瓦德里希-科宝(Waldrich-Coburg)导轨磨床的技术改造.doc

瓦德里希-科宝（Waldrich-Coburg）导轨磨床的技术改造
一．前言
瓦德里希-科保导轨磨是我公司为了制造数控机床的导轨能够全封闭在本公司加工，从旧机床市场购买的科堡公司上个世纪70年代的产品，机械和液压零部件基本完好可用，经维修后还有利用的价值。在科技高速发展的今天，用新的电子技术和控制元件改造老旧机床，是一种必然的，适用的，经济的方法。
二．改造的原则及具体项目
1.改造的原则和控制方案
（1）应保持原机床的功能和关键结构；
（2）在选用控制设备时应选用技术先进、成熟、功能适中并且大批量生产的元件，以保证今后有持续的技术支持和备件供应；
（3）控制系统方案的确定：
在选用控制方法时，应该遵循不能在什么情况下，改造机床都配上数控系统。如果配数控，此台机床由于有周边、万能双磨头和数控系统的特性，因此必须配上西门子840DSL数控系统才能实现全部的功能。由于改造设计必须考虑性价比，此方案从经济适用方面是不可行的。
此台磨床改造，操作控制方面要想达到操作方便，自动化和效率高；集参数、给定量设定和工作状态的时时监控；多轴控制采用集中控制于一处；控制系统有自诊断和维修信息提示等功能。因此，该机床控制系统采用了西门子触摸屏TP1500、西门子S7-300 PLC系列可编程控制器，磨头进给轴控制采用了全数字化交流伺服控制技术，实现了对三相异步交流电动机的伺服控制，驱动装置采用了时光科技公司的IMS-A系列伺服控制器。
由于此台机床是上个世纪70年代的产品，机械上没有进行凸凹平面磨削的接口装置，所以此台导轨磨床不对凸凹平面磨削进行改造。由于磨头只有直线运动，没有曲线运动的特点，确切的是没有插补功能的要求，所以控制方案不采用数控系统，而是才采用了上述控制方案。
该机床的控制结构简图如下图所示。

2. 改造的具体项目
2.1万能磨头和周边磨头
本机床的进给运动为万能磨头的水平方向Y1轴和垂直方向的Z1轴，周边磨头的水平方向Y2轴和垂直方向的Z2轴的直线运动。这四个运动方向改造后可以编程加工，以确保原机床的自动加工功能和相关功能不变，我们采取了以下措施。磨头在回完参考点后，在手动和自动方式下通过移动磨头各轴，各个轴的实际位置在触摸屏上均有显示；并且在自动方式下，需要参加自动运动的轴在S7-300 PLC里编制固定循环加工顺序程序，而加工工艺数据在TP1500触摸屏上进给距离窗口和速度窗口分别进行设定距离和速度数值。
在对原机床进给系统进行改造时，不应过多地改变其结构，以保证原来的机械特性不变。如果过多的改变结构，相应会增加对原机械零件的加工量，在加工过程中，一旦发生失误，修复工作将是十分麻烦和耗时的。为了保证改造后机床的应用质量，对周边磨头和万能磨头的水平和垂直方向进给系统的改造采用了比较稳妥的方法：
（1） 采用北京友联华特生产的三相交流异步伺服电动机；
（2） 伺服电机与进给箱之间新增一过渡法兰盘，这样在改造过程中可避免对原箱体进行加工，降低改造风险；
（3） 新做一联轴节用于伺服电机与原进给系统的连接。
进给改造的特点：万能磨头垂直方向Z1轴和周边磨头垂直方向Z2轴原来的进给系统有快速移动进给传动链和慢速微动进给传动链两条传动链。改造后是将这两条传动链变成一条传动链，即取消慢速微动进给传动链，只保留快速移动进给传动链。在快速移动进给传动链上换上伺服电机后，由于伺服电机使用数字控制后，进给量和进给速度都是无级可调的，足以满足慢速微动传动链的低速加工要求。为了使伺服电机能在低速段的转矩满足加工要求，我们采取了伺服电机转矩与原有快速电机移动的转矩进行比较后，伺服电机的扭转略有加大的办法。通过上述改造办法加强了控制能力，并且扩大了自动加工的能力。
具体措施如下：由于万能磨头和周边磨头进给系统的快速移动进给传动链和慢速微动进给传动链两条传动链的切换是靠离合器的上下电来控制的。改造后控制慢速微动进给传动链的离合器处于常下状态（永远不吸合，处于分离状态），因此仍安装在原来位置的慢速微动进给传动链上的电机永远不会投入使用。快速移动进给传动链离合器当磨头处于使能状态下就吸合，处于常上电状态。要移动时就能投入使用。
对于万能磨头水平Y1轴和周边磨头水平Y2轴改造方法，同上述万能磨头垂直方向Z1轴和周边磨头垂直方向Z2轴改造方法相同。值得一提的是万能磨头水平Y1轴和周边磨头水平Y2轴仍然共用一个伺服电机电机。它们的切换也是靠电磁离合器来实现的。
万能磨头和周边磨头的主轴驱动部分基本上完好，故不对其进行改造，使用原来磨头主轴的驱动部分。
2.2工作台拖动系统
原工作台拖动系统的工作原理是工作台的往复运动由液压驱动，移动速度在0～50m/min范围内实现自动无级调速；往复运动的换向和变速，用改变液压泵转子和定子的相对偏移量e来实现的。此台磨床工作台液压系统完好无损，不对其进行彻底改造。
由于在工作台的液压装置上用于检测工作台速度的旋转变压器已经损坏，而且此台旋转变压器是西门子公司上个世纪70年代的产品，已经购买不到了，即使买到了与S7-300和触摸屏也无法配套。针对此种情况我们采取将检测装置换成带RS422接口的增量式TTL编码器。其工作原理是当操作者通过按压按钮控制调速制动电机调整摆杆，调整摆杆的摆动间隙。摆杆控制两个凸轮，使两个凸轮同向转动一定角度。与凸轮同步转动的编码器将转角的脉冲数传送到FM350-1计数器模块。计数器模块采用连续向上计数，中断门功能。调试者将编码器采集到脉冲数在S7-300 PLC 中经过作运算后，再在TP1500触摸屏上显示。TP1500触摸屏上显示数值为工作台的实际运行速度。
2.3 导轨磨床电气系统
2.3.1导轨磨床电气改造说明：
原机床控制电气为上个世纪70年代的电子产品已经淘汰了，且人机界面简单。导轨磨床与车床、铣床等机床在控制上有一个重大差别，就是车床、铣床对刀具的轨迹控制能力要求较高，必须有圆弧插补、样条插补、螺旋插补等复杂曲线的加工能力，而导轨磨床的砂轮仅需点位控制能力即可。但是导磨的液压控制复杂，其它的辅助动作较多，本机需要控制的电机就多达25个。在数控机床的控制中刀具轨迹控制由CNC控制完成，其它辅助控制由PLC完成。在选择控制系统时，对导轨磨床而言，主要注意的应有强大的PLC能力，而对刀具轨迹控制能力在次要地位。对本机床而言，我认为没有必要采用数控系统，用一台中型西门子S7-300 PLC就可以完成整机的所有控制任务。
2.3.2导轨磨床电气改造特点：
（1） S7-300 PLC在世界范围大量采用，备件采用容易，价格较低。它代表了当今世界控制技术的主流。
（2） S7-300 PLC 性能优良这一特点正好符合导轨磨对PLC要求较高的特点。
（3） S7-300 PLC 可以配上西门子触摸屏TP1500，根据控制需要可以任意在触摸屏上设定数据，并且监视工作状态，维修自诊断报警提示，工人操作和维护十分方便。
（4） S7-300 PLC 的CPU选择CPU315-2PN/DP型号。该型号支持Profinet网络，可以通过Profinet网络与西门子触摸屏TP1500通讯并且通讯兼容、调试简单、运行可靠。
（5） S7-300 PLC可以配上S7-300 PLC系列的通讯模块CP340与国产时光科技生产的三相异步伺服控制器通讯兼容，调试虽然复杂，但运行十分可靠。
（6） 可选配手持单元，对导轨磨床这类大型机床特别方便。
2.3.3导轨磨床电气改造主要进行以下工作：
（1）取消原控制电柜，用新型控制柜替代；
（2）更换操作站，在操作站上安装西门子触摸屏TP1500，实现中文显示界面；
（3）增加手持操作单元，方便机床的操作；
（4）磨头进给电机改为交流异步伺服电机外，其他电机用原机床带来的电机；
（5）控制电器件全部更换为当今新型电器件；主要控制电器件为上述1.改造的原则和控制方案中提到过的控制件；在控制件上尽量选用量大面广的通用元件，不选用特殊元件，以保证今后长期的备件供应。
（6）检修电磁阀和再次使用的旧电机；
（7）电缆全部更换为新型电缆。
三．.改造后系统实现的最突出功能特点
1.直观简明的自动加工模式
在磨头自动加工之前，操作者必须手动调整好工作台运行速度；在触摸屏上操作者填好参加循环的磨头砂轮每次自动运行速度、每次磨头砂轮的移动量，加工总长度等参数。在集中按钮站上可以用开关直接选取万能磨头或周边磨头工作循环，然后按压自动循环按钮，就可以进入磨削加工循环，机床能够自动完成全部磨削循环加工过程。操作者可以通过在集中控制面板上，从几种磨头自动加工循环中进行选择，使机床实现全部加工工序。操作者不需要学习复杂的数控编程。
2直观明确的故障诊断
当机床发生故障时在TP1500触摸屏上不是简单的显示一个故障好，而是显示一段完整的故障中文描述，指导维修工进行检修。
四． 结论
综上所述，对该机床机械部分的改造采用更换部分零件的办法，不对原来磨头箱体、横梁、床身等大件进行重新加工。这一方法没有破坏原设备的零部件，也不在原设备上进行二次加工，因此安全性较高。即使在改造过程中发生技术问题，也可以挽回。对机床电气部分的改造，采用整体更新的办法。既保留了该机床原有的功能，又增加了许多方便操作和加工的功能。对液压箱部分的改造，采用了局部改造，即采用能够与S7-300PLC和TP1500触摸屏配套的TTL编码器。编码器转动产生的脉冲数通过FM350-1计数器模块在S7-300 PLC 中经过运算后，再在TP1500触摸屏上显示工作台的实际运行速度。
根据改造方案，完成了瓦德里希-科宝（Waldrich-Coburg）导轨磨床的技术改造。完成改造后，机床投入了正常的高效率生产中，运行正常，操作方便，获得了操作人员和领导们的一致好评。