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基于中達(dá)電通自動(dòng)化平臺(tái)的車銑復(fù)合加工機(jī)床解決方案

發(fā)布時(shí)間:2011-03-29

摘 要:本文討論如何利用中達(dá)電通PUTNC-HCL-T加強(qiáng)型車床數(shù)控系統(tǒng),并配合臺(tái)達(dá) ASD系列交流伺服系統(tǒng)、臺(tái)達(dá)VFD-VE系列高性能磁束向量控制交流變頻器、CS7主軸專用編碼器的一體化控制平臺(tái)解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型車床向具有車、銑復(fù)合加工功能中高端車削中心的功能轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞:CNC復(fù)合加工 經(jīng)濟(jì)型車床 車銑復(fù)合 主軸C軸功能

1 引言
隨著機(jī)械冷加工領(lǐng)域零件產(chǎn)品的多樣化少量化以及日趨復(fù)雜化,金屬切削制造業(yè)對(duì)能夠加工出高質(zhì)量、高精度、高效率、低成本產(chǎn)品的CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)控)機(jī)床的需求日益增加。同時(shí)作為數(shù)控機(jī)床制造商,如何在現(xiàn)有生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上能夠簡(jiǎn)單、實(shí)用、高效、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出具有復(fù)合加工能力的CNC機(jī)床,在日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中求得生存并發(fā)展,也是產(chǎn)品研發(fā)的主要目標(biāo)和方向。為此機(jī)床的設(shè)計(jì)與制造者們一直在做出不懈的努力。

2 CNC復(fù)合加工技術(shù)
  一個(gè)零件產(chǎn)品的生產(chǎn),通常需要多道工序方能完成,不同的工藝方法有著不同的加工原理和特點(diǎn),不同的加工工序有著不同的加工目的和要求,因此它們各自需要用著不同的加工設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在傳統(tǒng)的制造工藝中,一個(gè)零件的制造往往就需要有多種、多臺(tái)不同的加工設(shè)備來(lái)完成。這不僅增加了設(shè)備的臺(tái)數(shù)和生產(chǎn)廠房的占地面積,從而增加了企業(yè)的投入,而且由于生產(chǎn)過(guò)程中零件需在工藝和工序設(shè)備間等待、運(yùn)輸、檢查和重新定位裝夾等因素,既影響加工精度,也必然增加了不少生產(chǎn)輔助時(shí)間。統(tǒng)計(jì)表明,這部分非加工時(shí)間將占到零件生產(chǎn)總周期的70%~95%左右,從而大大地制約了生產(chǎn)效率的提高。
  隨著金屬切削制造業(yè)蓬勃發(fā)展,對(duì)于傳統(tǒng)加工方式,甚至是使用普通的分散式CNC加工方式都可能已不能滿足機(jī)床用戶對(duì)復(fù)雜零件的加工要求。取而代之的就是把不同加工技術(shù)集中在同一臺(tái)機(jī)床上完成的集約式的復(fù)合加工方式,并已成為未來(lái)機(jī)床發(fā)展的重要方向。
  CNC復(fù)合加工就是把幾種不同的加工工藝,放在同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的加工,例如在一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上可以進(jìn)行車削加工、銑削加工、鉆孔加工等。CNC復(fù)合加工是近年來(lái)金屬切削加工領(lǐng)域中最流行的先進(jìn)制造技術(shù)之一。具有復(fù)合加工能力CNC機(jī)床的最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠通過(guò)一次零件裝夾,即可實(shí)現(xiàn)零件多種不同工藝的加工,從而達(dá)到減少機(jī)床和夾具,免去工序間的搬運(yùn)和儲(chǔ)存,提高零件加工精度,縮短制造周期和節(jié)約作業(yè)面積的目的,為使用者帶來(lái)效益。
  根據(jù)圖1展示燃?xì)饩呷紵龂娮炝慵庸D,傳統(tǒng)的加工方式需要下3道基本加工工序方能完成:使用CNC車床或者小型液壓仿形車床來(lái)加工外圓輪廓;使用鉆床安裝分度卡盤或者專用夾具實(shí)現(xiàn)來(lái)分度鉆孔;使用鉆床安裝專用的快換夾頭來(lái)實(shí)現(xiàn)側(cè)面的鉆孔和攻絲。
而在具有復(fù)合功能的CNC車床上生產(chǎn)時(shí),通過(guò)一次工序裝夾,簡(jiǎn)單的NC編程就能方便快速的實(shí)現(xiàn)上述所有加工步驟,極大的提高了加工效率。
 


3 車銑復(fù)合功能的實(shí)現(xiàn)以及和經(jīng)濟(jì)型CNC車床的差異
3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的差異
  以車削為基礎(chǔ)的CNC復(fù)合加工車床,通常是以普通CNC數(shù)控車床為基礎(chǔ),配以一個(gè)多個(gè)工位的刀架和動(dòng)力旋轉(zhuǎn)刀具發(fā)展而成,加工對(duì)象主要是軸類、盤套類等回轉(zhuǎn)體零件。除主要進(jìn)行車削加工外,還可以進(jìn)行部分的銑削、鉆孔和攻絲等加工。為了實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)車床上通過(guò)一次裝夾,便可對(duì)回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行全部或大部分的加工,因此在它車床的床身上,除了可以安裝一般的車削刀具外,還要具有能夠安裝上銑刀、鉆頭和絲錐等旋轉(zhuǎn)的輔助動(dòng)力裝置,這點(diǎn)是具有車、銑復(fù)合功能CNC車床機(jī)械結(jié)構(gòu)上區(qū)別于經(jīng)濟(jì)型車床的顯著特征。

3.2 CNC控制系統(tǒng)的差異
(1)C軸功能。對(duì)于具有車、銑復(fù)合功能CNC車床,它控制系統(tǒng)的主軸通道,除了能夠執(zhí)行S代碼主軸的功能,控制機(jī)床主軸變速旋轉(zhuǎn)外,還要能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床主軸可以精確分度的C軸功能和C與Z軸、C與X軸的聯(lián)動(dòng)功能。具有這樣復(fù)合功能CNC車床不僅可以像普通數(shù)控車床那樣能對(duì)回轉(zhuǎn)體零件的內(nèi)外表面(含圓柱面、錐面、曲面等)、端面進(jìn)行車削加工,還可以利用C-Z軸聯(lián)動(dòng)功能車螺紋,利用C軸分度功能和X或Z軸上安裝的動(dòng)力旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行偏離回轉(zhuǎn)體零件中心線的鉆孔和銑削加工,從而大大地?cái)U(kuò)展了數(shù)控車床復(fù)合加工的能力。

(2)多軸的控制能力。標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)型的CNC車床通常配置1路主軸通道(伺服主軸或者變頻器主軸)和2路伺服進(jìn)給軸通道(X軸、Z軸),而具有車、銑復(fù)合功能CNC車床,還需要增加輔助動(dòng)力裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔和銑削加工,因此就需要控制器能夠提供更多的伺服軸通道(如A軸、Y軸)來(lái)控制輔助動(dòng)力裝置,滿足控制的要求,如圖2所示。

 


 


 


圖2多軸加工
4 基于中達(dá)電通自動(dòng)化平臺(tái)的車銑復(fù)合加工解決方案
  綜合上述的分析,我們了解到從經(jīng)濟(jì)型車床向具有復(fù)合加工能力的CNC車床的轉(zhuǎn)變是需要在機(jī)床電氣控制架構(gòu)和機(jī)械設(shè)計(jì)兩個(gè)方面同時(shí)入手來(lái)滿足的要求的,對(duì)于后者因?yàn)槊總€(gè)機(jī)床制造商的機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)不盡相同,而利用中達(dá)電通CNC系統(tǒng)的PLC的開(kāi)放性完全可以滿足不同的機(jī)械設(shè)計(jì)需求,本文對(duì)機(jī)械部分不再做討論,主要介紹中達(dá)電通在電氣控制方面能夠提供的整體解決方案。

  機(jī)電自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)制品豐富的中達(dá)電通除能夠提供PUTNC-H4CL-T加強(qiáng)型車床數(shù)控系統(tǒng)來(lái)滿足具車、銑復(fù)合功能的CNC車床的控制要求外,還能夠提供臺(tái)達(dá) ASD系列交流伺服系統(tǒng)、臺(tái)達(dá)VFD-VE系列交流變頻器,CS7主軸專用編碼器等全套工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品來(lái)滿足電氣控制方面的需求,使機(jī)械制造商有能力在現(xiàn)有生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上能夠簡(jiǎn)單、實(shí)用、高效、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出具有復(fù)合加工能力的CNC機(jī)床,從而為機(jī)械制造商和最終用戶帶了更大的利益。

4.1 CNC 控制系統(tǒng)介紹
  基于金屬切削制造業(yè)對(duì)具有復(fù)合加工能力的CNC機(jī)床的市場(chǎng)需求和未來(lái)發(fā)展的技術(shù)趨勢(shì),中達(dá)電通在2006年底將PUTNC-H4CL-T加強(qiáng)型車床數(shù)控系統(tǒng)推向市場(chǎng)(圖3)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的PUTNC-H4CL-T加強(qiáng)型車床數(shù)控系統(tǒng)采用了全新的硬體設(shè)計(jì)架構(gòu),完全繼承了中達(dá)電通數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操作易用性的特點(diǎn),使其性能更加出色。
PUTNC-H4CL-T技術(shù)特點(diǎn):

 


圖3 PUTNC-H4CL-T車床數(shù)控系統(tǒng)
圖3 PUTNC-H4CL-T數(shù)控系統(tǒng)
(1)開(kāi)放式的系統(tǒng)架構(gòu),內(nèi)含嵌入式 PLC。 LCD界面可規(guī)劃 ,能夠滿足不同機(jī)械制造商的客制化需求。
(2)10.4寸彩色液晶顯示器,視野更大、更清晰。
(3)分體式操作平臺(tái),使用更方便,操作更靈活。
(4)最大控制伺服通道數(shù):4路伺服軸(X、Z、Y、A)。
(5)主軸控制通道數(shù):可以控制1路伺服主軸或變頻主軸,主軸控制具有S主軸功能和C軸任意角度分度功能。
(6)車、銑一體機(jī)的設(shè)計(jì)理念,能夠?qū)崿F(xiàn)C與Z軸、C與X軸的聯(lián)動(dòng)功能,可以進(jìn)行螺旋槽銑削,高精度螺紋加工等豐富加工功能。
(7)配合銑刀、鉆頭和絲錐等旋轉(zhuǎn)的輔助動(dòng)力裝置能夠?qū)崿F(xiàn)剛性攻絲、、X軸向鉆孔、Z軸向鉆孔、偏心剛性攻絲等復(fù)合加工功能。
4.2 CNC系統(tǒng)的參數(shù)配置
使用PUTNC-H4CL-T車床數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)界面,機(jī)床制造商可以方便的通過(guò)相應(yīng)參數(shù)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸機(jī)能和輔助動(dòng)力頭功能,而無(wú)須對(duì)CNC的PLC程序進(jìn)行編輯。從而可以更輕松的構(gòu)建CNC車床復(fù)合加工所需各項(xiàng)控制機(jī)能,如圖4所示。

 


 


圖4數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)界面和主軸參數(shù)配置界面

4.3 CNC車床復(fù)合加工的NC編程
  對(duì)于PUTNC-H4CL-T車床數(shù)控系統(tǒng),系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了專用的NC指令代碼,可以方便的控制主軸分度、輔助動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)、實(shí)現(xiàn)剛性攻絲、、X軸向鉆孔、Z軸向鉆孔、偏心剛性攻絲等復(fù)合加工功能。表1列舉了常用的NC指令代碼。
表1 復(fù)合加工常用NC編程代碼
NC代碼 執(zhí)行動(dòng)作 NC代碼 執(zhí)行動(dòng)作
S×× 切換為主軸機(jī)能 M73 S×× 打開(kāi)輔助動(dòng)力頭1
M50 切換為C軸機(jī)能 M75 關(guān)閉輔助動(dòng)力頭1
M51 切換為主軸機(jī)能 M63 S×× 開(kāi)啟輔助動(dòng)力頭2
G15 R×× 主軸絕對(duì)值分度 M65 關(guān)閉輔助動(dòng)力頭2
H×× 主軸增量值進(jìn)給 G83 …..D×× 循環(huán)鉆孔功能
G01F××C×× C軸插補(bǔ)分度 G84 …..D×× 循環(huán)攻絲功能

5 臺(tái)達(dá) ASD系列交流伺服系統(tǒng)
  臺(tái)達(dá)ASD-A系列進(jìn)階型交流伺服系統(tǒng)和ASD-B標(biāo)準(zhǔn)型交流伺服系統(tǒng)是臺(tái)達(dá)電子分別于2003年和2005年面向市場(chǎng)推出的2款主流伺服產(chǎn)品,能夠全方位滿足工業(yè)用戶的需求,特別在CNC機(jī)床的應(yīng)用上性能表現(xiàn)更加優(yōu)異。
臺(tái)達(dá)伺服針對(duì)于CNC機(jī)床領(lǐng)域特點(diǎn):
(1)內(nèi)建完整的三種(位置 / 速度 / 轉(zhuǎn)矩 模式)基本控制機(jī)能,可以方便的和上位控制器連接。
(2)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好,伺服整定時(shí)間1ms、空載狀態(tài)下-3000RPM~3000RPM的加速時(shí)間10ms。
(3)PDFF( Pseudo-Derivative Feedback and Feedforward)強(qiáng)健式控制架構(gòu)相應(yīng)更快速、對(duì)外部干擾有更強(qiáng)的抑制補(bǔ)償能力,從而能夠保證車刀切削瞬間,或者其它外力突然介入時(shí),伺服定位或定速被影響很少,如圖5所示。
(4)伺服的自動(dòng)增益調(diào)整功能,能夠自動(dòng)評(píng)估負(fù)載情況并合理設(shè)置伺服增益,從而使伺服調(diào)試更簡(jiǎn)單、更快捷,且伺服定位更精準(zhǔn),無(wú)超越量和加速度過(guò)沖。
 


 


圖5 PDFF強(qiáng)健式控制架構(gòu)
(5)提供共振抑制功能和低通濾波器功能,能夠有效彌補(bǔ)機(jī)械的不足和缺陷。
(6)臺(tái)達(dá)ASD-A系列進(jìn)階型交流伺服系統(tǒng)更具有分度定位功能,配合CNC系統(tǒng)PLC的I/O規(guī)劃能夠輕松實(shí)現(xiàn)伺服刀庫(kù)控制,參見(jiàn)圖6。
 


圖6 ASD-A系列內(nèi)置的伺服分度功能

6 臺(tái)達(dá)VFD-VE系列高性能磁束向量控制交流變頻器
臺(tái)達(dá)VFD-VE系列是2007年為滿足高端市場(chǎng)推出的一款全新產(chǎn)品,其頻率輸出范圍為0~ 600 Hz,而V2H型的輸出更高達(dá)3600Hz,完全能夠滿足CNC機(jī)床高速主軸的控制需求。利用獨(dú)特位置控制功能,配合H4CL-T系統(tǒng)的C軸機(jī)能亦可實(shí)現(xiàn)主軸任意角度分度功能。
VFD-VE系列交流變頻器特點(diǎn):
(1)內(nèi)置V/F,向量控制。轉(zhuǎn)矩控制,以及位置控制功能。
(2)頻率輸出范圍為0~ 600 Hz,高端機(jī)型的輸出更高達(dá)3600Hz。
(3)速度控制精度:FOC+PG閉回路控制,可達(dá)+/-0.02%。
(4)低速力矩:0.5HZ可達(dá)150%。
(5)可做馬達(dá)參數(shù)和負(fù)載慣量估測(cè)以及高速弱磁曲線估測(cè)功能。
(6)機(jī)械煞車控制功能、瞬時(shí)停電時(shí)減速功能。
(7)馬達(dá)溫度回授保護(hù)(PTC)功能。
7 臺(tái)達(dá)CS7主軸專用編碼器
CS7主軸專用編碼器特點(diǎn):
(1)最高適應(yīng)轉(zhuǎn)速高達(dá)8000RPM,最高相應(yīng)頻率為300kHZ。
(2)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)重負(fù)載工作環(huán)境,耐震動(dòng),耐高溫。
(3)航空接頭,防護(hù)等級(jí)為IP65,適用于高油氣環(huán)境。
(5)模塊化設(shè)計(jì),多種規(guī)格可選,可靠性高。
8 結(jié)束語(yǔ)
復(fù)合加工技術(shù)是未來(lái)CNC機(jī)床發(fā)展的重要方向。中達(dá)電通量身定度的整體自動(dòng)化解決方案,對(duì)于機(jī)床制造商而言完全能夠滿足經(jīng)濟(jì)型機(jī)床向具有復(fù)合功能中高端機(jī)床的功能轉(zhuǎn)變。讓機(jī)床制造商能夠?qū)ふ业礁叩哪繕?biāo)市場(chǎng),產(chǎn)品更具有競(jìng)爭(zhēng)力。
對(duì)于機(jī)床最終用戶而言,應(yīng)用了復(fù)合加工技術(shù)的CNC機(jī)床,結(jié)合中達(dá)電通控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易用性,生產(chǎn)工藝也將由傳統(tǒng)分散式生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橄冗M(jìn)集約式生產(chǎn)方式,產(chǎn)品質(zhì)量和零件的制造周期也將有“質(zhì)”和“量’的飛躍,從而為其創(chuàng)造出更大的效益。顯而易見(jiàn),由于解決方案集成了單一品牌自動(dòng)化平臺(tái),使得基于中達(dá)電通CNC機(jī)床的最終用戶容易獲得設(shè)備生命周期總擁有利益TB0(Tota1Benefit 0f 0wnerShip)最大化的經(jīng)濟(jì)技術(shù)特點(diǎn)。