数控龙门钻床研制管理论文
数控龙门钻床研制管理论文 当前由于电站设备、海水淡化、化工设备和空调等行业迅猛发展,这些行 业的板材需钻、扩成千上万甚至数万个孔。这些孔的公差及孔距均有相当高的要 求。一般钻床无论从速度、精度和效率均难以达到如此高的要求(孔公差为 ±0.05mm)。美国、日本等发达国家均研制多轴龙门钻床,而我国只有沈阳生产二 轴数控外排屑钻床。为了满足电站锅炉制造的需要,有关厂进口了多台数控龙门 钻床,每台高达数百万美元。为填补国内空白,上海精密机械制造有限公司,组织力 量研制成功27轴大型数控龙门钻床,其精度、效率均达到世界先进水平。该机床 可向二端延伸制成5轴，7轴，13轴,也可向高端35轴拓展(只有美国制造过)。1、ZKM27技术参数 钻轴总数量27 轴加工范围对φ30以下孔的定位,钻,扩,铰孔 工作台尺寸7500×5000mm 最大加工面积7000×4500mm X轴行程7000mm Z轴行程630mm Y轴行程400mm X轴伺服电机功率,扭矩14kW75Nm Z轴伺服电机功率,扭矩11kW75Nm Y轴伺服电机功率5.7kW 机床总功率150kW 数控系统FANUC―18I 2、结构特点2.1X轴行程 X轴驱动,由FANUCα50伺服电机,经1:10减速机增大扭矩,带动滚珠螺母旋 转,从而使十字拖板与龙门架在X向移动。由于工件体积宠大,沉重,大型数据龙门 钻床,均是工作台固定,龙门架移动式。
二个滑台由4组高精度直线导轨支承,龙门架跨距达6800mm,龙门架运动由 左右二台伺服电机严格同步。滚珠丝杠德国进口,内循环双螺母形式,丝杠长度达 9500mm,其中螺纹长7870mm。此滚珠丝杠的加工,热处理,磨削都有相当难度。螺 母转动,丝杠固定,大大减少了伺服电机所需的转动惯量与扭矩,也降低了对支承 滚珠丝杠轴承的精度要求。X轴行程的检测是由伺服电机轴所装的高精度位置编 码器来实现。数控系统对X轴进行了螺距误差补偿,保证钻孔精度≤±0.05mm。
2.2Z轴行程 钻头上下行程由二部分组成,一是横向整体上下移动,这是由二台α50伺服 电机完成的。二是主轴箱与钻头的上下运动,则是通过液压油缸带动主轴箱体而 完成。27轴，27个电磁阀,每一个电磁阀控制一个油缸上下。需钻孔时,数控程序 控制相应电磁阀,使油缸带主轴箱,钻头向下运动,使所需钻孔的钻头突出在外,然 后在Z向伺服电机驱动下,横向下运动,完成钻孔的动作。如果钻头钝化,断裂,钻削 力成倍增大,则会自动报警,横向停止下降,保证钻头安全可靠。横向上下由左右二 台α50Nm伺服电机,通过MF150SL11:10减速机,使滚珠丝杠DF1-8010-4旋转,横平 衡上下。FANUC18i使二个电机速度均衡,严格同步。因为横向和钻头切削负载的 不均衡性,横向左右两侧钻头多少不一,钻头横刃磨损程度不一等原因,为此在横 向的左,中,右设计有三只平衡油缸,达到负载随时均衡。
2.3Y轴行程 Y轴运动,是横向在十字拖板作左右移动。Y轴运动也是由伺服电机、减速 机带动滚珠丝杠转动,从而使横向移动。横向Y向移动由左右各三根直线导轨支撑。
整个横向Y向刚性较好，行程较短(400mm),从图中可知,只在左部装有伺服电机, 横向右部Y向只有支承导轨。经过大量工件切削性能试验,大跨距的龙门架移动平 稳,定位精度高,没有颤振现象。
2.4钻头的旋转运动 27个钻头分成4组,分别为7+7+7+6=27,每一组由一个Y180L-A22kW电动机通过减速箱变速,带动一组钻头旋转,钻头转速由减速箱手柄控制,有高、中、低多 档转速,以适应钻、扩、铰的需要。
本机床还有悬挂式吹气排屑系统和冷却系统。
本机床申请了多项国家专利,上报了科技成果奖。
3、数控系统及电气控制 ZKM27机床的所有动作都是由FANUC18i―MB数控系统来控制执行。就 目前而言,该数控系统是一种较为理想的先进的数控系统。它具有许多特殊功能 可以满足ZKM27机床的要求。从它具有AI提前预测控制功能来说，ZKM27有27 根钻轴需要高速连续控制,需要编制多条加工程序段来控制动作,如果采用以往的 加工方式,往往会影响到加工节拍,现 在能够预先读取多个加工程序段,实现钻削速度最佳的加/减速控制,有效 地提高了机床的加工速度和精度。此外它具有坐标系统旋转功能,当工件包含一 些由某一个典型形状旋转得来的图形时,在编程时,可以编一个该形状的子程序, 在旋转以后调用它,给工件的编程带来更多的灵活性。它还具有记忆型螺距误差 补偿功能,对丝杠螺距误差或机械系统中的误差进行补偿,补偿数据以参数形式储 存在CNC存储器中,为此能进一步提高机床的定位精度。另外我们还可以使用用 户宏程序/宏执行器编制各种加工程序,使一些复杂的加工程序变为简单易懂。
更重要的一点是它具有两组两轴同步运行的功能,尤其是它的伺服HRV控 制,通过旋转平滑的伺服电机,高精度的电流检测,高响应和高分辨率的脉冲编码 器等硬件和伺服HRV控制的有机结合,实现了高速高精度的进给控制,使ZKM27 中两轴的同步运动更为理想。
本机床的电气系统采用先进的设计理念和设计技术,充分结合人机工程学 原理,广泛应用CAD等现代化的设计手段和工具,使机床性能可靠,操作方便,控制 自如。
ZKM27采用了10.4嫉牟噬LCD液晶器显示,画面清楚。操作面板置于机床 的正前方,操作面板采用FANUC的标准面板,并注有图形符号和中文注译。调整进 给速度开关设置在面板上,操作者可以根据切削加工过程中的实际情况修正切削 参数,以便取得最佳的切削效果。调整参数有: 快速进给修正量:F0，10，50，100%4种。
工作进给修正量:0，1，2，.，200%16种。
大型的数控设备被广泛地用于各种机械加工领域,为了满足加工一些大体 积,高精度的零部件需要。使用一些大型龙门式和桥式的数控设备,在使用中为了 避免加减速运动过程中因扭矩不同而对龙门架或桥架造成的损害,往往采用了两 轴驱动的同步控制。所谓同步控制,就是用一个坐标的运动指令驱动一个主电机 从而带动一个从动电机同时运行,通过对这两个电机移动量的检测,将位移偏差反 馈到数控系统而获得同步误差补偿,将两个电机之间的位移偏差量控制在一个很 小的范围内。ZKM27是一种龙门式的大型机械设备,机床采用了两组同步控制的 运动轴,即X向轴和Z向轴,分别采用了FANUC中α50i伺服电机带动两根滚珠丝杆 组成的两组同步轴控制。机床经过调试之后,同步电机运行平滑,具有良好的动态 品质和控制精度。
在大型数控设备中,由于其功率较大,通断时电流突变很大,容易产生各种 干扰。ZKM27的设备采用了大量的防干扰措施。尤其是重视对来自电网的输入 干扰,采用了一定的措施,对异常输入起到保护作用。我们对本设备采用了单独电 网供电,防止其他设备的使用而引起电网内的干扰。另外我们还利用浪涌吸收器, 吸收来自本设备的电器元件的动作而产生干扰,同时又能够吸收输入系统的额外 噪声信息信号。对于一些功率较大的电动机，采用了星―三角形启动方式,以减 小启动电流。对常用的电机,我们采用了线间保护措施,从而有效地抑制了来自线 间的干扰。在电缆线分布中,我们严格的控制了信号线与动力线的混装,尽量减少 它们之间信号的串扰。FANUC伺服放大器与系统之间的联系采用了光纤(FSSB) 连接,这样又大大减少了系统对伺服间信号的干扰可能。
本机床的操作分为手动和自动两种操作方法。设备的调试和外围设备(冷 却,液压等)启动,可通过手动操作来实现,而机床的自动运行只有在自动方式下通 过程序来执行。27根钻轴调试可通过MDI方式来实行。手动操作和自动操作是互 相联锁的,在自动运行时,手动操作无效,从而可以避免由于操作失误,引起加工件 的损坏。
本机床除了X，Z两组同步轴联动之外,还有Y轴的左右移动，27根深孔钻 轴的上下移动,移动时的位置检测,还有深孔钻头的磨损检测等一切反馈信号应及时,正确。这一切全由PLC来实现。FANUC18i系统采用了SB7版本的PLC来编制。
其运算速度极快,可达到0.03μsec/步,而且容量可达64000步,这样完全能满足 ZKM27机床的动作复杂,要求高的需求。
数控装置具有许多功能,能显示机床的各种工作状态,如各坐标轴的目的位 置,现在位置,实际进给速度,机床的各种动作信号等等。一旦加工过程中出现故障, 自动停机并显示出故障内容,操作人员可立即分析原因,排除故障,这样就给维修 工作带来了很大的方便,也可减少设备的停机时间,提高机床的利用率。