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      摘　要：電氣改造工程的硬件設(shè)計(jì)工作與機(jī)床制造廠新設(shè)備的電器硬件設(shè)計(jì)工作有相似之處，也有較大的不同。最主要的不同是體現(xiàn)在設(shè)計(jì)電氣原理圖時(shí)控制要求來源的不同。新機(jī)床的控制要求來自機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部門的解釋。容易全面理解。而舊設(shè)備改造，輔以操作者口述的間接途徑，更多的是需要設(shè)計(jì)者從舊機(jī)床的原理圖及舊機(jī)床資料中自己讀出它的控制要求。

      1、　電氣改造工程執(zhí)行前的設(shè)備狀況

   
　　該設(shè)備是武漢江漢石油儀器儀表廠于上世紀(jì)九十年代初從德國進(jìn)口的精密加工機(jī)床。為工廠生產(chǎn)服務(wù)已近三十年的時(shí)間。由于企業(yè)管理完善，設(shè)備長時(shí)間得到保養(yǎng)，設(shè)備及附件的整體性能不錯(cuò)，完整程度比較高，而且設(shè)備機(jī)械部分的精度保持很好。在這些設(shè)備儀器上仍然可以寄加工出高精度的產(chǎn)品零件。但是設(shè)備畢竟時(shí)間久遠(yuǎn)，且受到空氣等腐蝕該設(shè)備在電氣控制部分上問題較多，有些問題還很嚴(yán)重。比如：數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)常不知原因的死機(jī)、黑屏。電柜內(nèi)的控制器件因老化經(jīng)常出現(xiàn)故障、機(jī)床電纜也老化破損嚴(yán)重導(dǎo)致產(chǎn)生誤動(dòng)作。由于設(shè)備電氣控制部分故障的原因經(jīng)常導(dǎo)致機(jī)床加工中斷、或產(chǎn)生不合格產(chǎn)品。再者時(shí)間久遠(yuǎn)，系統(tǒng)的備件供應(yīng)困難，維修費(fèi)用不斷增高。設(shè)備經(jīng)常處于停機(jī)待維修狀態(tài)。

     2　、設(shè)備電氣改造的可行性探討及數(shù)控系統(tǒng)的選型

　　鑒于該設(shè)備機(jī)械部分的良好狀態(tài)，加工工藝范圍也非常適合工廠生產(chǎn)產(chǎn)品的需求。與其將錢花費(fèi)在不斷增高的電氣備件維修上，不如一次性投入將包括數(shù)控系統(tǒng)在內(nèi)的所有電氣部分更換一新，恢復(fù)機(jī)床原有的全部功能。考慮到數(shù)控系統(tǒng)正常的使用周期一般在十年左右，在機(jī)械部分正常保養(yǎng)和使用的情況下，改造后設(shè)備在十年內(nèi)將不會(huì)有大的維修費(fèi)用支出。在不用投入很多費(fèi)用進(jìn)行機(jī)械翻新的前提下，進(jìn)行或不進(jìn)行電氣改造的判斷就很容易的被得出了。

　　使用什么品牌的數(shù)控系統(tǒng)及其配套產(chǎn)品來替換原有的產(chǎn)品，我們進(jìn)行了較長時(shí)間的思考。原因有很多方面，首先我們希望使用具有良好穩(wěn)定性的名牌進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)，因?yàn)橛布目煽啃院头€(wěn)定性是第一位的。其次在系統(tǒng)的編程及使用上，要求能與舊的數(shù)控系統(tǒng)在功能上相匹配，如：自動(dòng)選擇切入、切出封閉輪廓的軌跡編程，擁有在鉆孔方向自動(dòng)遞減的深孔鉆削循環(huán)，擁有多種組合形狀和加工順序的陣列孔加工等先進(jìn)功能。其次要與其他配套產(chǎn)品的配套可靠性要好，性能發(fā)揮充分。如：數(shù)控系統(tǒng)同伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及電機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)同位置測量系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)與可編程控制器等。最后整體配套費(fèi)用也應(yīng)是被考慮的因素。綜合幾方面的情況，也有對同樣是德國制造的信任，我們經(jīng)過不斷對比分析，最終選擇了德國海德漢公司生產(chǎn)的TNC 320 數(shù)控系統(tǒng)，該設(shè)備海德漢LS1378C 直線型光柵尺、內(nèi)裝型PLC 可編程控制器及ROD700 角度編碼器。配套日本安川公司生產(chǎn)的CIMR-F7M 系列的主軸驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)、安川生產(chǎn)的SGDM系列進(jìn)給軸伺服放大器及電機(jī)。

     3　、電氣改造工程的硬件設(shè)計(jì)

　　舊主軸的驅(qū)動(dòng)使用的是4KW 的雙速控制三相異步電機(jī)，用PLC控制的繼電器邏輯進(jìn)行電機(jī)的正/ 反轉(zhuǎn)、平滑啟動(dòng)、及快慢速控制。主軸換擋使用三個(gè)可正/ 反向旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械撥叉進(jìn)行齒輪級的切換。配合主軸電機(jī)的雙速控制，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工主軸40 到4000 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的21 級固定轉(zhuǎn)速變化。操作控制時(shí)操作者需在控制系統(tǒng)上對應(yīng)輸入21 個(gè)命令代碼，PLC 控制進(jìn)行電機(jī)的速度選擇及相應(yīng)檔位的切換動(dòng)作。

　　　由于舊主軸電機(jī)故障頻繁，維修費(fèi)用較高。再者這種輸入21 個(gè)命令代碼的操作方式也很繁瑣，不及現(xiàn)在流行的轉(zhuǎn)速直接輸入方式先進(jìn)。改造時(shí)我們首先選用了伺服驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)代替了舊的三相異步電機(jī)，提高了控制特性。其次由于機(jī)械結(jié)構(gòu)不易改動(dòng)的原因，齒輪切換的驅(qū)動(dòng)方式?jīng)]有改變，但由以前的21 級齒輪變換減少到3 級。在各級轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)利用驅(qū)動(dòng)器的變頻調(diào)速功能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，這樣由以前的21 級速度控制升級到范圍內(nèi)的全速度控制。最后，為了避免這種改動(dòng)造成主軸扭矩的損失，我們在兩個(gè)方面采取了相應(yīng)措施：經(jīng)數(shù)據(jù)測算優(yōu)化3 檔的分級范圍；經(jīng)數(shù)據(jù)測算選用更大功率的主軸電機(jī)。保證了主軸扭矩輸出在工作范圍內(nèi)不低于原有的指標(biāo)。

      4、　電氣改造工程的配線施工：

　　首先進(jìn)行的是舊數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)部分的拆除、舊伺服系統(tǒng)的拆除、電機(jī)的拆除、控制元器件的拆除、電柜配電盤的清理、機(jī)床外圍電纜電線的拆除等等清理工作。在清理工作的過程中有條件讓我們進(jìn)一步分析、理解原機(jī)床的設(shè)計(jì)控制思想，及時(shí)修改在設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的技術(shù)錯(cuò)誤。在這之后，開始進(jìn)行新系統(tǒng)的安裝、電機(jī)的安裝、位置檢測器件的安裝、控制元器件的安裝等工作。在中間不斷有需要根據(jù)現(xiàn)場情況，臨時(shí)做工藝技術(shù)調(diào)整的狀況。最后，進(jìn)行新系統(tǒng)各部分的電氣互連。由于電氣改造工程的獨(dú)特性，我們的設(shè)計(jì)資料不可能像新機(jī)床設(shè)計(jì)那樣出具非常全面的電氣互聯(lián)圖，也不可能出具機(jī)床電氣分部份詳細(xì)的接線圖。全部電氣圖紙以能滿足現(xiàn)場施工配線為目的。具體走線等電氣工藝問題需要現(xiàn)場施工人員憑經(jīng)驗(yàn)解決。

     5　、電氣改造工程的軟件調(diào)試

　　這是整個(gè)電氣改造工程最為重要的過程，先前所有的在技術(shù)上的準(zhǔn)備，都要在這個(gè)階段落到實(shí)處。機(jī)床參數(shù)要進(jìn)行精調(diào)，用以配合該機(jī)床的機(jī)械特性，產(chǎn)生最佳的加工效果。各種原機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)的功能都要一一調(diào)試出來，PLC 程序要進(jìn)行全面的修改和補(bǔ)充，所有碰到的技術(shù)問題都無法回避，必須依次徹底解決。具體講也可分為幾個(gè)階段：

　　（1）將機(jī)床調(diào)試成為普通銑床。各進(jìn)給軸應(yīng)能正常運(yùn)行，回零、限位保護(hù)都可實(shí)現(xiàn)，進(jìn)給軸在各種速度下運(yùn)行都應(yīng)平穩(wěn)。主軸換擋功能的實(shí)現(xiàn)，正/ 反轉(zhuǎn)平穩(wěn)，主軸動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)要進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)給軸的優(yōu)化，主軸的松緊刀控制，液壓系統(tǒng)的起停控制，導(dǎo)軌潤滑的定時(shí)控制等等。
 

　（2）在第一步的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將機(jī)床調(diào)試成為加工中心機(jī)床。實(shí)現(xiàn)主軸的定向功能，實(shí)現(xiàn)刀庫旋轉(zhuǎn)的回零功能、手動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能、自動(dòng)尋刀旋轉(zhuǎn)功能、換刀機(jī)械手地初始化、換刀機(jī)械手的手動(dòng)分解動(dòng)作、自動(dòng)換刀動(dòng)作的聯(lián)動(dòng)、與刀庫的換刀點(diǎn)調(diào)整、等等。

　　（3）將機(jī)床調(diào)整為全閉環(huán)控制。調(diào)整機(jī)床參數(shù)消除運(yùn)行震動(dòng)。調(diào)試機(jī)床附件、全閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺。調(diào)試機(jī)床加工冷卻系統(tǒng)。調(diào)試機(jī)床門開關(guān)與保護(hù)功能。

     6、　改造完成的驗(yàn)收和結(jié)果

　　該機(jī)床經(jīng)過電氣改造后，經(jīng)過多次試驗(yàn)順利完成了工廠內(nèi)部的全部驗(yàn)收工作，機(jī)床全部控制功能都已可靠地實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果用事實(shí)證明了最終電氣改造工作驗(yàn)收合格。現(xiàn)在該機(jī)床正在加工車間為工廠的產(chǎn)品生產(chǎn)可靠的服務(wù)著。