米克朗UCP系列5軸加工中心換刀系統(tǒng)改造

張建

（中國空空導彈研究院二分廠，河南洛陽 471009）

米克朗UCP系列5軸加工中心換刀系統(tǒng)改造

張建

（中國空空導彈研究院二分廠，河南洛陽 471009）

分析換刀系統(tǒng)電氣及機械設(shè)計原理，找出米克朗UCP系列加工中心換刀系統(tǒng)故障率偏高的原因。通過3種維修方案的對比，確定選擇加裝變頻器的改造方案。項目實施后，機床換刀振動和刀庫故障減少，節(jié)省維修費用。

5軸加工中心；換刀系統(tǒng)；變頻器

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.54

0 概述

米克朗UCP系列5軸加工中心采用海德漢iTNC530數(shù)控系統(tǒng)，該機床是專為滿足工業(yè)模具、航天和賽車業(yè)要求而設(shè)計的多軸、高精度零件加工機床。

1 米克朗UCP系列加工中心換刀系統(tǒng)簡介

UCP系列加工中心采用盤式刀庫，通過手動裝載刀具，在加工進程中換刀系統(tǒng)處于準備狀態(tài)。垂直軸通過伺服驅(qū)動移動到換刀位置，然后抓取刀具。刀具切屑端朝下存儲在刀盤上，這樣可防止鐵屑、切屑液等污染主軸抓刀錐孔。在加工過程中，自動防護門關(guān)閉，使換刀系統(tǒng)與加工區(qū)域隔離，防止刀具及換刀系統(tǒng)被鐵屑及切屑液污染。

2 換刀原理

2.1 換刀流程

UCP系列加工中心的換刀流程：操作人員輸入換刀指令后，數(shù)控系統(tǒng)CNC接到請求刀號信號，控制PLC的O11輸出信號，K602繼電器線圈上電，其常開觸點吸合給M600供電使其正向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動大導程的螺旋傳動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，帶動螺母做直線運動，從而將刀盤推出刀庫，同時通過機械傳動推開刀庫門，B638接近開關(guān)檢測刀盤前進后退位置是否到位，同時刀盤上的刀夾夾緊主軸上的刀具，數(shù)控系統(tǒng)控制主軸松刀并上移。然后CNC根據(jù)目標位置和現(xiàn)在位置確定最短路徑旋轉(zhuǎn)方向，隨后通過伺服放大器A501驅(qū)動電機M611旋轉(zhuǎn)。電機的旋轉(zhuǎn)運動通過刀盤驅(qū)動減速器轉(zhuǎn)變?yōu)榈侗P的旋轉(zhuǎn)運動,刀盤的角度位置信息通過編碼器精確地反饋給數(shù)控系統(tǒng)，判斷刀盤旋轉(zhuǎn)是否使指定刀號達到換刀位置。指定刀號達到換刀位置后，主軸移動到抓刀位抓取刀具，PLC的010輸出信號，控制M600反轉(zhuǎn)，把刀盤拉進刀庫并關(guān)閉刀庫門，完成換刀動作。

2.2 換刀系統(tǒng)布局

圖1 換刀系統(tǒng)布局

換刀系統(tǒng)部件如圖1所示，刀盤驅(qū)動減速器、刀盤旋轉(zhuǎn)伺服電機M611、刀庫前進/后退到位檢測開關(guān)B638、驅(qū)動刀庫前進/后退交流異步電機M600分布在刀庫中，刀庫零點開關(guān)B637、換刀位刀具檢測開關(guān)B611、刀具監(jiān)測開關(guān)B630分布在刀盤底部及前方。

2.3 控制系統(tǒng)原理及電氣圖

控制系統(tǒng)主要包括人機交互界面MMC、海德漢數(shù)控系統(tǒng)CNC、可編程邏輯控制器PLC、驅(qū)動電機和檢測開關(guān)等（圖2）。系統(tǒng)采用集中控制方式，控制系統(tǒng)的核心為CNC與PLC,由人機界面發(fā)出換刀信號，經(jīng)CNC及PLC運算處理后，使電機驅(qū)動刀盤做前進、后退以及旋轉(zhuǎn)運動，后經(jīng)接近開關(guān)把信號反饋給 LC，PLC負責處理信號的邏輯關(guān)系，從而控制刀盤的準停。

圖2 控制系統(tǒng)原理

換刀系統(tǒng)驅(qū)動電氣圖如圖3所示，換刀系統(tǒng)檢測電氣圖如圖4所示。

圖3 換刀系統(tǒng)驅(qū)動

3 換刀系統(tǒng)存在的問題

UCP系列加工中心近7年故障維修統(tǒng)計如圖5所示，刀庫及換刀故障相比于其他類型故障數(shù)量最多。產(chǎn)生這些故障的主要原因是換刀過程產(chǎn)生的沖擊振動造成位置檢測開關(guān)B611和 B630檢測不到信號或者造成刀庫傳動機構(gòu)的機械損壞。因此需要找出換刀系統(tǒng)振動大的原因然后對換刀系統(tǒng)的故障進行維修，解決換刀過程振動大的問題。

圖4 換刀系統(tǒng)檢測

圖5 UCP系列故障統(tǒng)計

4 換刀系統(tǒng)振動大的原因

驅(qū)動螺桿如圖6所示，整個機構(gòu)由一部三相交流異步電機驅(qū)動螺旋傳動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，帶動螺母做直線運動，從而實現(xiàn)刀盤的進出移動。

式中：v——速度，m/sP——螺桿導程,mn——電機額定轉(zhuǎn)速，r/min

從式（1）可以看出，在電機恒定轉(zhuǎn)速下，螺桿導程越小，刀盤直線移動速度越低。螺桿的設(shè)計就是根據(jù)這一原理，使其導程角漸變式呈現(xiàn)兩端小、中間大的特征，從而實現(xiàn)刀盤直線移動的加減速運動，在機械上實現(xiàn)刀盤直線運動的減速制動功能。

隨著機床役齡的增長，螺桿兩端的小導程角螺紋逐漸被磨損，導致刀盤在移動結(jié)束的瞬間都是機械上硬性撞擊減速停止的，沒有任何緩沖裝置，具體表現(xiàn)為換刀過程中的巨大振動和聲響，損壞機床機械結(jié)構(gòu)，影響換刀檢測開關(guān)信號的穩(wěn)定性，增加機床換刀系統(tǒng)的故障率。根據(jù)式（1）計算，在忽略所有阻力的理想狀態(tài)下刀盤撞擊前移動速度為9 m/s。

5 改造方案和實施

5.1 可選方案

圖6 驅(qū)動螺桿在換刀過程中，刀盤直線移動速度

3個可選方案：①更換螺桿備件；②采用減速電機或低速電機替換原有電機來降低速度；③利用變頻器控制電機的加速減速曲線并配合變頻器的智能剎車控制（表1）。

表1 可選方案

5.2 方案對比及選擇

在上述3種方法中，第一種不用改動電氣控制，但是螺桿備件采購周期約2～3周，需要進行機械拆卸及裝配，拆卸并更換螺桿維修工時約2～3個工作日，沒有可調(diào)性；第二種采用減速電機的方法，雖然有成熟的電機可以直接替換，但是需要重新設(shè)計連接緊固機構(gòu)，周期也相對較長，也沒有可調(diào)性；第三種利用變頻器設(shè)置基本頻率和柔性加減速參數(shù)來實現(xiàn)，此方法在機械上不需改動、電路上不需增加其他器件，只需將原繼電器控制的線路接到變頻器的輸入輸出，正反轉(zhuǎn)控制線路則接到原正反轉(zhuǎn)控制接觸器的輔助觸點。

通過比較不難發(fā)現(xiàn)，加裝變頻器的方案有實施周期短、備件費用低、操作簡單、有可調(diào)整性等諸多優(yōu)點，因此選擇利用變頻器來實施改造方案。

5.3 方案實施及效果

變頻器型號選擇為臺達VFD-M，安裝實景（圖7）。繼電器的控制線路接到變頻器的輸入輸出，原正反轉(zhuǎn)控制繼電器的輔助觸點接到變頻器正反轉(zhuǎn)信號。

圖7 變頻器安裝實景

反復調(diào)試設(shè)置最終確定主頻率為25.6 Hz，加速時間P10為0.5 s，減速時間P11為1 s，電機停車方式P02為00（恒減速剎車方式），主頻率設(shè)定源P00為04（由數(shù)字操作器上的旋鈕設(shè)定），停止時直流制動時間0.5 s，因為控制的電機為永磁機，永磁電機不存在勵磁線圈，所以控制模式P105設(shè)置為00（V/F控制、標量控制）。

通過此改造項目之后，機床換刀過程中刀盤直線運動最大速度降低為4.5 m/s，通過恒減速剎車方式使刀盤在接近兩端終點時速度降低至0，因此換刀過程振動大大減輕，機床刀庫故障率降低。

TH17

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〔編輯 吳建卿〕