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基於（yú）德國巨浪ＤＺ１８Ｗ數控機床的升級改造

2021-4-22 來（lái）源：中山市技師學院作者：林建滿

摘要：如何合理利用改造技術將老舊數控機床進行升級優（yōu）化，是當下需迫切解決（jué）的問題。以德國巨浪ＤＺ１８Ｗ數控機床為例，結合當前最新數控（kòng）係統功能進行升級（jí）改（gǎi）造（zào）。闡述了該（gāi）設備在改（gǎi）造過程中存在的優缺點及技（jì）術難（nán）點，從數控係統、外圍電器控製、部分機械結構３方麵進行改造，實現了高速高精的數控機床要求（qiú）。在工（gōng）作（zuò）效率上（shàng）較改造前的設備提升了約３０％，設備故（gù）障率降低了約８５％，有效提升（shēng）了機（jī）器的整體性能，提高了生產效率，創造了經濟效益（yì）。

關鍵詞：數（shù）控機床；升（shēng）級改造；高速（sù）高（gāo）精

０引言

自２０世紀９０年代以來，我國（guó）廣泛購買和（hé）引進國外數控類加（jiā）工中心或（huò）專機，用於加工生（shēng）產，提高產品的質量及生產效率。這些機器經過（guò）近３０年的使用，或年久失修，或幾經易手，機器（qì）的電氣部分（fèn）已是老化或殘缺不全，致使故障頻繁（fán），不但維修成本急劇上升，而且（qiě）生產效（xiào）能已顯著下降（jiàng），整（zhěng）機呈（chéng）被淘汰趨勢。但（dàn）是（shì），這些國外進（jìn）口機（jī）器在結（jié）構設計（jì），機械鑄件和裝配方麵，依然有著行（háng）業較高水平。隨著計算機科學、

電子電路、電機學等的快速發展（zhǎn），數控係統（tǒng）也在（zài）飛速發展，其中ＮＣ控（kòng）製、伺服（fú）控製、算法、電機等與之前的數控係（xì）統（tǒng）相比，更不可同日而語（yǔ）。因此，本文（wén）通過更換新（xīn）一代的數控係統，對舊（jiù）的進口（kǒu）數控加工（gōng）中心進行升（shēng）級改造，改變舊機器電氣老化、故障繁多導致維修（xiū）成本上升、效能（néng）下（xià）降（jiàng）的不良情況，保留較高水平的機械（xiè）結構，從而提高舊型機床的（de）生產效能，為企業創造更高的經濟效（xiào）益。

１、功能分析與係統選型

１.１舊數控機床的現狀和功能分析（xī）

德國巨浪ＤＺ１８Ｗ加工中心如圖１所示，外觀較為陳舊，但依舊不掩蓋其高速機的優良設計特點，雙主軸配套雙刀庫和交換工（gōng）作台，可以快速裝夾工件和批量進行產品的（de）加

工。這款（kuǎn）機器在企（qǐ）業內主（zhǔ）要用於高速的零件銑削和鑽孔攻絲。

圖１　舊（jiù）的進口加工中心

１.２加工中心存（cún）在的缺點和優點

這款加工中心購（gòu）買使用已有２０多年，主要功能可以實（shí）現，但容易出現故障（zhàng）使得生產停機。缺點如（rú）下：

（１）電氣元器（qì）件老化，工（gōng）作不穩定，設備可靠性下降，影響生產；

（２）機器已過保（bǎo）修期，進口機（jī）器維修難，且維（wéi）修費（fèi）用很高；

（３）電氣元件較老，多數已不生產，維修用的元器件采購成本高；

（４）機器（qì）故障，廠家在國外，維修周期長，停機時間久，沒（méi）保障；

（５）數控係統年（nián）代久遠，與新係統相比（bǐ），功能不強大，與廠家同機型的最新款相比，機器整體效能低。

這些缺點，使得繼續使用此款機器的成本高，經濟效益低。優點如下：

（１）緊湊特殊的雙主軸結構，有利於快速生產；

（２）交換工作台的設計（jì），使得（dé）一邊加工的同時，另一工作台可進行工件的裝夾，在（zài）工廠進行智能升級時，可完美配套機械手，在（zài）加工（gōng）的同時進行工件的安（ān）裝或者拆卸，為後續的智能生產（chǎn）提供了良好基礎；

（３）整機結（jié）構設計理念超前，同（tóng）廠同機型的最新款（kuǎn）依然沿用這種結構設計。

綜上所述（shù），如果能在保留優良設計結構的基礎上，對係統等（děng）電氣部分進行升級改造，那麽將使這台機器重（chóng）新煥發光彩，為企業帶來良好的經濟效益。

１.３機床功能分析和升級改造

這台加工中心（xīn）的改造重（chóng）點在於（yú）係統電氣部分和少量的機械外圍部（bù）分，而保留原有的超前機（jī）械結構設計。對機床（chuáng），分機械、控製、外圍三大方麵進行分析。

１.３.１控製部分

機床有Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸３個進給軸，２個主軸，２個刀庫和交換工作台。交換工作台（tái）旋轉（zhuǎn）由１個伺服電機和１套液壓裝置控製。

（１）進給（gěi）軸（zhóu）。立式加工中心結構（gòu）的三軸進給，對比現在的機器，進給速（sù）度較慢，效率相（xiàng）對（duì）低。

改造辦法：采用新型伺服電（diàn）機進行改造，並配以（yǐ）較大螺距的絲杆以（yǐ）提升進給速（sù）度，提（tí）高加工效率。

（２）交換工作（zuò）台。轉台機械（xiè）性能（néng）良好，但液壓站使用年（nián）份（fèn）已久，很多檢測元件容易出現（xiàn）不穩定，從而發生故障。

改（gǎi）造辦法（fǎ）：采用新型伺服電機替換原有轉台的電機。對控製轉台的液壓站進（jìn）行整體更換。

（３）雙（shuāng）主（zhǔ）軸。兩個主（zhǔ）軸同時進行剛性攻絲、鑽（zuàn）孔（kǒng），以及同轉速銑削的工藝。隨著加工工藝的發展，主軸轉（zhuǎn）速不高的情況較難滿足現在使用要求，效（xiào）率欠缺（quē）。

改造辦法（fǎ）：根據企業現（xiàn）在最新的加工工藝，重新選擇（zé）主（zhǔ）軸電機（jī），並配高（gāo）速主軸，以滿足（zú）現在（zài）工藝的高精高效的要求。

對於兩個主軸同時進行剛性攻絲、鑽孔的工藝，可以采用Ｆａｎｕｃ係統的“主軸簡易同步控（kòng）製”功能。主軸簡易同步控製可以將２個主軸作為主控主軸、從控主軸予以（yǐ）結合，以使得剛性攻絲、通常的主軸旋轉控製隸（lì）屬（shǔ）於主控主軸的控製的形式。這個功能（néng）可以在Ｍ係列的串行主軸上進行使用。主軸簡易（yì）同步控（kòng）製中的指令，它對主控主軸的指令同樣對從控主軸也有效。

隨著工藝（yì）的發展和變化，需要增加考慮一些人性化操作，如一個主軸出（chū）現故障進行維修時，可以很簡單地讓另一個主軸（zhóu）進行動作，避免機（jī）台停機，造成（chéng）影響。

（４）雙刀庫控製。可以配合２個（gè）主軸同時進行換刀，但很大部分的換刀（dāo）邏輯都在（zài）ｐｍｃ內處理，一旦換刀出現錯亂和故障後，取消報警和恢複刀庫動作等較為繁瑣且有難度。

改造辦法：重新編輯刀庫（kù）的順序控製程（chéng）序，並加以簡化，以降低維（wéi）修難度。

１.３.２機械部分（fèn）

整體的（de）設計結構和機（jī）床主體不改變。對常出現故障的局部進行改造。

（１）主軸。這是最常使用的部件，易出故障，且之前的設計轉速無法（fǎ）達到現在的工藝要求。

改造辦法：更換（huàn）為目前國（guó）內較為常見的高速主軸。

（２）三軸絲杆。易出故障，且之前的設計（jì）速度滿足不了現在的使用要求。

改（gǎi）造辦法：更換為市場較常見的絲杆，同時加（jiā）大螺距，以提高進給速度。

（３）刀庫。使用已久，換刀執行部件和檢測元件質量（liàng）老化下（xià）降，舊刀庫的設計邏輯繁瑣。

改造辦法：采用常見的高速刀庫（kù）進行更換，同時提高換刀效率。

１.３.３外圍電氣（qì）部分

電氣元件使（shǐ）用時間久，線材老化等，都使得電器質量下（xià）降，靈敏度降（jiàng）低，容易出現誤動作，產生報警故障。采用新電氣元件（jiàn）和線材替代舊品的辦（bàn）法進行改造。

２、方案實（shí）施

２.１控（kòng）製部分的升級改造（zào）

２.１.１係統的整體配置

根據（jù）機床原有電機規格和改造的功（gōng）能要求和（hé）性價比等因素（sù），選擇（zé）了Ｆａｎｕｃ公司的０ｉＭＤ係統，選擇配置了主軸簡易同步控（kòng）製功能，以及最新的（de）ＮＣ軟件和（hé）伺服軟件。配套具有高速響應的ａｉ係列的伺服驅動和伺服電機，使得在滿足（zú）機台原有功能的基礎上，又能提升了整體的控製性能，達到（dào）先進應

用行列。升級整體（tǐ）配（pèi）置：控（kòng）製係統為０ｉＭＤ；驅動器為ａｉＰＳ５５＋ａｉＳＰ２２＋ａｉＳＰ２２＋ａｉＳＶ８０／８０＋ａｉＳＶ４０／４０；伺服電（diàn）機為ａｉＦ８／３０００＋ａｉＦ８／３０００＋ａｉＦ１２／４０００＋ａｉＦ１２／４０００；主軸電（diàn）機為ａｉＩ１５／１２０００。采用新配置，使得（dé）主軸電機的轉速從原（yuán）來的８０００ｒ／ｍｉｎ提升到了１２０００ｒ／ｍｉｎ，伺服電機的轉速最（zuì）高提到了４０００ｒ／ｍｉｎ。

舊係統的電（diàn）流（liú）控（kòng）製為ＨＲＶ１控製，此次選配的０ｉＭＤ係統采用了新一代伺服控製理念，高速電流響（xiǎng）應采用了ＨＲＶ３控製，大大提高了伺服響應，使得機器的高速高精度控製變成了可能。絲杆的螺距從原來的（de）１０ｍｍ提升到Ｘ軸和Ｙ軸為１２ｍｍ，Ｚ軸為１６ｍｍ。這樣，Ｘ／Ｙ軸的速度提高到了（le）３６ｍ／ｍｉｎ；而Ｚ則提高到了（le）４８ｍ／ｍｉｎ。相（xiàng）比原來ＸＹＺ三軸均為２４ｍ／ｍｉｎ的移動速度，改造後整體速度提高了約（yuē）６６％，可與目（mù）前進口機器的速度相比（bǐ）。變換絲杆後需設置與（yǔ）指令、檢（jiǎn）測、齒輪比之類（lèi）的伺服參數，以使得機器得以精確平穩地運行。以Ｚ軸為例（lì），設置如表１所示（shì）。

表１Ｚ軸基本伺（sì）服參數設（shè）置

２.１.２主軸控製

新（xīn）一代的主軸驅動和主軸（zhóu）電機，在主軸（zhóu）指令的響應上以及轉速上有（yǒu）很大提升，剛性攻絲和銑削能力也加強。雙主軸采用的主軸簡易同步控製，在滿足功能和參數設（shè）置（表２）的前提下，通過（guò）輔助功能代碼（Ｍ代碼（mǎ））觸（chù）發主軸簡易同步控製信號來（lái）實（shí）現，主軸簡易同步控（kòng）製信號為Ｇ６４＃６（ＥＳＲＳＹＣ），這樣可簡單進行（háng）主軸簡易同步控製的開啟與閉合。

表２　主軸簡易同步控製的主要參數

簡單起見，通過對主控（kòng）主軸進行指令的方式來實現主軸（zhóu）的速度（dù）旋轉控製（zhì）與剛性攻絲控製（zhì）。雙主軸的主軸定向，則（zé）考慮了配合（hé）刀（dāo）庫是單側還是雙側同時換刀的方式進行調試。在日常使用和維護中，需要在非同步控製狀態下進行，比如在工（gōng）件對（duì）刀時需分別旋轉主軸來對刀等。所以通（tōng）過不同的Ｍ代碼來執行不同的狀態，如表３所（suǒ）示。

表３　雙主軸使用的Ｍ代碼

２.１.３雙刀庫（kù）控（kòng）製

重新編輯了雙刀庫的順序控製程序。一（yī）方麵簡化了刀（dāo）庫的使用信息提示和不必要的報警信息，另一方麵利用係統提供的宏程序（xù）與ＰＭＣ的接口（kǒu）信號，不（bú）再把所有的邏輯都在ＰＭＣ內處理，而是以宏程序與ＰＭＣ相結合的方式進行。使用係統標準配置的Ｍ代碼調用子程序和輔助（zhù）功能，簡單便（biàn）捷。

（１）刀庫實現功能

提供不同時的（de）單側換刀功能，兩個刀庫可以單獨與對應的主軸進行換刀；提供（gòng）雙側同時對（duì）應主軸進行換（huàn）刀的功能。

（２）宏程序的（de）調用功能

使用“利用Ｍ代碼進行（háng）的子程序（xù）調用”簡單實現換刀（dāo）程（chéng）序的調用。通過事先在參數中設定一個調用（yòng）子程序的Ｍ代碼，即可調用子宏指令Ｏ９００１～Ｏ９００９。這種使用Ｍ６調用Ｏ９００１子宏程序的方法（fǎ），在參數ＮＯ ６０７１中設定６。

（３）宏（hóng）程序與ＰＭＣ的接口地址應用（yòng）對係統（tǒng）變量進行賦值和讀（dú）取，來實現對接口信號的輸出和輸入。

（４）編輯宏（hóng）程序宏程序編輯如表４所示。

表４　換刀宏程序程序

２.２機械（xiè）部分和外圍的改造

在機械方麵，更換了市場上常（cháng）見的（de）容量為２４把刀的快速機械（xiè）手原盤（pán）刀庫，絲杆換（huàn）成較（jiào）大螺距（jù）的品牌絲杆。在外圍電氣方麵（miàn），對應更換（huàn）成西門子和施耐德品牌的接觸（chù）器等。

３、結束語

本文通過對舊（jiù）數控機床的升級改造（zào），保留了進口機器優良的結構設計和（hé）機械（xiè）特性；解決係（xì）統、電器（qì）和常用部件隱患較多的問題；大（dà）大降低了企業的（de）維護成本；改善了機（jī）器的操作性能，增加了人性化（huà）操作設（shè）計；大大提高了機器的生產效能，為企業創造良好的經濟效益（yì）。

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