大型立式车床数控改造
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华中数控以华中理工大学为技术依托的中外合资武汉华中数控系统有限公司研制、开发和应用专栏 型系列数控系统, 近几年来成功地对我国许多大型企业进行改造, 解决了企业关键设备的更新换代, 取得明显的经济效益。用数控技术
对设备进行技术改造是振兴我国制造业的重要措施。为推广数控技术应用, 振兴我国民族数控产业, 本刊从现在起, 开辟华中数控应用篇专栏, 介绍其应用实例, 供有关企业借鉴。
大型立式车床数控改造
华中数控系统有限公司 熊清平 吴 彤 徐建春东方电机股份有限公司 陈文平 陈文湘
摘要 介绍华中 型数控系统的特点及软硬件结构, 及该系统用于大型立式车床的数控改造。
关键词 华中 型数控系统 大型立车 伺服系统 数控改造
Abstract T h is paper illu strates hard 2w are and softw are structu re of H ZCN C
有限公司密切合作, 采用华中 型数控系统对该厂的 215m , 314m , 510m , 613m 等大型立车进行数控改造。华中 型数控系统是华中数控系统公司研制开发和批量生产的开放式其特点为:
(1) :, 集成度高, , 与通用微机兼容, 资源丰富, 环境优越, 为系统开发和提高软件柔性提供便利。另外能随着通用微机发展而升级和发展。
(2) 在体系结构上实现开放化和模块化形成华中 型系统开放式软件平台, 为系统的二次开发, 品种派生, 发展延续提供基础。
(3) 独创的高速插补算法在PC 单CPU 环境下, 实现高速高精, 多轴联动和多通道控制等高级功能, 特别是应用“八五”攻关专题成果SD I 插补算法, 将目前CN C 的直线圆弧加工提
CN C system , by w h ich N 2ti on of huge con sequen tly r of huge lathe is i m p roved .
Key words H ZCN C novati on
CN C system
H uge lathe Servo driver N C’stechn ical in 2
目前, 对于大型回转零件的加工, 极少数企业拥有大型的数控立车, 因为购置一台大型数控立车价格非常昂贵, 大多数企业一般都采用普通大型立车, 手工操作进行加工, 对于普通的端面和外径切削, 可以满足加工要求, 而对一些异型面的加工, 如锥面, 圆弧面, 只能通过靠模来进行切削, 一是操作加工强度大, 时间长, 二是精度无法得到保证。四川东方电机股份有限公司是生产水轮发电机的大型企业, 拥有较多的普通大型加工设备, 为了提高产品质量和加工效率, 于1995年起, 该厂与武汉华中数控系统
收稿日期:1998-02-21
高到曲面轮廓直接加工控制, 以软件技术来实现国外由多处理器高速硬件和DN C +CN C 所实现的高精加工。
(4) 灵活的系统配置华中 型数控系统可配置多种伺服系统, 如数字交流伺服, 模拟交 直流伺服单元等。 一、华中
型数控系统硬件结构
华中 型数控系统体系结构如图1所示。其中虚线框内为标准工业PC 机配置, 微处理器CPU 采用80486或80586, 系统控制部件包括
《机械与电子》1998(5)
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DM A 控制器(外部设备如软盘与内存进行高速数据传送) 、定时器等, 外存包括硬盘和软盘
(3) PL C 控制任务 用户根据PL C 语句
或者电子盘(DO S 及系统控制软件装入电子盘, 信息不易丢失, 系统稳定性高) ; 系统位置单元接口根据使用伺服单元的不同而有不同的具体实现方法:当伺服单元为数字式交流伺服单元时, 位置单元接口可采用标准R S 232串口; 当伺服单元为模拟式交流伺服单元时, 位置单元接口则用位置环板; 当用步进电机作为驱动元件时, 位置单元接口则用多功能N C 接口板。
I O 接口是系统内装PL C 的硬件电路, 机床M 、S 、T 的逻辑顺序控制, 运行用户编制的PL C 顺序语句
。
的控制量, 来定义执行周期, 一般为120m s , 其功能实现机床的M 、S 、T 控制。
(4) 轨迹予处理 条件启动任务, 主要用于曲面直接插补算法, 对曲面局部三角化, 干涉处理, 行距运算等, 根据当前速度产生刀位轨迹并输入到插补轨迹缓冲区。
(5) 刀补和输入运算 它是一个条件启动任务, 当译码数据输入到轨迹缓冲区后, 进行数据归一处理, 然后进行刀具补偿运算, 对轨迹缓冲区的数据进行修正, 这时缓冲区的数据为插补运算有效数据。
(6) 译码解释任务 条件启动任务, 对零件程序包括类似高级语言进行译码解释, 直至遇到运动命令, 才将数据输入到缓冲区。
(7) 系统监控 周期为96m s , 显示当前刀具目前加工位置, 。
(8) , 完。
图1 华中 二、S 开发, 采用分层模块化结构, 它分为四层:第一层为系统管理层, 包括文件管理, 进程管理, 实时多任务调度, 参数数据库的物理层。第二层为机床输入输出层, 包括位置控制软件, PL C 功能。第三层为插补控制层, 包括ISO 代码插补和曲面插补。第四层为用户操作层。系统任务在实时操作环境下, 采用伪并发执行的方式进行控制, 即宏观上各任务并发执行, 而微观上各任务分时占用处理器。系统划分成以下八个任务:
(1) 位置控制任务 周期4m s , 包括两方面, 其一, 对于数字伺服驱动单元, 将插补任务的增量信息定时通信给数字伺服单元。其二, 对于模拟伺服单元, 根据插补的数据和实际反馈进行位置控制规律调节, D A 输出速度指令。
(2) 插补任务 周期为8m s , 自动进行加减速控制, 对轨迹缓冲区的轨迹进行插补运算, 计算各轴的位置增量。
《机械与电子》1998(5)
、 613m 立车数控改造实现
1. 机械改造
613m 立式车床有左右两个刀架, 每个刀架分别由两台三相异步电动机驱动, 控制X ,
立车主轴功率Z 方向的快速移动及进给控制。
为100k W 。考虑机械改造尽可能简单原则, 仅对该机床的左刀架机械进行改造, 去掉左刀架的齿轮传动系统, 安装上伺服进给驱动箱。这类大型机床刀架比较重, 惯性大, 如采用伺服电机直接与丝杠相连, 虽然可以提高进给速度, 但伺服系统的驱动功率要求很大, 系统的成本非常高。实际运行时, 对于这种加工大型回转体的机床, 其进给速度要求比较低, 因此, 在满足快速移动速度的前提下, X , Z 轴采用一定比例的机械降速传动, 以降低对X , Z 轴伺服电机驱动力矩的要求, 这一速度设定为2m m in 。
2. 伺服系统
613m 立式车床X , Z 轴的负载特性:X , Z 进给轴采用德国AM K 公司的65N m 交流伺服驱动电机, 其中Z 轴电机带抱闸装置, 该
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伺服系统是模块化结构, 有电源模块, 进给模块, 如图2所示, 模块之间有控制信号相连, 数控系统的内装PL C 检测各模块有无异常, 按一定的顺序分别输出对该模块使能信号, 使伺服处在就绪状态。模拟伺服模块检测电机编码器作为速度反馈, 同时输出到位置控制器, 作位置反馈
。
四、改造效果
(1) 技改后的机床具备灵活多样的使用功能 机床改造保留了原右刀架、横梁和主轴的手动加工操作功能, 对其左刀架的X 轴和Z 轴运动采用数控, 机械也相应地做了改动, 更换了减速箱。右刀架留作常规加工之用, 使以往产品的加工工艺路线不致有较大变化, 符合传统生产习惯。左刀架可进行数控加工, 满足该厂对新产品多品种、单件和小批量的生产要求。
(2) 改造后, 613m 立式车床成为全机能数控机床 能够加工内外球面和各种流线型回转面等。依据伺服电机输出转矩以及传动比等
图2 伺服系统控制图
3. 数控系统
机床数控改造, 采用H ZCN C IT 数控系
统, 由于机床外型大, 整个系统布局分三部分:
(1) 操作站含显示器, 数控编程键盘, 机床操作面板, 软盘驱动器。
(2) 构成。
(3) , 按钮组成。
系统的主控机放置有两种方案:其一, 安装在电气控制柜中, 用此方案由于与伺服单元的位置比较近, 速度模拟量和位置反馈信号几乎没有衰减, 能保证进给系统稳定运行, 但由于操作站与电气控制柜相距几十米, 从电气柜来的视频信号到操作站的显示器产生衰减, 影响显示质量, 另外软驱无法正常工作。其二, 安装在操作站中, 显示效果好, 软驱操作也方便, 但若位置环控制卡插入主机中, 会影响进给轴控制的稳定性。综合这两个方案, 针对大型机床的数控改造, 主控机安装在操作站中较好, 为此设计了一块智能位置控制卡, 安装在电气柜中, 它与伺服驱动系统构成对机床X , Z 轴的进给控制, 而智能位置环控制卡与主控机采用串口R S 422方式遵循一定的协议进行长距离实时通信, 即主控机每8m s 向智能位置环控制卡传送增量信息。
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因素, 切削用量较以前可得到提高。多道工序编程后一次加工完成, 测量、对刀与找正等辅助时间减到最少。
(3) S , 直径215m , 上下子焊为一体) , 其直径偏差在0103mm 以内, 远远满足原零件规定直径偏差0109mm 要求。
(4) 数控系统误差补偿可调功能能够进一
步改善零件加工精度 在以上加工实例中, 最大直径偏差值出现在球面中间剖分线上, 亦即由X 轴反向间隙补偿值略大造成。因该值是在无加工负荷状态下测量并补偿的, 与实际加工状态时相比有偏差。据此对补偿值进行调整后, 该项精度提高30%~50%。
(5) 技改后的数控机床可大大提高加工效率, 并缩短加工时间 加工上述零件, 工人手动加工需要时间120h (包括打磨处理) , 而机床改造后加工时间减少到20h (不需打磨) 。
参考文献
1 毕承恩. 现代数控机床(上, 下) . 北京:机械工业出
版社.
2 熊清平. CN C 实时多任务系统的研究. 机械与电
子, 1997(3)
《机械与电子》1998(5)