27轴大型数控龙门钻床的研制

　　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 ×5000 mm

    最大加工面积　7000 ×4500 mm

    X轴行程　　　7000 mm

    Z轴行程　　　630 mm

    Y轴行程　　　400 mm

    X轴伺服电机功率,扭矩　14 kW　75 N•m

    Z轴伺服电机功率,扭矩　11 kW　75 N•m

    Y轴伺服电机功率　　　　　5. 7 kW

    机床总功率　　　　　　　150 kW

    数控系统　　　　　　　　FANUC—18 I

    2、结构特点

    2. 1 X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。

图1　机床外形图

    2. 2 Z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MF150SL1 1: 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. 3 Y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FANUC18 i—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A I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

图2　机床布局图

　　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 吋的彩色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。

　　操作箱如图3所示

　　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α50 i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。

图3　机床操作箱

   　 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MD I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0.03μ sec /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。

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