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一：系統(tǒng)描述
1.C61200X10X63車床系青海重型機床公司生產(chǎn)的雙刀架大型車床，該設備由無錫機床電器廠配套電氣控制系統(tǒng)，主軸由直流電機驅(qū)動，數(shù)控核心由SONY單軸脈沖發(fā)生器實現(xiàn)，各軸定位動力由電磁離合器切換，刀架移動動力由主軸分配，系統(tǒng)構成簡單，屬于簡易數(shù)控車床，如下圖：
2. 該C61200車床最大加工工件長度10000毫米，最大加工直徑2000毫米，屬于該公司主力設備；
3.隨著加工任務的增加，加工精度的提高，加工復雜程度的加大，半自動化加工方式的系統(tǒng)電氣和機械上均存在的問題日趨突出，急需改造。但是，如果采用原廠全西門子數(shù)控方案，價格高昂，工廠亟待尋找一種價格適中，而又能滿足生產(chǎn)要求的機電一體化改造方案；
4.成都海科工控有限公司致力于機電一體化傳動技術，在系統(tǒng)成套和設備改造方面有著豐富的經(jīng)驗，經(jīng)現(xiàn)場查看和與客戶的技術溝通，我們確信完全有能力將此系統(tǒng)進行按期改造并最終實現(xiàn)強大的數(shù)控車床功能。
二：問題分析和改造方案的提出
1.原系統(tǒng)采用兩臺單軸簡易脈沖定位控制器，分別獨立控制兩套刀架，各個刀架的X軸和Z軸由一臺伺服電機控制，其控制軸動力分配為離合器切換，無法實現(xiàn)多軸插補定位，也無法實現(xiàn)軸間同動，不能實現(xiàn)動態(tài)加工（DNC）功能，使得車床計算機輔助制造（CAM）功能大大受限；
1.1 由此，我們采用兩臺目前流行的標準車床CNC系統(tǒng)臺灣臺達PUTNC-H4-M, 經(jīng)底層核心程序改良后，用于本雙刀架系統(tǒng)，動力驅(qū)動上采用四臺臺灣臺達ASD-A交流伺服系統(tǒng)控制各X軸和Z軸，完全實現(xiàn)了復雜的插補運算和軸間連動；
1.2 兩CNC系統(tǒng)經(jīng)IO端口互相聯(lián)系，經(jīng)CNC內(nèi)部的PLC程序邏輯控制，及各自獨立，又互相聯(lián)系；
1.3新的系統(tǒng)支持DNC動態(tài)加工，支持CAM加工代碼；
1.4 新的系統(tǒng)，通訊協(xié)議完全開放，支持上位機，如客戶需要，可外接標準觸摸屏，加強系統(tǒng)界面友好性；
2.離合器動力分配機構結構復雜，機械和電氣上均必然造成切換動態(tài)定位誤差，精度控制和更換軸后要依賴人工仔細調(diào)試，降低了加工效率和精度；
2.1 新的系統(tǒng)完全拋棄了動力切換機構，控制獨立，精度完全穩(wěn)定可控，而且調(diào)校簡單，系統(tǒng)可實現(xiàn)自動刀具補償，絲杠節(jié)距補償，是一種非常穩(wěn)定的結構；
2.2 新系統(tǒng)電機連接上，采用零背隙彈性聯(lián)軸器結構和滾珠絲杠連接，安裝和調(diào)試維修均非常方便；
3.獨立存在的兩個刀架系統(tǒng)，彼此沒有聯(lián)系，操作煩瑣，而且存在安全隱患；
3.1 改造后的系統(tǒng)，兩套刀架的控制CNC是通過IO端口互相聯(lián)系的，他們在用自定義的邏輯下控制外部設備如油泵、主軸等協(xié)同運行；
3.2 兩套CNC允許外接遠程設備，實現(xiàn)遠程操作和加工；
4.目前的脈沖發(fā)生器對于系統(tǒng)而言，是開環(huán)結構，電機的響應延遲和機械安裝誤差以及定位機械背隙完全不可控，因此，系統(tǒng)存在的加工誤差完全由人工調(diào)校，加工誤差離散性極大，最終影響了加工質(zhì)量；
4.1 改造后系統(tǒng)采用半閉環(huán)結構，可消除電機響應滯后引起的誤差，大大提高了插補運算的實際加工精度；
4.2 本半閉環(huán)結構，如客戶需要，完全可以外加光柵尺實現(xiàn)更加精確的全閉環(huán)結構，這種結構的改變，只需對系統(tǒng)參數(shù)作微小調(diào)整即可實現(xiàn)；
5.機械傳動上，對精度起絕對作用的定位機構，原系統(tǒng)采用梯形絲杠結構，存在傳動效率低，精度差等問題，另外，這種梯形絲杠承載能力非常不足，傳動間隙和摩擦系數(shù)不可控；
5.1絲杠替代：車床原有絲杠為直徑63的梯形絲杠，考慮到絲杠軸肩加工余量的問題，采用公稱直徑相同（Φ63）的滾珠絲杠替換，型號為R63-10T6-FSI-L1-L2-0.05；其中L1為絲杠螺紋段長度，L2為絲杠全長，具體尺寸要對被改造車床進行測繪后決定；
5.2承載能力比較：滾珠絲杠的承載能力主要受絲杠直徑、導程角及摩擦系數(shù)的影響，通過選型，該兩種絲杠的區(qū)別只有摩擦系數(shù)不同，傳統(tǒng)梯形絲杠的摩擦系數(shù)為：0.1~0.2；滾珠絲杠的摩擦系數(shù)為：0.003~0.005；導程角同為2.8度；通過比較，滾珠絲杠的承載能力高于對應的梯形絲杠；
5.3軸向推力比較；
梯形絲杠與16.5�！っ纂姍C組和：
F=Tr·D·∏·η/(P·g)
=（16.5x2000x3.14x0.34）/(10x9.8) =359.5(kg)
滾珠絲杠與14.3�！っ纂姍C組和：
F=Tr·D·∏·η/(P·g)
=（14.3x2000x3.14x0.85）/(10x9.8) =778.9 (kg)
5.4 綜上所述，滾珠絲杠對于精度和傳動效率以及承載能力提高巨大，是理想的傳動元件；
6. 原有電機扭矩，根據(jù)用戶提供信息，設備原有伺服電機扭矩分別為16.5牛·米和10.4�！っ�，現(xiàn)在統(tǒng)一選取的電機型號為：ASMT30M250AK；輸出扭矩為14.3牛·米；經(jīng)計算：
6.1系統(tǒng)慣量估算，負載重量W=3900kg；絲杠總長1500mm；絲杠導程10mm；轉(zhuǎn)動速度2000r/min；通過程序計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量I；
I=280x10-4kg·m2
6.2 電機轉(zhuǎn)動慣量：Im=43.3x10-4 kg·m2
慣量比：I/Im=6.47<10；慣量匹配；
7.系統(tǒng)操作界面上，原系統(tǒng)采用西門子觸摸屏作為操作終端，來彌補單軸系統(tǒng)的不足，結構不夠嚴謹，操作不流暢；
7.1 改造后的系統(tǒng)是標準的車床操作界面，但是經(jīng)改寫核心程序，又完全符合雙刀架的實際操作需要，技術人員和操作者完全可以按照車床的操作習慣來操作本系統(tǒng)，而且精度完全穩(wěn)定可控；
7.2 兩臺刀架上的CNC不是完全獨立的，他們對于外設的控制是在安全邏輯上互相協(xié)調(diào)的，在安全方面，危險邏輯是互鎖定的，所以操作者可以放心的操作；
7.3 如果客戶需求，可借由RS232C接口外擴觸摸屏人機界面，但因遠程操作較少，本改造方案于成本考慮未安裝；
三：控制系統(tǒng)主要元件選型以及說明
1. 數(shù)控系統(tǒng)選用臺灣臺達公司（DELTA HUST）標準開放式車床數(shù)控系統(tǒng)，PUTNC-H4-T,該系統(tǒng)具有開放的車床系統(tǒng)架構，正式由于具有這一優(yōu)點，我們才得以按照雙頭車床的系統(tǒng)要求做核心程序修改，以適應特殊要求；另外，該系統(tǒng)具有支持標準FUNCO加工G代碼程序結構，支持常用CAM軟件POST程序，方便實現(xiàn)DNC；
2. 交流伺服系統(tǒng)選用臺達ASD-A－M系列，該伺服系統(tǒng)速度環(huán)響應頻寬高達450HZ,是系統(tǒng)半閉環(huán)結構的高性價比產(chǎn)品,另外，ASD-A-M系統(tǒng)支持PDFF調(diào)節(jié)結構，可克服瞬時機械應力引發(fā)的加工誤差，可使得車床動態(tài)加工定位更加準確；
3.CNC操作界面和顯示界面選用HUST系統(tǒng)專用產(chǎn)品，為薄膜操作按鈕，具有IP65的結構，可適應現(xiàn)場惡劣環(huán)境；
4. PLC系統(tǒng)選用HUST系統(tǒng)專用產(chǎn)品，配置為24DI/16DO, 可外擴實現(xiàn)更多點數(shù)和更大功率的開關量控制；
5.主軸位置編碼器選擇為OMRON1024差分型產(chǎn)品，用于取得主軸位置和各種涉及到主軸每轉(zhuǎn)進給之信號；
6.各個切換系統(tǒng)和低壓配電以及弱電供給和系統(tǒng)安全邏輯為�？乒靖鶕�(jù)客戶需求度身定做，以最大限度達到客戶需求；
四：工程說明和最終技術指標
1.本系統(tǒng)經(jīng)周密計算和功能分析，技術成熟，并完全確認方案的可行性，海科公司有著豐富的機械和電氣的實踐經(jīng)驗，保證工程的按期順利完成；
2.本工程元件備貨周期30個有效工作日，機械加工輔助元件和系統(tǒng)設計制作周期15個有效工作日，現(xiàn)場調(diào)試周期7個有效工作日，總體工程周期約為45-50個有效工作日；
3.本系統(tǒng)經(jīng)改造后，電氣控制精度為0.001毫米，機械絕對定位精度0.05毫米，系統(tǒng)重復定位精度優(yōu)于0.02毫米；
4.對于上述系統(tǒng)技術資料可查閱公司網(wǎng)站：HTTP://WWW.EHAIKE.COM
如有任何不能理解或置疑之處，請致電：
028-85291366-801 成都海科工控有限公司工程技術部
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