电液仿形铣床的数控化改造
时间:2011-06-10 08:38:04 来源:未知
1 引言
DAU-150型仿形铣床，是日本牧野(MAKINO)公司70年代初生产的仿形加工设备。其仿形控制系统电路，是由分立电子元件组成的。由于年代久远，分立电子元件均已严重老化，故障频繁，且各种机械与电子元件根本无处购买，造成维修困难，已无法正常使用。我们应常柴股份有限公司要求，使用具有自主版权的华中Ⅰ型高性能数控系统，对该仿形铣床进行数控改造，使该机床既具有普通数控机床的功能，又具有仿形机床的功能，实现一机多用。
2 数控仿形加工的基本原理与系统构成
数控仿形测量和加工的基本原理如图1所示。数控仿形测量和加工的过程可以表述如下：数控仿形测量和加工，首先利用三维接触式或非接触式模拟测头检测实物模型的表面信息(主要指测头变形偏移量和它在机床坐标系中的坐标值)，然后由A／D转换电路把模拟量转换成数字量(有些数字化测头直接输出数字量)。仿形控制系统根据所测得的信息，按照仿形控制策略分配各个坐标轴的进给速度，并且把所分配的速度送给数控平台，由数控系统驱动各轴电机，完成仿形测量和加工的全部动作。因此数控仿形加工的控制过程可以概括为数据获取、数据处理、决策和控制四个阶段。
图1 数控仿形加工的基本原理
由于实物模型是各种各样的，我们需要根据不同的模型表面状况，采用不同加工方式和行刀路线。实践表明，如果数控仿形加工系统具备以下三种仿形加工方式，基本上就能够加工现代工业所需要的绝大多数型面。这三种方式是：一维行切仿形方式、二维层切仿形方式和三维清根仿形方式。在实际应用中，这三种仿形方式之间可以进行实时切换。
数控仿形加工系统是基于数控系统之上的设备集成，是数控测量与加工在软件、硬件上的集成化与一体化。数控仿形加工系统由数控系统、仿形测量系统和仿形控制软件系统三部分组成。
- 数控系统 这是整个系统的底层平台，仿形控制系统和仿形测量系统的所有动作，最终都必须通过数控系统才能实现。数控系统底层软件是DOS内存驻留程序，开机后通过运行批处理文件驻入内存。
- 仿形测量系统 测量是仿形的基础，因为仿形控制原理是检测头在X、Y和Z方向上的偏移量，分配X轴、Y轴和Z轴的进给速度。而且通过测量测点的坐标值，为后续的曲面建模或直接编制数控加工代码提供原始数据。仿形测量系统包括数字化测头、测头接口电路以及相应的采样程序。
- 仿形控制软件系统 测头在测量区域中按生成的路径运动时，需要解决测头对曲面的跟随性问题。也就是说，需要对测头的运动设计控制算法，使得测头在仿形运动过程中动态跟随曲面形状的变化，保证测头始终与型面接触，避免测头因变形过大而造成测头超程或变形过小而脱离型面。这是仿形控制软件系统的核心部分。
3 数控化改造方案与实施步骤
- 数控化改造方案
- 图2是DAU-105型仿形铣床的数控改造方案示意图。该方案采用工业计算机控制机床运动。计算机内插有伺服驱动控制板、I/O板、测头位移采样板，机床进给机构由X、Y、Z轴三个伺服电机驱动。I/O板用于检测与控制限位开关状态、操作面板旋钮状态、指示灯状态。当仿形加工时，测头位移采样板采集测头的变形量，用于控制仿形运动。显示器可实时显示测头或刀具的运动轨迹。采用华中Ⅰ型数控系统，将数控底层软件驻留内存。如果应用程序为普通数控解释程序，则该机床为普通数控铣床；如果应用程序为仿形控制程序，则该机床为数控仿形铣床。
图2 HNC-1P型数控仿形加工系统硬件结构示意图
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- 实施步骤
- 对于仿形铣床的改造，用户不仅要求保留原有的仿形加工功能，而且要求增加普通数控加工功能。针对用户要求和铣床的特点，数控改造分两个步骤进行。两个阶段的改造任务完成后，该机床不仅具有通用数控铣床的功能，而且具有仿形铣床的功能，实现一机多作。
- 第一阶段进行机床的数控化改造，使该机床成为一台数控铣床，具有数控加工能力。在原机床机械结构的基础上，采用华中Ⅰ型数控系统，取代原机床的电液控制系统。华中Ⅰ型数控系统基于PC总线工控机，提供数控测量所需的各种底层驱动和接口程序，三轴的理论分辨率为1µm，可以达到测量所要求的中等精度；使用西门子6140A交流伺服驱动单元和交流伺服电机，取代原X、Y、Z三轴的液压脉冲马达，并取消了庞大的伺服液压站；主轴电机采用变频调速方案，选用日本富士G9S变频调速器控制主轴的转速，取代原电磁离合器调速箱，实现主轴的无级调速。在图2所示的结构简图中，控制板由位置环板(4403)、光电隔离输入板(HC4103)、光电隔离输出板(HC4203)、键盘板(HX5501)等华中Ⅰ型数控系统的通用控制板组成。
- 第二阶段，进行仿形控制系统软件的安装及三维仿形测头的更换。原仿形测头由于超期使用，其精度及灵敏度都大大降低，已不能正常工作。而仿形测头是仿形机床的关键部件，它的性能对仿形加工质量有着重要的影响。我们换上了英国雷尼绍(RENISHAW)公司的SP2型仿形测头。为了实现仿形测头的数据采集，开发了仿形测头接口板。该接口板将仿形测头的变形量，由模拟信号变换为数字信号，提供给计算机读取。在系统软件方面，我们在华中Ⅰ型数控系统平台上，开发了仿形控制处理软件，实现了仿形测量与加工中测头对型面的跟随控制。
4 结论
由于华中Ⅰ型数控系统具有良好的开放性，非常便于开发与升级。经改造后的数控仿形铣床，可实现三种加工方式：数控加工、边仿形边加工和边仿形边记录数据。该机床还具有比例缩放功能、阴阳模转换功能、加工断点保护及恢复功能、螺距间隙及补偿功能等。改造后的仿形铣床界面清晰、仿形精度和速度明显提高。如能换上进口刀具，效果将更加突出。仿形铣床的改造成功为常柴赢得了显著的经济效益。一年来，该机床已完成了十几套模具的加工。目前，该机床满负荷开动，为企业上等级、上品种、加快新产品开发创造了条件。