電液仿形銑床的數控化改造
時間:2011-06-10 08:38:04 來源:未知
1 引言
DAU-150型仿形銑床，是日本牧野(MAKINO)公司70年代初生產的仿形加工設備。其仿形控制系統電路，是由分立電子元件組成的。由于年代久遠，分立電子元件均已嚴重老化，故障頻繁，且各種機械與電子元件根本無處購買，造成維修困難，已無法正常使用。我們應常柴股份有限公司要求，使用具有自主版權的華中Ⅰ型高性能數控系統，對該仿形銑床進行數控改造，使該機床既具有普通數控機床的功能，又具有仿形機床的功能，實現一機多用。
2 數控仿形加工的基本原理與系統構成
數控仿形測量和加工的基本原理如圖1所示。數控仿形測量和加工的過程可以表述如下：數控仿形測量和加工，首先利用三維接觸式或非接觸式模擬測頭檢測實物模型的表面信息(主要指測頭變形偏移量和它在機床坐標系中的坐標值)，然后由A／D轉換電路把模擬量轉換成數字量(有些數字化測頭直接輸出數字量)。仿形控制系統根據所測得的信息，按照仿形控制策略分配各個坐標軸的進給速度，并且把所分配的速度送給數控平臺，由數控系統驅動各軸電機，完成仿形測量和加工的全部動作。因此數控仿形加工的控制過程可以概括為數據獲取、數據處理、決策和控制四個階段。
圖1 數控仿形加工的基本原理
由于實物模型是各種各樣的，我們需要根據不同的模型表面狀況，采用不同加工方式和行刀路線。實踐表明，如果數控仿形加工系統具備以下三種仿形加工方式，基本上就能夠加工現代工業所需要的絕大多數型面。這三種方式是：一維行切仿形方式、二維層切仿形方式和三維清根仿形方式。在實際應用中，這三種仿形方式之間可以進行實時切換。
數控仿形加工系統是基于數控系統之上的設備集成，是數控測量與加工在軟件、硬件上的集成化與一體化。數控仿形加工系統由數控系統、仿形測量系統和仿形控制軟件系統三部分組成。
- 數控系統 這是整個系統的底層平臺，仿形控制系統和仿形測量系統的所有動作，最終都必須通過數控系統才能實現。數控系統底層軟件是DOS內存駐留程序，開機后通過運行批處理文件駐入內存。
- 仿形測量系統 測量是仿形的基礎，因為仿形控制原理是檢測頭在X、Y和Z方向上的偏移量，分配X軸、Y軸和Z軸的進給速度。而且通過測量測點的坐標值，為后續的曲面建模或直接編制數控加工代碼提供原始數據。仿形測量系統包括數字化測頭、測頭接口電路以及相應的采樣程序。
- 仿形控制軟件系統 測頭在測量區域中按生成的路徑運動時，需要解決測頭對曲面的跟隨性問題。也就是說，需要對測頭的運動設計控制算法，使得測頭在仿形運動過程中動態跟隨曲面形狀的變化，保證測頭始終與型面接觸，避免測頭因變形過大而造成測頭超程或變形過小而脫離型面。這是仿形控制軟件系統的核心部分。
3 數控化改造方案與實施步驟
- 數控化改造方案
- 圖2是DAU-105型仿形銑床的數控改造方案示意圖。該方案采用工業計算機控制機床運動。計算機內插有伺服驅動控制板、I/O板、測頭位移采樣板，機床進給機構由X、Y、Z軸三個伺服電機驅動。I/O板用于檢測與控制限位開關狀態、操作面板旋鈕狀態、指示燈狀態。當仿形加工時，測頭位移采樣板采集測頭的變形量，用于控制仿形運動。顯示器可實時顯示測頭或刀具的運動軌跡。采用華中Ⅰ型數控系統，將數控底層軟件駐留內存。如果應用程序為普通數控解釋程序，則該機床為普通數控銑床；如果應用程序為仿形控制程序，則該機床為數控仿形銑床。
圖2 HNC-1P型數控仿形加工系統硬件結構示意圖
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- 實施步驟
- 對于仿形銑床的改造，用戶不僅要求保留原有的仿形加工功能，而且要求增加普通數控加工功能。針對用戶要求和銑床的特點，數控改造分兩個步驟進行。兩個階段的改造任務完成后，該機床不僅具有通用數控銑床的功能，而且具有仿形銑床的功能，實現一機多作。
- 第一階段進行機床的數控化改造，使該機床成為一臺數控銑床，具有數控加工能力。在原機床機械結構的基礎上，采用華中Ⅰ型數控系統，取代原機床的電液控制系統。華中Ⅰ型數控系統基于PC總線工控機，提供數控測量所需的各種底層驅動和接口程序，三軸的理論分辨率為1µm，可以達到測量所要求的中等精度；使用西門子6140A交流伺服驅動單元和交流伺服電機，取代原X、Y、Z三軸的液壓脈沖馬達，并取消了龐大的伺服液壓站；主軸電機采用變頻調速方案，選用日本富士G9S變頻調速器控制主軸的轉速，取代原電磁離合器調速箱，實現主軸的無級調速。在圖2所示的結構簡圖中，控制板由位置環板(4403)、光電隔離輸入板(HC4103)、光電隔離輸出板(HC4203)、鍵盤板(HX5501)等華中Ⅰ型數控系統的通用控制板組成。
- 第二階段，進行仿形控制系統軟件的安裝及三維仿形測頭的更換。原仿形測頭由于超期使用，其精度及靈敏度都大大降低，已不能正常工作。而仿形測頭是仿形機床的關鍵部件，它的性能對仿形加工質量有著重要的影響。我們換上了英國雷尼紹(RENISHAW)公司的SP2型仿形測頭。為了實現仿形測頭的數據采集，開發了仿形測頭接口板。該接口板將仿形測頭的變形量，由模擬信號變換為數字信號，提供給計算機讀取。在系統軟件方面，我們在華中Ⅰ型數控系統平臺上，開發了仿形控制處理軟件，實現了仿形測量與加工中測頭對型面的跟隨控制。
4 結論
由于華中Ⅰ型數控系統具有良好的開放性，非常便于開發與升級。經改造后的數控仿形銑床，可實現三種加工方式：數控加工、邊仿形邊加工和邊仿形邊記錄數據。該機床還具有比例縮放功能、陰陽模轉換功能、加工斷點保護及恢復功能、螺距間隙及補償功能等。改造后的仿形銑床界面清晰、仿形精度和速度明顯提高。如能換上進口刀具，效果將更加突出。仿形銑床的改造成功為常柴贏得了顯著的經濟效益。一年來，該機床已完成了十幾套模具的加工。目前，該機床滿負荷開動，為企業上等級、上品種、加快新產品開發創造了條件。