂輪修整是數(shù)控磨床加工過程中非常重要的功能，而數(shù)控磨床相比普通磨床最大的優(yōu)勢(shì)則主要體現(xiàn)在砂輪可成形修整方面。MC1332/H采用的是以金剛石筆進(jìn)行砂輪修整的方式，金剛石筆安裝在頭架上即圖2中1號(hào)位置處，兩坐標(biāo)X軸和Z軸運(yùn)動(dòng)合成實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的成形砂輪修整過程，修整過程完成后修整量會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償。當(dāng)金剛石筆安裝在尾架上即圖2中2號(hào)位置時(shí)，只能修整砂輪的外圓面，加工范圍有限。
砂輪成形修整是把砂輪修整成與工件輪廓相吻合的形狀，使砂輪恢復(fù)原有的磨削性能，提高砂輪的磨削效率與磨削表面質(zhì)量，這一過程的實(shí)現(xiàn)是通過X軸和Z軸的直線插補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)的。修整后的砂輪磨削刃面銳利，磨削效率高，并且砂輪的磨削面形狀與加工工件所要求的輪廓形狀精確一致，通過一次磨削加工循環(huán)，就能完成工件的整個(gè)自動(dòng)加工過程。圖3是成形修整后的砂輪與工件匹配的示意圖。
改造前MC1332/H不能進(jìn)行砂輪修整成型過程，為達(dá)到圖4所示工件精確的尺寸要求，需進(jìn)行4次進(jìn)給加工過程。但因?yàn)楣ぜ軣嶙冃�、砂輪磨損等情況會(huì)直接影響磨床的加工精度，在實(shí)際加工過程中一次加工工件的擋數(shù)不宜過多。受這些條件的制約，限制了加工。而改造后的機(jī)床根據(jù)工件各擋尺寸要求，將砂輪修整成與工件輪廓相吻合的形狀后，可進(jìn)行一擋成型加工過程，這一過程可節(jié)省大約3/4的加工時(shí)間，有效地控制生產(chǎn)節(jié)拍，擴(kuò)大了產(chǎn)能。
3、自動(dòng)加工過程
基于機(jī)床的狀況和使用特點(diǎn)，采用PLC和NC控制相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)加工過程。圖4是自動(dòng)循環(huán)加工的基本流程，自動(dòng)或編輯狀態(tài)下，在模版中更改并保存參數(shù)，用戶也可直接在電腦中編制和更改模板程序及PLC程序，傳輸至機(jī)床的KT630系統(tǒng)中，當(dāng)執(zhí)行自動(dòng)操作后，機(jī)床動(dòng)作執(zhí)行由數(shù)控系統(tǒng)中程序模板轉(zhuǎn)化來的G代碼程序。
四、輔助功能要求的實(shí)現(xiàn)
1、徑向自動(dòng)測(cè)量?jī)x（簡(jiǎn)稱量?jī)x）
在實(shí)際加工過程中，磨床的加工精度會(huì)受許多因素的影響，其中最重要的有以下3種：① 砂輪架體殼的熱膨脹。由于砂輪主軸高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致主軸油發(fā)熱，引起體殼發(fā)熱，產(chǎn)生熱膨脹。實(shí)驗(yàn)表明：砂輪架體殼在開機(jī)30min內(nèi)變化最明顯，開機(jī)2h后基本穩(wěn)定，開機(jī)4～5h誤差最大值能達(dá)到0.045mm左右。② 滾珠絲杠引起的熱膨脹。由于滾珠絲杠的快速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生熱量，引起絲杠膨脹，膨脹值約0.02mm。③ 砂輪的磨損。由于磨削加工過程中會(huì)引起砂輪脫落，導(dǎo)致加工出的工件直徑變大，這一磨損值受砂輪及工件材料的影響。可以通過冷卻油液、更換耐磨砂輪來改善以上因素的影響，但成本太高，而且效果不明顯。當(dāng)工件精度要求高時(shí)，比較經(jīng)濟(jì)有效的方式是使用量?jī)x來保證加工尺寸。所以為完成一些精度要求高的加工過程，建議用戶選配量?jī)x。
量?jī)x的精度直接著影響工件的加工質(zhì)量。量?jī)x能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線檢測(cè)尺寸，其中自定義的M功能中M21、M22分別對(duì)應(yīng)1號(hào)和2號(hào)量?jī)x的動(dòng)作開始，M23代表量?jī)x1和量?jī)x2退出。 當(dāng)測(cè)量尺寸到位就立即啟動(dòng)砂輪慢退結(jié)束自動(dòng)磨削，X軸執(zhí)行刪除余程命令，每加工完一擋外圓，系統(tǒng)在X軸后退以前，記下X軸當(dāng)前的坐標(biāo)值，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)置新的加工零點(diǎn)。
（1）雙量?jī)x
如果用戶精度要求高，必要時(shí)要選用雙量?jī)x來保證加工精度。量?jī)x信號(hào)點(diǎn)P1、P2（M22、M23指令控制）、P4、P5（M21、M23指令控制）。跳轉(zhuǎn)功能（非模態(tài)）是G31，外部P1、P2、P4和P5信號(hào)輸入后中斷直線插補(bǔ)指令的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行下個(gè)程序段。
（2）同尺寸軸徑的多擋在線測(cè)量
只用一套自動(dòng)在線測(cè)量?jī)x，通過增加龍門架，利用龍門架上安裝的回轉(zhuǎn)油缸帶動(dòng)量?jī)x翻轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)同尺寸軸徑的多擋在線測(cè)量，加工過程中，配隨動(dòng)中心架，采用三點(diǎn)自定心液壓動(dòng)力中心架，驅(qū)動(dòng)油缸與中心架連為一體，可實(shí)現(xiàn)∅20～∅60無級(jí)變化托持直徑，精度高，可滿足高速、高精度的要求。
2、端面測(cè)量?jī)x（簡(jiǎn)稱對(duì)刀儀）
對(duì)刀儀是專門用于數(shù)控機(jī)床的端面定位裝置。其核心部件由一個(gè)高精度的開關(guān)，一個(gè)高硬度、高耐磨的硬質(zhì)合金對(duì)刀頭和一個(gè)信號(hào)傳輸接口器組成。該裝置在進(jìn)入測(cè)量工位接觸工件的瞬間，觸發(fā)高電平或低電平信號(hào)，機(jī)床控制系統(tǒng)接收該信號(hào)后發(fā)出反饋，完成端面定位。 不論采用哪種對(duì)刀方法，其對(duì)刀目的是一致的：使機(jī)床明確砂輪與工件的相對(duì)位置，避免由于工件中心孔有偏差發(fā)生撞刀現(xiàn)象，從而保證了加工安全。改造后的機(jī)床對(duì)刀儀置于砂輪架上，靠工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)來確定工件端面位置。在磨批量工件時(shí)，由于每個(gè)工件中心孔位置有微小的差別，用對(duì)刀儀來精確定位砂輪磨削工件切入位；同時(shí)確定機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的關(guān)系。
3、頭架準(zhǔn)停
在使用對(duì)刀儀時(shí)，由于工件端面形狀不同，會(huì)出現(xiàn)對(duì)刀不準(zhǔn)的現(xiàn)象甚至導(dǎo)致撞刀情況的發(fā)生。在加工批量工件時(shí)，希望端面測(cè)量?jī)x測(cè)量同一位置，實(shí)現(xiàn)頭架準(zhǔn)停。MC1332/H的頭架電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)由交流變頻器控制。為了降低機(jī)床的制造成本，借助無觸點(diǎn)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定點(diǎn)準(zhǔn)停，當(dāng)頭架電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)立即啟動(dòng)頭架低速點(diǎn)動(dòng)，在低速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中無觸點(diǎn)開關(guān)信號(hào)響應(yīng)時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。無論是頭架自動(dòng)運(yùn)行模式還是手動(dòng)頭架啟動(dòng)模式，這兩種情況下自動(dòng)定點(diǎn)準(zhǔn)停都是有效的。
還有一種手動(dòng)頭架準(zhǔn)停方式：將無觸點(diǎn)開關(guān)信號(hào)作為頭架啟動(dòng)的必要條件信號(hào)，工件未擺放到位，就不可執(zhí)行自動(dòng)循環(huán)程序。顯然這需要操作人員轉(zhuǎn)動(dòng)工件將其擺放到固定的位置，方能自動(dòng)循環(huán)程序。啟動(dòng)這種方式操作量大，但是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可節(jié)省操作時(shí)間。
五、結(jié)束語
改造后的MC1332/H磨削精度提高，誤差減少20%，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，并且操作方便。我國(guó)作為機(jī)床制造和使用大國(guó)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造是企業(yè)創(chuàng)利增收的一種策略，既能夠提高企業(yè)的制造能力和制造水平，提升企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)能力，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也促使國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在磨床改造領(lǐng)域得到更廣泛的運(yùn)用。
