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                 中達(dá)電通股份有限公司  伺服數(shù)控產(chǎn)品處 張廣偉

    摘  要：本文討論如何利用中達(dá)電通PUTNC-HCL-T加強(qiáng)型車床數(shù)控系統(tǒng)，并配合臺達(dá) ASD系列交流伺服系統(tǒng)、臺達(dá)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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型車床向具有車、銑復(fù)合加工功能中高端車削中心的功能轉(zhuǎn)變。
關(guān)鍵詞：CNC復(fù)合加工   經(jīng)濟(jì)型車床   車銑復(fù)合   主軸C軸功能
1       引言 
    隨著機(jī)械冷加工領(lǐng)域零件產(chǎn)品的多樣化少量化以及日趨復(fù)雜化，金屬切削制造業(yè)對能夠加工出高質(zhì)量、高精度、高效率、低成本產(chǎn)品的CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）機(jī)床的需求日益增加。同時作為數(shù)控機(jī)床制造商，如何在現(xiàn)有生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上能夠簡單、實(shí)用、高效、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出具有復(fù)合加工能力的CNC機(jī)床，在日趨激烈的市場競爭中求得生存并發(fā)展，也是產(chǎn)品研發(fā)的主要目標(biāo)和方向。為此機(jī)床的設(shè)計(jì)與制造者們一直在做出不懈的努力。
2       CNC復(fù)合加工技術(shù) 
    一個零件產(chǎn)品的生產(chǎn)，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(diǎn)，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(shè)備來實(shí)現(xiàn)。
在傳統(tǒng)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(shè)備來完成。這不僅增加了設(shè)備的臺數(shù)和生產(chǎn)廠房的占地面積，從而增加了企業(yè)的投入，而且由于生產(chǎn)過程中零件需在工藝和工序設(shè)備間等待、運(yùn)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(chǎn)輔助時間。統(tǒng)計(jì)表明，這部分非加工時間將占到零件生產(chǎn)總周期的70%~95%左右，從而大大地制約了生產(chǎn)效率的提高。 
    隨著金屬切削制造業(yè)蓬勃發(fā)展，對于傳統(tǒng)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(jī)床用戶對復(fù)雜零件的加工要求。取而代之的就是把不同加工技術(shù)集中在同一臺機(jī)床上完成的集約式的復(fù)合加工方式，并已成為未來機(jī)床發(fā)展的重要方向。 
    CNC復(fù)合加工就是把幾種不同的加工工藝，放在同一臺數(shù)控機(jī)床上來實(shí)現(xiàn)零件的加工，例如在一臺數(shù)控機(jī)床上可以進(jìn)行車削加工、銑削加工、鉆孔加工等。CNC復(fù)合加工是近年來金屬切削加工領(lǐng)域中最流行的先進(jìn)制造技術(shù)之一。具有復(fù)合加工能力CNC機(jī)床的最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠通過一次零件裝夾，即可實(shí)現(xiàn)零件多種不同工藝的加工，從而達(dá)到減少機(jī)床和夾具，免去工序間的搬運(yùn)和儲存，提高零件加工精度，縮短制造周期和節(jié)約作業(yè)面積的目的，為使用者帶來效益。 
    根據(jù)圖1展示燃?xì)饩呷紵龂娮炝慵�加工圖，傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)來分度鉆孔；使用鉆床安裝專用的快換夾頭來實(shí)現(xiàn)側(cè)面的鉆孔和攻絲。 
    而在具有復(fù)合功能的CNC車床上生產(chǎn)時，通過一次工序裝夾，簡單的NC編程就能方便快速的實(shí)現(xiàn)上述所有加工步驟，極大的提高了加工效率。

圖1  燃?xì)饩呷紵龂娮?
3        車銑復(fù)合功能的實(shí)現(xiàn)以及和經(jīng)濟(jì)型CNC車床的差異
3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的差異 
    以車削為基礎(chǔ)的CNC復(fù)合加工車床，通常是以普通CNC數(shù)控車床為基礎(chǔ)，配以一個多個工位的刀架和動力旋轉(zhuǎn)刀具發(fā)展而成，加工對象主要是軸類、盤套類等回轉(zhuǎn)體零件。除主要進(jìn)行車削加工外，還可以進(jìn)行部分的銑削、鉆孔和攻絲等加工。為了實(shí)現(xiàn)在一臺車床上通過一次裝夾，便可對回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)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(zhuǎn)的輔助動力裝置，這點(diǎn)是具有車、銑復(fù)合功能CNC車床機(jī)械結(jié)構(gòu)上區(qū)別于經(jīng)濟(jì)型車床的顯著特征。
3.2CNC控制系統(tǒng)的差異 
    （1）C軸功能。對于具有車、銑復(fù)合功能CNC車床，它控制系統(tǒng)的主軸通道，除了能夠執(zhí)行S代碼主軸的功能，控制機(jī)床主軸變速旋轉(zhuǎn)外，還要能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)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(lián)動功能。具有這樣復(fù)合功能CNC車床不僅可以像普通數(shù)控車床那樣能對回轉(zhuǎn)體零件的內(nèi)外表面（含圓柱面、錐面、曲面等）、端面進(jìn)行車削加工，還可以利用C-Z軸聯(lián)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(zhuǎn)刀具進(jìn)行偏離回轉(zhuǎn)體零件中心線的鉆孔和銑削加工，從而大大地擴(kuò)展了數(shù)控車床復(fù)合加工的能力。 
    （2）多軸的控制能力。標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)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(jìn)給軸通道（X軸、Z軸），而具有車、銑復(fù)合功能CNC車床，還需要增加輔助動力裝置來實(shí)現(xiàn)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(dá)電通自動化平臺的車銑復(fù)合加工解決方案 
    綜合上述的分析，我們了解到從經(jīng)濟(jì)型車床向具有復(fù)合加工能力的CNC車床的轉(zhuǎn)變是需要在機(jī)床電氣控制架構(gòu)和機(jī)械設(shè)計(jì)兩個方面同時入手來滿足的要求的，對于后者因?yàn)槊總�機(jī)床制造商的機(jī)臺設(shè)計(jì)不盡相同，而利用中達(dá)電通CNC系統(tǒng)的PLC的開放性完全可以滿足不同的機(jī)械設(shè)計(jì)需求，本文對機(jī)械部分不再做討論，主要介紹中達(dá)電通在電氣控制方面能夠提供的整體解決方案。 
    機(jī)電自動化產(chǎn)業(yè)制品豐富的中達(dá)電通除能夠提供PUTNC-H4CL-T加強(qiáng)型車床數(shù)控系統(tǒng)來滿足具車、銑復(fù)合功能的CNC車床的控制要求外，還能夠提供臺達(dá) ASD系列交流伺服系統(tǒng)、臺達(dá)VFD-VE系列交流變頻器，CS7主軸專用編碼器等全套工業(yè)自動化產(chǎn)品來滿足電氣控制方面的需求，使機(jī)械制造商有能力在現(xiàn)有生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上能夠簡單、實(shí)用、高效、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出具有復(fù)合加工能力的CNC機(jī)床，從而為機(jī)械制造商和最終用戶帶了更大的利益。
4.1CNC 控制系統(tǒng)介紹 
    基于金屬切削制造業(yè)對具有復(fù)合加工能力的CNC機(jī)床的市場需求和未來發(fā)展的技術(shù)趨勢，中達(dá)電通在2006年底將PUTNC-H4CL-T加強(qiáng)型車床數(shù)控系統(tǒng)推向市場（圖3）。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的PUTNC-H4CL-T加強(qiáng)型車床數(shù)控系統(tǒng)采用了全新的硬體設(shè)計(jì)架構(gòu)，完全繼承了中達(dá)電通數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操作易用性的特點(diǎn)，使其性能更加出色。
PUTNC-H4CL-T技術(shù)特點(diǎn)：

圖3 PUTNC-H4CL-T數(shù)控系統(tǒng) 

    （1）開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，內(nèi)含嵌入式 PLC。 LCD界面可規(guī)劃 ，能夠滿足不同機(jī)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(shù)：4路伺服軸（X、Z、Y、A）。 
    （5）主軸控制通道數(shù)：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(jī)的設(shè)計(jì)理念，能夠?qū)崿F(xiàn)C與Z軸、C與X軸的聯(lián)動功能，可以進(jìn)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(zhuǎn)的輔助動力裝置能夠?qū)崿F(xiàn)剛性攻絲、、X軸向鉆孔、Z軸向鉆孔、偏心剛性攻絲等復(fù)合加工功能。
4.2CNC系統(tǒng)的參數(shù)配置
使用PUTNC-H4CL-T車床數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)界面，機(jī)床制造商可以方便的通過相應(yīng)參數(shù)配置來實(shí)現(xiàn)主軸機(jī)能和輔助動力頭功能，而無須對CNC的PLC程序進(jìn)行編輯。從而可以更輕松的構(gòu)建CNC車床復(fù)合加工所需各項(xiàng)控制機(jī)能，如圖4所示。 

圖4數(shù)控系統(tǒng)的自動界面和主軸參數(shù)配置界面

4.3CNC車床復(fù)合加工的NC編程 
    對于PUTNC-H4CL-T車床數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)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(zhuǎn)、實(shí)現(xiàn)剛性攻絲、、X軸向鉆孔、Z軸向鉆孔、偏心剛性攻絲等復(fù)合加工功能。表1列舉了常用的NC指令代碼。
表1 復(fù)合加工常用NC編程代碼

NC代碼	執(zhí)行動作	NC代碼	執(zhí)行動作
S××	切換為主軸機(jī)能	M73 S××	打開輔助動力頭1
M50	切換為C軸機(jī)能	M75	關(guān)閉輔助動力頭1
M51	切換為主軸機(jī)能	M63 S××	開啟輔助動力頭2
G15 R××	主軸絕對值分度	M65	關(guān)閉輔助動力頭2
H××	主軸增量值進(jìn)給	G83 …..D××	循環(huán)鉆孔功能
G01F××C××	C軸插補(bǔ)分度	G84 …..D××	循環(huán)攻絲功能

    5       臺達(dá) ASD系列交流伺服系統(tǒng) 
    臺達(dá)ASD-A系列進(jìn)階型交流伺服系統(tǒng)和ASD-B標(biāo)準(zhǔn)型交流伺服系統(tǒng)是臺達(dá)電子分別于2003年和2005年面向市場推出的2款主流伺服產(chǎn)品，能夠全方位滿足工業(yè)用戶的需求，特別在CNC機(jī)床的應(yīng)用上性能表現(xiàn)更加優(yōu)異。 
    臺達(dá)伺服針對于CNC機(jī)床領(lǐng)域特點(diǎn)： 
    （1）內(nèi)建完整的三種（位置 / 速度 / 轉(zhuǎn)矩模式）基本控制機(jī)能，可以方便的和上位控制器連接。 
    （2）動態(tài)響應(yīng)性好，伺服整定時間1ms、空載狀態(tài)下-3000RPM~3000RPM的加速時間10ms。 
    （3）PDFF（ Pseudo-Derivative Feedback and Feedforward）強(qiáng)健式控制架構(gòu)相應(yīng)更快速、對外部干擾有更強(qiáng)的抑制補(bǔ)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(diào)整功能，能夠自動評估負(fù)載情況并合理設(shè)置伺服增益，從而使伺服調(diào)試更簡單、更快捷，且伺服定位更精準(zhǔn)，無超越量和加速度過沖。

                   圖5 PDFF強(qiáng)健式控制架構(gòu)
（5）提供共振抑制功能和低通濾波器功能，能夠有效彌補(bǔ)機(jī)械的不足和缺陷。
（6）臺達(dá)ASD-A系列進(jìn)階型交流伺服系統(tǒng)更具有分度定位功能，配合CNC系統(tǒng)PLC的I/O規(guī)劃能夠輕松實(shí)現(xiàn)伺服刀庫控制，參見圖6。

圖 6 ASD-A系列內(nèi)置的伺服分度功能

6       臺達(dá)VFD-VE系列高性能磁束向量控制交流變頻器 
    臺達(dá)VFD-VE系列是2007年為滿足高端市場推出的一款全新產(chǎn)品，其頻率輸出范圍為0~ 600 Hz，而V2H型的輸出更高達(dá)3600Hz，完全能夠滿足CNC機(jī)床高速主軸的控制需求。利用獨(dú)特位置控制功能，配合H4CL-T系統(tǒng)的C軸機(jī)能亦可實(shí)現(xiàn)主軸任意角度分度功能。
VFD-VE系列交流變頻器特點(diǎn)： 
    （1）內(nèi)置V/F，向量控制。轉(zhuǎn)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(jī)型的輸出更高達(dá)3600Hz。 
    （3）速度控制精度：FOC+PG閉回路控制，可達(dá)+/-0.02%。 
    （4）低速力矩：0.5HZ可達(dá)150%。 
    （5）可做馬達(dá)參數(shù)和負(fù)載慣量估測以及高速弱磁曲線估測功能。 
    （6）機(jī)械煞車控制功能、瞬時停電時減速功能。 
    （7）馬達(dá)溫度回授保護(hù)（PTC）功能。
7 臺達(dá)CS7主軸專用編碼器
CS7主軸專用編碼器特點(diǎn)： 
    （1）最高適應(yīng)轉(zhuǎn)速高達(dá)8000RPM，最高相應(yīng)頻率為300kHZ。 
    （2）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)重負(fù)載工作環(huán)境，耐震動，耐高溫。 
    （3）航空接頭，防護(hù)等級為IP65,適用于高油氣環(huán)境。 
    （5）模塊化設(shè)計(jì)，多種規(guī)格可選，可靠性高。
8 結(jié)束語
    復(fù)合加工技術(shù)是未來CNC機(jī)床發(fā)展的重要方向。中達(dá)電通量身定度的整體自動化解決方案，對于機(jī)床制造商而言完全能夠滿足經(jīng)濟(jì)型機(jī)床向具有復(fù)合功能中高端機(jī)床的功能轉(zhuǎn)變。讓機(jī)床制造商能夠?qū)ふ业礁�高的目�?biāo)市場，產(chǎn)品更具有競爭力。 
    對于機(jī)床最終用戶而言，應(yīng)用了復(fù)合加工技術(shù)的CNC機(jī)床，結(jié)合中達(dá)電通控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易用性，生產(chǎn)工藝也將由傳統(tǒng)分散式生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橄冗M(jìn)集約式生產(chǎn)方式，產(chǎn)品質(zhì)量和零件的制造周期也將有“質(zhì)”和“量’的飛躍,從而為其創(chuàng)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(dá)電通CNC機(jī)床的最終用戶容易獲得設(shè)備生命周期總擁有利益TB0(Tota1Benefit 0f 0wnerShip)最大化的經(jīng)濟(jì)技術(shù)特點(diǎn)。