數控龍門鉆床研制管理論文

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當前由于電站設備、海水淡化、化工設備和空調等行業迅猛發展,這些行業的板材需鉆、擴成千上萬甚至數萬個孔。這些孔的公差及孔距均有相當高的要求。一般鉆床無論從速度、精度和效率均難以達到如此高的要求(孔公差為±0.05mm)。美國、日本等發達國家均研制多軸龍門鉆床,而我國只有沈陽生產二軸數控外排屑鉆床。為了滿足電站鍋爐制造的需要,有關廠進口了多臺數控龍門鉆床,每臺高達數百萬美元。為填補國內空白,上海精密機械制造有限公司,組織力量研制成功27軸大型數控龍門鉆床,其精度、效率均達到世界先進水平。該機床可向二端延伸制成5軸，7軸，13軸,也可向高端35軸拓展(只有美國制造過)。

1、ZKM27技術參數

鉆軸總數量27

軸加工范圍對φ30以下孔的定位,鉆,擴,鉸孔

工作臺尺寸7500×5000mm

最大加工面積7000×4500mm

X軸行程7000mm

Z軸行程630mm

Y軸行程400mm

X軸伺服電機功率,扭矩14kW75N•m

Z軸伺服電機功率,扭矩11kW75N•m

Y軸伺服電機功率5.7kW

機床總功率150kW

數控系統FANUC—18I

2、結構特點

2.1X軸行程

X軸驅動,由FANUCα50伺服電機,經1:10減速機增大扭矩,帶動滾珠螺母旋轉,從而使十字拖板與龍門架在X向移動。由于工件體積寵大,沉重,大型數據龍門鉆床,均是工作臺固定,龍門架移動式。

二個滑臺由4組高精度直線導軌支承,龍門架跨距達6800mm,龍門架運動由左右二臺伺服電機嚴格同步。滾珠絲杠德國進口,內循環雙螺母形式,絲杠長度達9500mm,其中螺紋長7870mm。此滾珠絲杠的加工,熱處理,磨削都有相當難度。螺母轉動,絲杠固定,大大減少了伺服電機所需的轉動慣量與扭矩,也降低了對支承滾珠絲杠軸承的精度要求。X軸行程的檢測是由伺服電機軸所裝的高精度位置編碼器來實現。數控系統對X軸進行了螺距誤差補償,保證鉆孔精度≤±0.05mm。

2.2Z軸行程

鉆頭上下行程由二部分組成,一是橫向整體上下移動,這是由二臺α50伺服電機完成的。二是主軸箱與鉆頭的上下運動,則是通過液壓油缸帶動主軸箱體而完成。27軸，27個電磁閥,每一個電磁閥控制一個油缸上下。需鉆孔時,數控程序控制相應電磁閥,使油缸帶主軸箱,鉆頭向下運動,使所需鉆孔的鉆頭突出在外,然后在Z向伺服電機驅動下,橫向下運動,完成鉆孔的動作。如果鉆頭鈍化,斷裂,鉆削力成倍增大,則會自動報警,橫向停止下降,保證鉆頭安全可靠。橫向上下由左右二臺α50Nm伺服電機,通過MF150SL11:10減速機,使滾珠絲杠DF1-8010-4旋轉,橫平衡上下。FANUC18i使二個電機速度均衡,嚴格同步。因為橫向和鉆頭切削負載的不均衡性,橫向左右兩側鉆頭多少不一,鉆頭橫刃磨損程度不一等原因,為此在橫向的左,中,右設計有三只平衡油缸,達到負載隨時均衡。

2.3Y軸行程

Y軸運動,是橫向在十字拖板作左右移動。Y軸運動也是由伺服電機、減速機帶動滾珠絲杠轉動,從而使橫向移動。橫向Y向移動由左右各三根直線導軌支撐。整個橫向Y向剛性較好，行程較短(400mm),從圖中可知,只在左部裝有伺服電機,橫向右部Y向只有支承導軌。經過大量工件切削性能試驗,大跨距的龍門架移動平穩,定位精度高,沒有顫振現象。

2.4鉆頭的旋轉運動

27個鉆頭分成4組,分別為7+7+7+6=27,每一組由一個Y180L-A22kW電動機通過減速箱變速,帶動一組鉆頭旋轉,鉆頭轉速由減速箱手柄控制,有高、中、低多檔轉速,以適應鉆、擴、鉸的需要。

本機床還有懸掛式吹氣排屑系統和冷卻系統。

本機床申請了多項國家專利,上報了科技成果獎。

3、數控系統及電氣控制

ZKM27機床的所有動作都是由FANUC18i—MB數控系統來控制執行。就目前而言,該數控系統是一種較為理想的先進的數控系統。它具有許多特殊功能可以滿足ZKM27機床的要求。從它具有AI提前預測控制功能來說，ZKM27有27根鉆軸需要高速連續控制,需要編制多條加工程序段來控制動作,如果采用以往的加工方式,往往會影響到加工節拍,現

在能夠預先讀取多個加工程序段,實現鉆削速度最佳的加/減速控制,有效地提高了機床的加工速度和精度。此外它具有坐標系統旋轉功能,當工件包含一些由某一個典型形狀旋轉得來的圖形時,在編程時,可以編一個該形狀的子程序,在旋轉以后調用它,給工件的編程帶來更多的靈活性。它還具有記憶型螺距誤差補償功能,對絲杠螺距誤差或機械系統中的誤差進行補償,補償數據以參數形式儲存在CNC存儲器中,為此能進一步提高機床的定位精度。另外我們還可以使用用戶宏程序/宏執行器編制各種加工程序,使一些復雜的加工程序變為簡單易懂。

更重要的一點是它具有兩組兩軸同步運行的功能,尤其是它的伺服HRV控制,通過旋轉平滑的伺服電機,高精度的電流檢測,高響應和高分辨率的脈沖編碼器等硬件和伺服HRV控制的有機結合,實現了高速高精度的進給控制,使ZKM27中兩軸的同步運動更為理想。

本機床的電氣系統采用先進的設計理念和設計技術,充分結合人機工程學原理,廣泛應用CAD等現代化的設計手段和工具,使機床性能可靠,操作方便,控制自如。

ZKM27采用了10.4吋的彩色LCD液晶器顯示,畫面清楚。操作面板置于機床的正前方,操作面板采用FANUC的標準面板,并注有圖形符號和中文注譯。調整進給速度開關設置在面板上,操作者可以根據切削加工過程中的實際情況修正切削參數,以便取得最佳的切削效果。

調整參數有:

快速進給修正量:F0，10，50，100%4種。

工作進給修正量:0，1，2，.，200%16種。

大型的數控設備被廣泛地用于各種機械加工領域,為了滿足加工一些大體積,高精度的零部件需要。使用一些大型龍門式和橋式的數控設備,在使用中為了避免加減速運動過程中因扭矩不同而對龍門架或橋架造成的損害,往往采用了兩軸驅動的同步控制。所謂同步控制,就是用一個坐標的運動指令驅動一個主電機從而帶動一個從動電機同時運行,通過對這兩個電機移動量的檢測,將位移偏差反饋到數控系統而獲得同步誤差補償,將兩個電機之間的位移偏差量控制在一個很小的范圍內。ZKM27是一種龍門式的大型機械設備,機床采用了兩組同步控制的運動軸,即X向軸和Z向軸,分別采用了FANUC中α50i伺服電機帶動兩根滾珠絲桿組成的兩組同步軸控制。機床經過調試之后,同步電機運行平滑,具有良好的動態品質和控制精度。

在大型數控設備中,由于其功率較大,通斷時電流突變很大,容易產生各種干擾。ZKM27的設備采用了大量的防干擾措施。尤其是重視對來自電網的輸入干擾,采用了一定的措施,對異常輸入起到保護作用。我們對本設備采用了單獨電網供電,防止其他設備的使用而引起電網內的干擾。另外我們還利用浪涌吸收器,吸收來自本設備的電器元件的動作而產生干擾,同時又能夠吸收輸入系統的額外噪聲信息信號。對于一些功率較大的電動機，采用了星—三角形啟動方式,以減小啟動電流。對常用的電機,我們采用了線間保護措施,從而有效地抑制了來自線間的干擾。在電纜線分布中,我們嚴格的控制了信號線與動力線的混裝,盡量減少它們之間信號的串擾。FANUC伺服放大器與系統之間的聯系采用了光纖(FSSB)連接,這樣又大大減少了系統對伺服間信號的干擾可能。

本機床的操作分為手動和自動兩種操作方法。設備的調試和外圍設備(冷卻,液壓等)啟動,可通過手動操作來實現,而機床的自動運行只有在自動方式下通過程序來執行。27根鉆軸調試可通過MDI方式來實行。手動操作和自動操作是互相聯鎖的,在自動運行時,手動操作無效,從而可以避免由于操作失誤,引起加工件的損壞。

本機床除了X，Z兩組同步軸聯動之外,還有Y軸的左右移動，27根深孔鉆軸的上下移動,移動時的位置檢測,還有深孔鉆頭的磨損檢測等一切反饋信號應及時,正確。這一切全由PLC來實現。FANUC18i系統采用了SB7版本的PLC來編制。其運算速度極快,可達到0.03μsec/步,而且容量可達64000步,這樣完全能滿足ZKM27機床的動作復雜,要求高的需求。

數控裝置具有許多功能,能顯示機床的各種工作狀態,如各坐標軸的目的位置,現在位置,實際進給速度,機床的各種動作信號等等。一旦加工過程中出現故障,自動停機并顯示出故障內容,操作人員可立即分析原因,排除故障,這樣就給維修工作帶來了很大的方便,也可減少設備的停機時間,提高機床的利用率。