一、設(shè)備的現(xiàn)狀及改造的必要性
隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車制造行業(yè)的復(fù)蘇，高精尖的數(shù)控設(shè)備對(duì)機(jī)床的加工制造占有重要的地位。但如何發(fā)揮老設(shè)備的作用同樣是及其重要的，對(duì)老設(shè)備進(jìn)行可行性的數(shù)字化和數(shù)控化改造，是一條投資少，見效快的有效途徑。as5v西德滾刀磨是加工螺旋導(dǎo)軌的關(guān)鍵設(shè)備，隨著汽車變速箱，風(fēng)力發(fā)電，大型減速機(jī)等對(duì)斜齒加工的需求日益增大，該設(shè)備加工螺旋導(dǎo)軌的精度和效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我廠的生產(chǎn)需要，必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)控改造。該設(shè)備主軸電機(jī)由直流電機(jī)，通過電機(jī)擴(kuò)大機(jī)進(jìn)行直流調(diào)速，工作臺(tái)通過油缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，頭架由分度盤實(shí)現(xiàn)分度，由一套正弦尺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)螺旋加工。其余的磨頭上下和前后移動(dòng)和砂輪修整均為手動(dòng)進(jìn)給。
二、改造方案
對(duì)老設(shè)備的改造通常的做法是選用相應(yīng)規(guī)格的驅(qū)動(dòng)裝置以控制電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速，使用plc作為設(shè)備的控制核心。這是一種常規(guī)的電氣改造。對(duì)設(shè)備的加工制造能力和產(chǎn)品質(zhì)量的控制能力沒有大的提高。因此在對(duì)as5v的改造方案進(jìn)行討論時(shí)，根據(jù)對(duì)零件的加工需要和設(shè)備的機(jī)械精度的現(xiàn)狀，選擇進(jìn)行數(shù)控化改造。具體的方案如下:
因原主軸采用直流電機(jī)拖動(dòng)，直流調(diào)速裝置體積大，直流電機(jī)維護(hù)復(fù)雜，如今的交流變頻技術(shù)且盡完善，變頻調(diào)速具有的調(diào)速性能和的矢量控制。將主軸電機(jī)改變頻主軸電機(jī)。變頻器采用施耐德的atv71，取消工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸，安裝滾珠絲杠與伺服電機(jī)直聯(lián)。取消頭架的分度盤和正弧尺系統(tǒng)增加一套蝸輪。伺服電機(jī)與蝸桿相連，帶動(dòng)頭架旋轉(zhuǎn)，為了消除蝸輪間隙和精度對(duì)加工造成的影響，在頭架后端安裝一個(gè)編碼器，構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)。保留原來砂架修整裝置。磨頭上下和前后移動(dòng)裝置。取消原來的液壓系統(tǒng)增加一套集中潤滑裝置。
z軸---工作臺(tái)移動(dòng)軸。工作臺(tái)向左移動(dòng)為正，工作臺(tái)向右移動(dòng)為負(fù)。
c軸---工件主軸旋轉(zhuǎn)軸。工件主軸順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為負(fù)，工件主軸逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為正。
(一)sinumerik802dsl數(shù)控系統(tǒng)簡介
sinumerik802dsl數(shù)控系統(tǒng)是西門子公司zui近推出針對(duì)車床和銑床開發(fā)的中檔數(shù)控系統(tǒng)。是將所有cncplchmi和通訊功能集成于一個(gè)單一的部件pcu中。pcu作為802dsl數(shù)控系統(tǒng)的核心，集成profibus接口，鍵盤，mcp，手輪接口和cf卡接口。而且各部件的連接通過profibus現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行連接和通訊。802dslzui多可以控制四個(gè)伺服軸和一個(gè)主軸。
(二)plc部分
802dsl數(shù)控系統(tǒng)的電氣控制核心plc部件集成于pcu當(dāng)中。外部的輸入和輸出由i/o模塊pp72/48完成。每個(gè)pp72/48具有三個(gè)獨(dú)立的50芯的插槽，包括24位數(shù)字量輸入和16位數(shù)字輸出。802dsl系統(tǒng)zui多可配置三塊pp72/48。plc的編程軟件使用progammingtoolplc802d。
(三)驅(qū)動(dòng)單元
802dsl數(shù)控系統(tǒng)使用sinamicss120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。sinamicss120是西門子公司新一代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。s120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了的硬件技術(shù)，軟件技術(shù)以及通訊技術(shù)。采用高速驅(qū)動(dòng)接口。配套的1fk7永磁同步伺服電機(jī)具有電子銘牌。系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別所配置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。具有更高的控制精度和動(dòng)態(tài)控制精度，更高的可靠性。sinamicss120的電源模塊全部采用饋能制動(dòng)方式。其配置分別為調(diào)節(jié)型電源模塊(acctivelinemoduie縮寫為alm)和非調(diào)節(jié)型電源模塊(smartlinemodule縮寫為slm)。無論選用alm或slm，均需要配置電抗器。sinamics的電源，電機(jī)模塊均需要24v直流供電。
三、802dsl系統(tǒng)的安裝調(diào)試
(一)系統(tǒng)上電
在確定系統(tǒng)的連接和供電部分與設(shè)計(jì)圖紙正確無誤后，依次對(duì)pcu，pp72/48以及s120接入24v直流電源。待系統(tǒng)上電正常后，各部件顯示如下：
1.802dsl顯示器
802dsl進(jìn)入主界面，有以下報(bào)警信息:
380021-profibusdp:缺省的sdb100以加載
04060-標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床數(shù)據(jù)以加載
2.驅(qū)動(dòng)部分
電源模塊ready指示燈桔色dclink指示燈桔色
伺服模塊ready指示燈桔色dclink指示燈桔色
3.pp72/48部分
“power”和“exchange”指示燈均為綠色，模塊已經(jīng)就緒，且有數(shù)據(jù)交換。
(二)plc調(diào)試
802dsl系統(tǒng)為用戶提供的有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的plc子程序庫，利用子程序庫可以迅速的搭建一個(gè)用戶plc應(yīng)用程序。在使用plc子程序前必須用標(biāo)準(zhǔn)的初始化文件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。
1.系統(tǒng)初始化
啟動(dòng)由工具盒提供的通訊軟件“rcs”，利用“rcs”瀏覽器在計(jì)算機(jī)上找到初始化文件(銑床版)，將文件粘貼到start-uparchive(nc/plc)文件夾下面。nck復(fù)位后初始化文件生效。
2.plc應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)
802dsl系統(tǒng)為用戶提供的子程序庫中有64個(gè)子程序(sbr)。每個(gè)子程序都包含不同的功能。用戶可以根據(jù)自己設(shè)備的需求，選擇使用不同的子程序。但是所有選擇的子程序必須在主程序ob1中進(jìn)行調(diào)用。在64個(gè)子程序當(dāng)中，802d為用戶預(yù)留了43個(gè)子程序，以方便用戶根據(jù)自己的實(shí)際需求編寫子程序。在as5v的改造中，調(diào)用了以下標(biāo)準(zhǔn)的子程序sbr32plc_ini(plc初始化)，sbr33emg_stop(急停處理)，sbr34mcp_802d(機(jī)床控制面板的處理)，sbr38mcp_nck(機(jī)床控制面板至nck信號(hào)的處理)，sbr39handwhl(hmi選擇手輪)sbr40asix_ctl(進(jìn)給軸和主軸控制)，sbr44cooling(冷卻控制)sbr45lubbicate(潤滑控制)。根據(jù)子程序使用說明中，對(duì)接口信號(hào)的定義。按照設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)每個(gè)調(diào)用的子程序的接口進(jìn)行設(shè)置。再根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況，對(duì)每個(gè)子程序進(jìn)行調(diào)試，并對(duì)一些子程序進(jìn)行修改，以滿足機(jī)床改造的需要。對(duì)sbr40的調(diào)用。
因?yàn)閍s5v滾刀磨是機(jī)床，一些*的功能，只能自己編寫plc動(dòng)作。如sbr2磨頭修整，sbr3風(fēng)機(jī)控制，sbr4報(bào)警及三色燈控制，sbr5程序選擇。
sbr2(磨頭修整)子程序主要控制砂輪修整動(dòng)作。sbr3(風(fēng)機(jī)控制)子程序主要控制抽風(fēng)裝置在磨削的啟動(dòng)和停止。sbr4(報(bào)警及三色燈控制)子程序主要控制對(duì)用戶報(bào)警的響應(yīng)的復(fù)位條件以及三色燈的控制。sbr5(程序選擇)子程序是為了方便操作者選擇螺旋導(dǎo)軌加工程序和滾刀磨削程序，而編寫的用于選擇加工程序的plc子程序。該子程序利用面板上的兩個(gè)自定義鍵，當(dāng)操作者按下(滾刀)鍵時(shí)，cnc自動(dòng)將滾刀磨削加工程序生效為當(dāng)前程序。當(dāng)操作者按下(導(dǎo)軌)鍵時(shí)，cnc自動(dòng)將螺旋導(dǎo)軌加工程序生效為當(dāng)前程序。
3.plc參數(shù)設(shè)置
當(dāng)銑床初始化文件傳入系統(tǒng)后，系統(tǒng)以生效為銑床標(biāo)準(zhǔn)配置，僅需要設(shè)定幾個(gè)參數(shù)，如潤滑的時(shí)間等，并根據(jù)用戶報(bào)警內(nèi)容，配置報(bào)警信息的屬性:
n14510$mn_user_data_int[16]=1'3f9a
n14510$mn_user_data_int[24]=1'3e7a
n14510$mn_user_data_int[25]=500'407c
n14512$mn_user_data_hex[16]='h8''42d8
n14512$mn_user_data_hex[18]='h18''4310
n14516$mn_user_data_plc_alarm[2]='hf''59f2
n14516$mn_user_data_plc_alarm[3]='hf''5d32
n14516$mn_user_data_plc_alarm[4]='hf''57a2
(三)nc系統(tǒng)參數(shù)配置
完成對(duì)plc功能的調(diào)試后,對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.
1.進(jìn)給軸的設(shè)置.
z軸為工作臺(tái)進(jìn)給軸,直線軸,與絲桿1:1直連,絲桿螺距6mm.設(shè)置參數(shù)如下:
n30110$ma_ctrlout_module_nr[0,ax1]=1'562a
n30130$ma_ctrlout_type[0,ax1]=1'4c0a
n30220$ma_enc_module_nr[0,ax1]=1'485e
n30240$ma_enc_type[0,ax1]=1'3c74
n30250$ma_act_pos_abs[0,ax1]=-1'4d64
n31030$ma_leadscrew_pitch[ax1]=6'4cac
c軸為頭架旋轉(zhuǎn)軸,電機(jī)與蝸桿1:1直連,蝸輪40齒.頭架后端安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器,反饋線數(shù)1024,設(shè)置參數(shù)如下:
n30110$ma_ctrlout_module_nr[0,ax2]=2'575c
n30130$ma_ctrlout_type[0,ax2]=1'4c70
n30220$ma_enc_module_nr[0,ax2]=2'4990
n30230$ma_enc_input_nr[0,ax2]=2'4c44
n30240$ma_enc_type[0,ax2]=1'3cda
2.驅(qū)動(dòng)的配置和優(yōu)化
電機(jī)與驅(qū)動(dòng)連接無誤后,既可進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試
(1)*行驅(qū)動(dòng)器的固件升級(jí).
p15=150399驅(qū)動(dòng)各部件的固件升級(jí)
觀察驅(qū)動(dòng)器模塊上ready綠紅閃爍結(jié)束，并且sinamics_i的
參數(shù)p7829變?yōu)?表示驅(qū)動(dòng)器的固件升級(jí)已完成，對(duì)于雙軸電
機(jī)模塊p7829=140也表示升級(jí)完成,升級(jí)所需的時(shí)間為5~10分鐘；
升級(jí)完成后，必須重新上電復(fù)位。
p15=150101帶alm驅(qū)動(dòng)器快速調(diào)試
觀察p977和r2的狀態(tài)，當(dāng)r2變?yōu)?0，且p977由0à1à0，則宏調(diào)用完成，時(shí)間約與驅(qū)動(dòng)器數(shù)量有關(guān)，zui后需要重新上電。
(2)驅(qū)動(dòng)器的初始化.
進(jìn)入系統(tǒng)畫面[shift]+[alarm]，進(jìn)入[機(jī)床參數(shù)]à[驅(qū)動(dòng)器參數(shù)]à選擇sinamics_i.找到驅(qū)動(dòng)器參數(shù)p9，輸入30–參數(shù)復(fù)位.
找到驅(qū)動(dòng)器參數(shù)p976，輸入1–參數(shù)初始化(該參數(shù)會(huì)立即變?yōu)?)
找到驅(qū)動(dòng)器參數(shù)p977，輸入1–存儲(chǔ)數(shù)據(jù).觀察驅(qū)動(dòng)器參數(shù)p977。當(dāng)p977由1à0表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成.找到驅(qū)動(dòng)器參數(shù)p9，當(dāng)p9=1時(shí)，表示驅(qū)動(dòng)器初始化完成，可以進(jìn)行下一步–驅(qū)動(dòng)器配置,802dsl及驅(qū)動(dòng)器斷電，再上電。
(3)驅(qū)動(dòng)器的配置.
利用starterp配置電機(jī)和驅(qū)動(dòng),下圖是配置好的括撲結(jié)構(gòu):
根據(jù)每個(gè)軸的機(jī)械特性,對(duì)伺服進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化.對(duì)于伺服系統(tǒng),首先是對(duì)速度環(huán)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行調(diào)整.然后才對(duì)位置環(huán)進(jìn)行調(diào)整.速度環(huán)動(dòng)態(tài)特性的調(diào)整是由starterp軟件完成的.完成速度環(huán)的調(diào)整后,再對(duì)位置環(huán)進(jìn)行調(diào)整,如位置環(huán)增益等.
完成以上步驟后,機(jī)床伺服軸已經(jīng)可以運(yùn)轉(zhuǎn).檢查機(jī)床各項(xiàng)功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求.
(四)g代碼編寫
為方便操作者加工螺旋導(dǎo)軌,編寫了的螺旋導(dǎo)軌的加工程序.螺旋導(dǎo)軌的加工要求如下:
導(dǎo)程t=πd/tgβ
圓周進(jìn)給角度為arctgα=ψ÷(d+d)/2
式中：d---工件外徑、d---導(dǎo)程面底徑,ψ—進(jìn)給量,β—螺旋角。
假設(shè)導(dǎo)程為600mm、工件主軸圓周進(jìn)給為5次、每次進(jìn)給0.02mm,光磨次數(shù)為5次。機(jī)床調(diào)整、對(duì)刀完畢。
按下循環(huán)啟動(dòng)開關(guān)→潤滑系統(tǒng)、砂輪電機(jī)啟動(dòng)→工作臺(tái)右行至設(shè)定點(diǎn)→工件主軸回退0.5°→工作臺(tái)左行至終點(diǎn)→工件主軸回位0.5°并第1次圓周進(jìn)給0.02mm→工作臺(tái)右行至設(shè)定點(diǎn)→工件主軸回退0.5°→工作臺(tái)左行至終點(diǎn)→工件主軸回位0.5°并第2次圓周進(jìn)給0.02mm→工作臺(tái)右行至設(shè)定點(diǎn)→工件主軸回退0.5°→工作臺(tái)左行至終點(diǎn)-→工件主軸回位0.5°并第3次進(jìn)給0.02mm→工作臺(tái)右行至設(shè)定點(diǎn)→工件主軸回退0.5°→工作臺(tái)左行至終點(diǎn)→工件主軸回位0.5°并第4次進(jìn)給0.02mm→工作臺(tái)右行至設(shè)定點(diǎn)→工件主軸回退0.5°→工作臺(tái)左行至終點(diǎn)→工件主軸回位0.5°并第5次0.02mm→工作臺(tái)右行至設(shè)定點(diǎn)→工件主軸回退0.5°→工作臺(tái)左行至終點(diǎn)→工件主軸圓周回位0.5°→(圓周進(jìn)給結(jié)束)工作臺(tái)右行至設(shè)定點(diǎn)(第1次光磨)→工件主軸回退0.5°→工作臺(tái)左行至終點(diǎn)→工件主軸圓周回位0.5°→工作臺(tái)右行至設(shè)定點(diǎn)(第2次光磨)→工件主軸回退0.5°→工作臺(tái)左行至終點(diǎn)→工件主軸圓周回位0.5°→工作臺(tái)右行至設(shè)定點(diǎn)(第3次光磨)→工件主軸回退0.5°→工作臺(tái)左行至終點(diǎn)→工件主軸圓周回位0.5°→工作臺(tái)右行至設(shè)定點(diǎn)(第4次光磨)→工件主軸回退0.5°→工作臺(tái)左行至終點(diǎn)→工件主軸圓周回位0.5°→工作臺(tái)右行至設(shè)定點(diǎn)(第5次光磨)-→工件主軸圓回退0.5°→工作臺(tái)左行至終點(diǎn)→工件循環(huán)結(jié)束，潤滑系統(tǒng)、砂輪電機(jī)停止。
根據(jù)加工要求編寫的加工程序如下:
n290r50=r11/r2*360;計(jì)算c軸旋轉(zhuǎn)角度
n300r51=r12-r55;計(jì)算z軸到起點(diǎn)的距離
n310r52=r51/r2*360;計(jì)算c軸到起點(diǎn)的角度
n320r52=r52*r0*r3;計(jì)算c軸起點(diǎn)位置
n330r91=r52*r0*r0
n331r94=r12-r10;計(jì)算手動(dòng)對(duì)刀z軸的移動(dòng)距離
n332r95=r94/r2*360;計(jì)算手動(dòng)對(duì)刀c軸的移動(dòng)距離
n333r95=r95*r3*r0
n334r96=r9+r95
n335ifr96>360gotofzs1ifr96<0gotoffs1
r97=r96
gotojis1
n336zs1:r97=r96-360
gotojis1
n337fs1:r97=360+r96
n340jis1:r60=atan2(r20,r1);計(jì)算進(jìn)給量
將程序中的變量用r參數(shù)來代替,操作者只需要改變r(jià)參數(shù)的值,就可以加工不同導(dǎo)程的螺旋導(dǎo)軌.
as5v滾刀磨變量表
變量名備注
r0(左/右旋選擇)右旋=1左旋=-1
r1(工件半徑)單位(毫米)
r2(工件導(dǎo)程)單位(毫米)
r3(上/下母線磨削選擇)下母線=1上母性=-1
r4(c軸回退量)單位(毫米)
r5(主軸速度)單位(分/轉(zhuǎn))
r6(c軸進(jìn)給速度)單位(度/分鐘)
r7(z軸進(jìn)給速度)單位(度/分鐘)
r8(z軸快退速度)單位(毫米/分鐘)
r9(z軸對(duì)刀坐標(biāo))單位(毫米)
r10(c軸對(duì)刀坐標(biāo))單位(度)
r11(工件加工長度)單位(毫米)
r12(z軸的加工起點(diǎn)坐標(biāo))單位(毫米)
r13(工件每刀光磨次數(shù))單位(次)
r14(工件修整光磨次數(shù))單位(次)
r15(抽風(fēng)選擇)不需要=0需要=1
r16(冷卻選擇)不需要=0需要=1
r17(滾刀的槽數(shù))
r18(滾刀的模數(shù))
r19(磨削次數(shù))
r20
。。
r29(十次磨削的進(jìn)給量)
r30(暫停時(shí)間)單位(秒)
r31(手動(dòng)/自動(dòng)對(duì)刀)(手動(dòng)對(duì)刀=1，自動(dòng)對(duì)刀=0)
(五)加工精度
螺旋導(dǎo)軌是加工斜齒的關(guān)鍵部件,它的精度直接影響斜齒的加工精度.螺旋導(dǎo)軌精度要求一般為導(dǎo)程誤差±0.01mm.導(dǎo)程直線度誤差±0.01mm.機(jī)床安裝就位后,用激光干涉儀.將z軸的螺距誤差,測(cè)量出來.把每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的誤差編輯到補(bǔ)償文件中,再傳入cnc.c軸雖然是全閉環(huán)反饋,但是因?yàn)槭芫幋a器安裝精度的影響,c軸的定位精度也達(dá)不到加工的要求.因此對(duì)c軸也要進(jìn)行螺補(bǔ).補(bǔ)償文件的格式如下:
z軸$aa_enc_comp[0,0,ax1]=0'3840
$aa_enc_comp[0,1,ax1]=0.001'3d9e
$aa_enc_comp[0,2,ax1]=0.0016'4296
$aa_enc_comp[0,3,ax1]=-0.0001'41e8
$aa_enc_comp[0,4,ax1]=-0.0009'3c68
$aa_enc_comp[0,5,ax1]=0.0011'3f46
$aa_enc_comp[0,6,ax1]=0.0015'411e
$aa_enc_comp[0,7,ax1]=0.0026'4788
c軸$aa_enc_comp[0,0,ax2]=0'39d8
$aa_enc_comp[0,1,ax2]=-0.0010
$aa_enc_comp[0,2,ax2]=-0.0013
$aa_enc_comp[0,3,ax2]=-0.0018
$aa_enc_comp[0,4,ax2]=-0.0022
$aa_enc_comp[0,5,ax2]=-0.0027
$aa_enc_comp[0,6,ax2]=-0.0029
$aa_enc_comp[0,7,ax2]=-0.0034
補(bǔ)償完畢后,用激光干涉儀連續(xù)記錄五遍伺服軸運(yùn)動(dòng)的誤差,計(jì)算軸的定位誤差和重復(fù)誤差.下圖分別是z軸和c軸的誤差曲線:
未進(jìn)行螺距補(bǔ)償時(shí)，在sp60檢測(cè)儀器上檢測(cè)出的螺旋線誤差曲線?？梢钥闯鲋本€度和導(dǎo)程均超差。
進(jìn)行螺距補(bǔ)償后，加工零件的曲線。各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均在圖紙的設(shè)計(jì)要求之內(nèi)。
(六)結(jié)束語
改造后機(jī)床操作方便，調(diào)整簡單，運(yùn)行穩(wěn)定。*解決了原先調(diào)整繁瑣，加工精度不穩(wěn)定等問題。改造后機(jī)床加工零件的效率和加工精度明顯提高，充分的發(fā)揮了設(shè)備的潛力。原來加工一個(gè)合格的導(dǎo)軌需要6-8天時(shí)間，現(xiàn)在一天可以加工幾套合格導(dǎo)軌。經(jīng)過這次改造，充分的體會(huì)到應(yīng)用*的數(shù)控系統(tǒng)對(duì)老設(shè)備進(jìn)行改造，確實(shí)是一條提升設(shè)備能力的有效途徑。
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主軸為摸擬軸0-10v輸出:
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