基于中達電通自動化平臺的車銑復合加工機床解決方案

分類：解決方案日期：2008-01-29 00:00:00

摘要：本文討論如何利用中達電通PUTNC-HCL-T加強型車床數控系統，并配合臺達 ASD系列交流伺服系統、臺達VFD-VE系列高性能磁束向量控制交流變頻器、CS7主軸專用編碼器的一體化控制平臺解決方案來實現經濟型車床向具有車、銑復合加工功能中高端車削中心的功能轉變。
關鍵詞：CNC復合加工經濟型車床車銑復合主軸C軸功能
1 引言
　　隨著機械冷加工領域零件產品的多樣化少量化以及日趨復雜化，金屬切削制造業對能夠加工出高質量、高精度、高效率、低成本產品的CNC（計算機數控）機床的需求日益增加。同時作為數控機床制造商，如何在現有生產能力的基礎上能夠簡單、實用、高效、經濟地生產出具有復合加工能力的CNC機床，在日趨激烈的市場競爭中求得生存并發展，也是產品研發的主要目標和方向。為此機床的設計與制造者們一直在做出不懈的努力。

2 CNC復合加工技術
　　一個零件產品的生產，通常需要多道工序方能完成，不同的工藝方法有著不同的加工原理和特點，不同的加工工序有著不同的加工目的和要求，因此它們各自需要用著不同的加工設備來實現。
　　在傳統的制造工藝中，一個零件的制造往往就需要有多種、多臺不同的加工設備來完成。這不僅增加了設備的臺數和生產廠房的占地面積，從而增加了企業的投入，而且由于生產過程中零件需在工藝和工序設備間等待、運輸、檢查和重新定位裝夾等因素，既影響加工精度，也必然增加了不少生產輔助時間。統計表明，這部分非加工時間將占到零件生產總周期的70%~95%左右，從而大大地制約了生產效率的提高。
　　隨著金屬切削制造業蓬勃發展，對于傳統加工方式，甚至是使用普通的分散式CNC加工方式都可能已不能滿足機床用戶對復雜零件的加工要求。取而代之的就是把不同加工技術集中在同一臺機床上完成的集約式的復合加工方式，并已成為未來機床發展的重要方向。
　　CNC復合加工就是把幾種不同的加工工藝，放在同一臺數控機床上來實現零件的加工，例如在一臺數控機床上可以進行車削加工、銑削加工、鉆孔加工等。CNC復合加工是近年來金屬切削加工領域中最流行的先進制造技術之一。具有復合加工能力CNC機床的最大的優點就是能夠通過一次零件裝夾，即可實現零件多種不同工藝的加工，從而達到減少機床和夾具，免去工序間的搬運和儲存，提高零件加工精度，縮短制造周期和節約作業面積的目的，為使用者帶來效益。
　　根據圖1展示燃氣具燃燒噴嘴零件加工圖，傳統的加工方式需要下3道基本加工工序方能完成：使用CNC車床或者小型液壓仿形車床來加工外圓輪廓；使用鉆床安裝分度卡盤或者專用夾具實現來分度鉆孔；使用鉆床安裝專用的快換夾頭來實現側面的鉆孔和攻絲。
　　而在具有復合功能的CNC車床上生產時，通過一次工序裝夾，簡單的NC編程就能方便快速的實現上述所有加工步驟，極大的提高了加工效率。

圖1 燃氣具燃燒噴嘴

3 車銑復合功能的實現以及和經濟型CNC車床的差異
3.1 機械結構的差異
　　以車削為基礎的CNC復合加工車床，通常是以普通CNC數控車床為基礎，配以一個多個工位的刀架和動力旋轉刀具發展而成，加工對象主要是軸類、盤套類等回轉體零件。除主要進行車削加工外，還可以進行部分的銑削、鉆孔和攻絲等加工。為了實現在一臺車床上通過一次裝夾，便可對回轉體零件進行全部或大部分的加工，因此在它車床的床身上，除了可以安裝一般的車削刀具外，還要具有能夠安裝上銑刀、鉆頭和絲錐等旋轉的輔助動力裝置，這點是具有車、銑復合功能CNC車床機械結構上區別于經濟型車床的顯著特征。
3.2CNC控制系統的差異
（1）C軸功能。對于具有車、銑復合功能CNC車床，它控制系統的主軸通道，除了能夠執行S代碼主軸的功能，控制機床主軸變速旋轉外，還要能夠實現機床主軸可以精確分度的C軸功能和C與Z軸、C與X軸的聯動功能。具有這樣復合功能CNC車床不僅可以像普通數控車床那樣能對回轉體零件的內外表面（含圓柱面、錐面、曲面等）、端面進行車削加工，還可以利用C-Z軸聯動功能車螺紋，利用C軸分度功能和X或Z軸上安裝的動力旋轉刀具進行偏離回轉體零件中心線的鉆孔和銑削加工，從而大大地擴展了數控車床復合加工的能力。
（2）多軸的控制能力。標準的經濟型的CNC車床通常配置1路主軸通道（伺服主軸或者變頻器主軸）和2路伺服進給軸通道（X軸、Z軸），而具有車、銑復合功能CNC車床，還需要增加輔助動力裝置來實現鉆孔和銑削加工，因此就需要控制器能夠提供更多的伺服軸通道（如A軸、Y軸）來控制輔助動力裝置，滿足控制的要求，如圖2所示。

圖2多軸加工

4 基于中達電通自動化平臺的車銑復合加工解決方案
　　綜合上述的分析，我們了解到從經濟型車床向具有復合加工能力的CNC車床的轉變是需要在機床電氣控制架構和機械設計兩個方面同時入手來滿足的要求的，對于后者因為每個機床制造商的機臺設計不盡相同，而利用中達電通CNC系統的PLC的開放性完全可以滿足不同的機械設計需求，本文對機械部分不再做討論，主要介紹中達電通在電氣控制方面能夠提供的整體解決方案。
　　機電自動化產業制品豐富的中達電通除能夠提供PUTNC-H4CL-T加強型車床數控系統來滿足具車、銑復合功能的CNC車床的控制要求外，還能夠提供臺達 ASD系列交流伺服系統、臺達VFD-VE系列交流變頻器，CS7主軸專用編碼器等全套工業自動化產品來滿足電氣控制方面的需求，使機械制造商有能力在現有生產能力的基礎上能夠簡單、實用、高效、經濟地生產出具有復合加工能力的CNC機床，從而為機械制造商和最終用戶帶了更大的利益。
4.1CNC 控制系統介紹
　　基于金屬切削制造業對具有復合加工能力的CNC機床的市場需求和未來發展的技術趨勢，中達電通在2006年底將PUTNC-H4CL-T加強型車床數控系統推向市場（圖3）。創新設計的PUTNC-H4CL-T加強型車床數控系統采用了全新的硬體設計架構，完全繼承了中達電通數控系統的穩定性和操作易用性的特點，使其性能更加出色。
　　PUTNC-H4CL-T技術特點：

圖3 PUTNC-H4CL-T車床數控系統

（1）開放式的系統架構，內含嵌入式 PLC。 LCD界面可規劃，能夠滿足不同機械制造商的客制化需求。
（2）10.4寸彩色液晶顯示器，視野更大、更清晰。
（3）分體式操作平臺，使用更方便，操作更靈活。
（4）最大控制伺服通道數：4路伺服軸（X、Z、Y、A）。
（5）主軸控制通道數：可以控制1路伺服主軸或變頻主軸，主軸控制具有S主軸功能和C軸任意角度分度功能。
（6）車、銑一體機的設計理念，能夠實現C與Z軸、C與X軸的聯動功能，可以進行螺旋槽銑削，高精度螺紋加工等豐富加工功能。
（7）配合銑刀、鉆頭和絲錐等旋轉的輔助動力裝置能夠實現剛性攻絲、、X軸向鉆孔、Z軸向鉆孔、偏心剛性攻絲等復合加工功能。
4.2CNC系統的參數配置
　　使用PUTNC-H4CL-T車床數控系統的參數界面，機床制造商可以方便的通過相應參數配置來實現主軸機能和輔助動力頭功能，而無須對CNC的PLC程序進行編輯。從而可以更輕松的構建CNC車床復合加工所需各項控制機能，如圖4所示。

圖4數控系統的自動界面和主軸參數配置界面

4.3CNC車床復合加工的NC編程
　　對于PUTNC-H4CL-T車床數控系統，系統已經開發了專用的NC指令代碼，可以方便的控制主軸分度、輔助動力頭旋轉、實現剛性攻絲、、X軸向鉆孔、Z軸向鉆孔、偏心剛性攻絲等復合加工功能。表1列舉了常用的NC指令代碼。
表1 復合加工常用NC編程代碼

5 臺達 ASD系列交流伺服系統
　　臺達ASD-A系列進階型交流伺服系統和ASD-B標準型交流伺服系統是臺達電子分別于2003年和2005年面向市場推出的2款主流伺服產品，能夠全方位滿足工業用戶的需求，特別在CNC機床的應用上性能表現更加優異。
　　臺達伺服針對于CNC機床領域特點：
（1）內建完整的三種（位置 / 速度 / 轉矩模式）基本控制機能，可以方便的和上位控制器連接。
（2）動態響應性好，伺服整定時間1ms、空載狀態下-3000RPM~3000RPM的加速時間10ms。
（3）PDFF（ Pseudo-Derivative Feedback and Feedforward）強健式控制架構相應更快速、對外部干擾有更強的抑制補償能力，從而能夠保證車刀切削瞬間,或者其它外力突然介入時，伺服定位或定速被影響很少，如圖5所示。
（4）伺服的自動增益調整功能，能夠自動評估負載情況并合理設置伺服增益，從而使伺服調試更簡單、更快捷，且伺服定位更精準，無超越量和加速度過沖。

圖6 圖5PDFF控制架構
圖5 PDFF強健式控制架構
（5）提供共振抑制功能和低通濾波器功能，能夠有效彌補機械的不足和缺陷。
（6）臺達ASD-A系列進階型交流伺服系統更具有分度定位功能，配合CNC系統PLC的I/O規劃能夠輕松實現伺服刀庫控制，參見圖6。

圖 6 ASD-A系列內置的伺服分度功能

6 臺達VFD-VE系列高性能磁束向量控制交流變頻器
　　臺達VFD-VE系列是2007年為滿足高端市場推出的一款全新產品，其頻率輸出范圍為0~ 600 Hz，而V2H型的輸出更高達3600Hz，完全能夠滿足CNC機床高速主軸的控制需求。利用獨特位置控制功能，配合H4CL-T系統的C軸機能亦可實現主軸任意角度分度功能。
　　VFD-VE系列交流變頻器特點：
（1）內置V/F，向量控制。轉矩控制，以及位置控制功能。
（2）頻率輸出范圍為0~ 600 Hz，高端機型的輸出更高達3600Hz。
（3）速度控制精度：FOC+PG閉回路控制，可達+/-0.02%。
（4）低速力矩：0.5HZ可達150%。
（5）可做馬達參數和負載慣量估測以及高速弱磁曲線估測功能。
（6）機械煞車控制功能、瞬時停電時減速功能。
（7）馬達溫度回授保護（PTC）功能。
7 臺達CS7主軸專用編碼器
　　CS7主軸專用編碼器特點：
（1）最高適應轉速高達8000RPM，最高相應頻率為300kHZ。
（2）機構設計能夠適應重負載工作環境，耐震動，耐高溫。
（3）航空接頭，防護等級為IP65,適用于高油氣環境。
（5）模塊化設計，多種規格可選，可靠性高。
8 結束語
　　復合加工技術是未來CNC機床發展的重要方向。中達電通量身定度的整體自動化解決方案，對于機床制造商而言完全能夠滿足經濟型機床向具有復合功能中高端機床的功能轉變。讓機床制造商能夠尋找到更高的目標市場，產品更具有競爭力。
　　對于機床最終用戶而言，應用了復合加工技術的CNC機床，結合中達電通控制系統的穩定性和易用性，生產工藝也將由傳統分散式生產轉變為先進集約式生產方式，產品質量和零件的制造周期也將有“質”和“量’的飛躍,從而為其創造出更大的效益。顯而易見，由于解決方案集成了單一品牌自動化平臺，使得基于中達電通CNC機床的最終用戶容易獲得設備生命周期總擁有利益TB0(Tota1Benefit 0f 0wnerShip)最大化的經濟技術特點。