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一、概述
20米組合車床是集團公司從德國引進的一臺二手數(shù)控加工設(shè)備，花盤直徑3米，縱向(Z向)加工長度為20米，徑向(X向)加工長度為2米，床身最大加工重量可達200噸。該機床的引進是為了彌補我集團公司大型乃至于特大型支撐輥的加工空白。
原機床采用的是西門子3系列數(shù)控系統(tǒng)，在設(shè)備安裝后發(fā)現(xiàn)其許多電子元件老化嚴重，機械部分的Z軸靜壓蝸母牙條損壞嚴重，損壞處達全長的3/4、刀架靜壓浮起量不足、大部分液壓泵己到使用壽命，故障率較高，因此集團公司決定對設(shè)備的電氣系統(tǒng)進行數(shù)控改造、機械部分進行大修恢復精度、完善液壓系統(tǒng)。
機床主要技術(shù)參數(shù)如下：
最大加工直徑：4000mm
最大加工長度：20000mm
加工工件重量：4爪 150000kg
8爪 200000kg
卡盤裝夾直徑： 正裝最大：2500mm
最小(4爪)：400mm
最小(8爪)：950mm
反裝最大：3000mm
最小(4爪)：1000mm
最小(8爪)：1400mm
主軸速度：1檔：0.3-5.0-15.7 rpm
2檔：1.0-16.0-50.1 rpm
3檔：3.0-50.0-125.0 rpm
主軸最大扭矩：250000 N.m
C軸速度：0-2 rpm
C軸分度精度：0.01o
C軸扭矩：28000N.m
進給速度：X、Z軸 0.1-5000mm/min
快移速度：X、Z軸 5000mm/min
二、電氣部分的改造
20米組合車床數(shù)控改造及機械大修，經(jīng)過對當前市場上各種數(shù)控系統(tǒng)的性價比進行比較，我們最終確定采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)改造機床。只保留工作臺驅(qū)動電機，將原有數(shù)控系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)及電機全部拆除，改用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)、611D交流伺服系統(tǒng)及1FT6伺服電機。
1、數(shù)控系統(tǒng)介紹
SINUMERIK 840D是西門子公司20世紀90年代推出的高性能數(shù)控系統(tǒng)。它保持西門子前兩代系統(tǒng)SINUMERIK 880和840C的三CPU結(jié)構(gòu)：人機通信CPU（MMC-CPU）、數(shù)字控制CPU（NC-CPU）和可編程邏輯控制器CPU（PLC-CPU）。三部分在功能上既相互分工，又互為支持。在物理結(jié)構(gòu)上，NC-CPU和PLC-CPU合為一體，合成在NCU（Numerical Control Unit）中，但在邏輯功能上相互獨立。它把所有 CNC、PLC 和通訊任務綜合在單個 NCU 模塊中，在安裝到 NCU 盒以后，再把強大的 NCU 多處理器模塊插入到SIMODRIVE 611D數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)中去，直接放置在 I/RF 電源模塊右側(cè)，與611D驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成一個整體。
相對于前幾代系統(tǒng)，SINUMERIK 840D具有以下幾個特點： 數(shù)字化驅(qū)動、軸控規(guī)模大、可以實現(xiàn)五軸聯(lián)動、操作系統(tǒng)視窗化、軟件內(nèi)容豐富功能強大、具有遠程診斷功能、保護功能健全、硬件高度集成化、模塊化設(shè)計、內(nèi)裝大容量的PLC系統(tǒng)。
2、本機床電氣系統(tǒng)配置
根據(jù)20米組合車床的結(jié)構(gòu)及加工工藝要求，機床電氣系統(tǒng)改造后數(shù)控系統(tǒng)的硬件配置（見圖一）為：SINUMERIK 840D NCU572.3、NCU盒、PCU50（10G硬盤）、OP010C 彩色10.4"TFT顯示器（帶操作鍵）、3.5”軟驅(qū)、機床操作面板MSTT、I/O模塊、MINI手持單元。
圖一 硬件配置圖
2.1 數(shù)字控制單元NCU
NCU（Numerical Control Unit）是SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的控制中心和信息處理中心，數(shù)控系統(tǒng)的直線插補、圓弧插補等軌跡運算和控制、PLC系統(tǒng)的算術(shù)運算和邏輯運算都是由NCU完成的。
2.2 人機通信中央處理單元PCU50(包含MMC-CPU)
PCU（PC Unit）是西門子公司配合最新的操作面板而開發(fā)的MMC模塊。MMC-CPU的主要作用是完成機床與外界及與PLC-CPU、NC-CPU之間的通信，內(nèi)帶硬盤，用以存儲系統(tǒng)程序、參數(shù)等。
2.3 操作員面板OP010C
操作員面板OP的作用是：顯示數(shù)據(jù)及圖形，提供人機顯示界面；編輯、修改程序及參數(shù)；實現(xiàn)軟功能操作。
2.4 機床操作面板MSTT
MSTT的主要作用是完成數(shù)控機床的各類硬功能鍵的操作。
2.5 I/RF主電源模塊
主電源模塊主要功能是實現(xiàn)整流和電壓提升功能。
2.6 驅(qū)動系統(tǒng)(611D)
它包括銑削主軸驅(qū)動系統(tǒng)和進給驅(qū)動系統(tǒng)兩部分。
2.7 ANA模塊
它是閉環(huán)控制的模擬主軸模塊，用于模擬給定調(diào)速系統(tǒng)。
2.8 M550R直流調(diào)速系統(tǒng)
用于對主軸電機的驅(qū)動控制。
2.9 驅(qū)動電機
各進給電機參數(shù)如下：
X軸電機 : 1FT6105-8AB71-1AH0,2000rpm 41Nm 帶制動器
Z軸電機 : 1FT6105-8AB71-1AH0,2000rpm 41Nm 帶制動器
C軸電機：1FT6105-8AB71-1AH0, 2000rpm 38Nm 帶制動器
車削主軸電機：保留機床原有的工作臺驅(qū)動電機，參數(shù)為150KW、50-2000-2100rpm，采用英國CT公司生產(chǎn)的MENTORII-M550R數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)對工作臺電機的驅(qū)動。
磨削電機：采用變頻器驅(qū)動交流電機的方式，電機參數(shù)為11KW、1000rpm，MM440系列通用交流變頻器。
2.10 位置測量系統(tǒng)
取消機床原有位置測量系統(tǒng)。在原光柵尺安裝位置安裝，Z軸位置檢測選用海德漢LB382C金屬光柵尺，選用西門子原裝信號電纜構(gòu)成閉環(huán)位置反饋控制；X軸位置檢測采用海德漢LS186玻璃光柵尺，選用西門子原裝信號電纜。X、Z軸均取消原電子細分裝置EXE，采用840D的內(nèi)置電子細分（128倍）功能來確保位置檢測的輸入分辨率高于原機床的0.001mm的水平。
3、機床控制程序的編制
PLC程序是數(shù)控機床外圍動作的軟件核心，是連接NC與機床的橋梁。
SINUMERIK 840D系統(tǒng)的PLC是SIMATIC S7-300，西門子公司隨機提供的工具盒（Toolbox）中包括基本PLC程序，我們在其基礎(chǔ)上開發(fā)新的用戶程序，整個機床的PLC程序結(jié)構(gòu)如圖二所示。
圖二 PLC程序結(jié)構(gòu)圖
4、數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試過程中的難點
4.1 工作臺自動變檔
要實現(xiàn)工作臺的數(shù)控指令變檔，需靈活運用數(shù)控系統(tǒng)NCK與PLC之間的接口信號以及相關(guān)機床參數(shù)的配置。本機床的工作臺變檔的相關(guān)程序及解釋如下：
A DB35.DBX 82.0 //M41指令，主軸變1檔
AN DB35.DBX 82.1
AN DB35.DBX 82.2
S "M2.1" //主軸1檔選擇
R "M2.2"
R "M2.3"
。。。。。。 //省略M42、M43
A(
A "M2.1"
AN “M20.4”
O
A "M2.2"
AN “M20.5”
O
A "M2.3"
AN “M20.6”
)
A "4KM3" //變檔油泵接入
= "M2.0" //主軸開始變檔
L S5T#5S
SD T 35
A(
O "M2.1"
O "M2.2"
)
A "M2.0"
A(
ON "M20.4"
ON "M20.5"
)
= "4Y1" //主軸1檔或2檔的控制電磁閥
A "M2.3"
A "M2.0"
AN "M20.6"
= "4Y2" //主軸3檔的控制電磁閥
A "M2.1"
A "M2.0"
AN "M20.4"
= "4Y3" //主軸1檔的控制電磁閥
A(
O "M2.2"
O "M2.3"
)
A "M2.0"
A(
ON "M20.5"
ON "M20.6"
)
= "4Y4" //主軸2檔或3檔的控制電磁閥
A "4SQ2"
A "4SQ4"
= "M20.4" //主軸1檔到位
A "4SQ2"
A "4SQ3"
= "M20.5" //主軸2檔到位
A "4SQ1"
A "4SQ3"
= "M20.6" //主軸3檔到位
O "M20.4"
O "M20.5"
O "M20.6"
= "M2.5"
A "M2.5"
FP M 2.6
A M 2.6
= DB35.DBX 16.3
O "M20.4"
O "M20.6"
= DB35.DBX 16.0
O "M20.5"
O "M20.6"
= DB35.DBX 16.1
A(
O "M2.1"
O "M2.2"
O "M2.3"
)
AN "M2.5"
= DB35.DBX 18.5 //主軸變檔擺動
與變檔相關(guān)的機床參數(shù)如下：
MD35010 //主軸變檔生效
MD35110[n] //主軸各檔最大速度
MD35120[n] //主軸各檔最小速度
MD35130[n] //主軸各檔最大速度限制
MD35140[n] //主軸各檔最小速度限制
MD35400 //主軸擺動速度
MD35410 //主軸擺動過程中的加速度
MD35430 //主軸擺動過程中起始方向
MD35440 //主軸擺動過程中的M3方向的擺動時間
MD35450 //主軸擺動過程中的M4方向的擺動時間
上述機床參數(shù)根據(jù)本機床的實際情況設(shè)定。
三、機械部分的修理改造
1、床身的調(diào)整
應用人工方法，利用鋼絲顯微鏡和水平儀對刀架床身進行精調(diào)，恢復刀架床身在水平面和垂直面內(nèi)的直線度和刀架床身二條導軌的平行度（見圖三）。精調(diào)后，逐個檢查墊鐵與床身的接觸面以及各地腳螺栓壓緊程度。調(diào)整原則：從中間向兩邊逐點調(diào)整。
圖三 導軌檢測示意圖
按上述方法相應精調(diào)工件床身的幾何精度，以及同刀架床身的平行度和距離尺寸。制作90度滑板以調(diào)整好的刀架床身導向面為基準，用百分表檢驗工件床身和刀架床身之間的平行度。
2、主軸箱部分的修理
主軸箱部分，重點調(diào)整主軸軸承的間隙，通過實測數(shù)據(jù)配磨主軸軸承調(diào)整墊板厚度，使主軸跳動小于0.01mm，通過調(diào)整推力球軸承使主軸軸向串動小于0.01mm；修復變速齒輪，將滑移齒輪齒部修圓，使其變檔靈活，傳動精度達到要求，同時檢修主軸潤滑系統(tǒng)和變速系統(tǒng)及液壓制動系統(tǒng)，充分保證了主軸工作的可靠性。
3、刀架部分的修理改造
刀架部分，更換X軸絲桿軸承，重新預緊，預緊值為3000kg；檢修了刀排的移動定位和夾緊系統(tǒng)，消除了加工過程中刀排的震動,完善了Z軸和X軸導軌防護罩，防止鐵屑和冷卻液進入導軌和蝸母牙條；重點修復Z軸傳動蝸母牙條，根據(jù)修復后的蝸母牙條間隙，重新設(shè)計配制了蝸母靜壓液壓系統(tǒng)，更換了液壓系統(tǒng)檢測元器件，該項修復技術(shù)在國內(nèi)還沒有可參考的資料，我們根據(jù)實際的工作經(jīng)驗，摸索出一套快速修復理論和方法，通過實際運行檢測效果良好，完全滿足機床的使用要求。由于在工作過程中牙條處掉入鐵屑，將牙條中部齒面擠壞達全長3/4，造成靜壓面封油邊無法封油，整個靜壓無法形成，Z軸電機負荷加大過載，靜壓蝸桿表面研傷。具體修復方法如下：
3.1 蝸桿修復
先將靜壓蝸桿拆下，檢測數(shù)據(jù)為：外徑?217，螺距40mm，牙形角30o，齒面工作高度20mm，齒高21mm。在高精度絲桿磨床上將研傷表面以最小加工量見光，齒距誤差任意二齒≦0.012mm，全長≦0.02，齒形角同未損壞的牙條齒相配用紅丹著色檢查接觸率≧80%。
3.2 蝸母牙條修復
在全長牙條上找出相鄰3齒完好的牙條做為基準，用二塊鋼板按牙條齒形配做好，高度高出牙條面30mm，側(cè)面用二塊鋼板封好，形成一個封閉腔；用金屬清洗劑將牙條面和四塊鋼板清洗干凈，表面噴上專用脫模劑，脫模劑用量應保證整個內(nèi)腔表面均勻涂滿，表面不產(chǎn)生流掛為原則。脫模劑完全干燥后，用天山TS311耐磨涂料同固化劑混合均勻（在攪辦混合時應按一個方向進行，以避免混入空氣），等到耐磨涂料有一點發(fā)熱現(xiàn)象時，將混合好的耐磨涂料注入由鋼板和牙條構(gòu)成的形腔中，在上表面放入二個M16X60六角頭螺栓作為起模時使用。24小時后將耐磨涂料取出清理，構(gòu)成了一件完全復印的三齒牙條的壓模，按上述方法用牙條的一個齒制作三件單齒的刮研模具。
將需要修理的牙條全部清理，將有裂紋的部份去除，清理毛刺，表面用金屬清洗劑清洗干凈，用天山TS316耐磨涂料按照損傷部位的大小涂在待修理表面，用三齒壓模表面噴上專用脫模劑，壓出齒形。全部齒面修好后用單齒的刮研模具每齒紅丹著色檢查接觸率≧80%，接觸率不足的齒面，用00#砂紙修磨達到。
3.3 配靜壓供油系統(tǒng)
刀架最在加工軸向力8000kg;刀架自重22600 kg，閉式靜壓導軌結(jié)構(gòu)。將修復后的蝸桿回裝在刀架Z軸滑板上，用壓鉛絲的方法測量出蝸母牙條的傳動側(cè)隙h，按照蝸桿靜壓油腔結(jié)構(gòu)參數(shù)和計算公式
Q=πh3d(ΔP)/( 12 ηl)
式中：當量直徑d=197mm,h=0.06mm,靜壓油腔壓力差ΔP=50Kg/cm2
30#潤滑油動力粘度η=0.00000027 KgS/ cm2，封油邊長l=5mm
Q=24.756 L/min,工作壓力P=50Kg/cm2
配用YYB132M-4油泵電機組，其流量為38 L/min，壓力P=120Kg/cm2
功率N=7.5Kw
4、尾座部分的修理
將尾座和中心架油箱原有塑料移動拖鏈更換為金屬拖鏈，并配制了拖鏈拖架，解決了原設(shè)計中尾座在長行程移動時易損壞的狀況；重新更換尾座套筒移動定位元器件，檢修套筒鎖緊機構(gòu)，消除了加工中套筒泄壓的現(xiàn)象。
5、中心架部分的修理
解決了中心架套筒卡死的問題，滿足了大直徑長工件的加工需求；將中心架液壓站從床身上移置地面，大大縮短了裝卸工件的時間，避免了裝卸工件時，液壓站被碰撞的現(xiàn)象。
6、磨削部分的改造
根據(jù)加工要求，增加一套11KW磨削附件頭和配套的冷卻液系統(tǒng)（如圖四所示），整個系統(tǒng)裝配在刀排上，冷卻液箱下安滾輪，內(nèi)置液壓泵站，通過固定在刀架上的冷卻液回收槽由刀架帶動沿Z軸方向運動（具體計算請參閱《機械加工工藝手冊》第二冊，此處略）?；厥詹蹆?nèi)布長纖維防濺材料，在X、Z軸護罩上增加防水結(jié)構(gòu)，有效隔離了油水系統(tǒng)。利用配置磨削附件的加工方法，替代了大型、特大型支撐輥需要在大型軋輥磨床上加工的狀況，打通了集團公司“支承輥生產(chǎn)線”的加工瓶頸。
圖四 磨削系統(tǒng)示意圖
7、液壓系統(tǒng)的改造
以上是對20米組合車床數(shù)控改造及機械大修的介紹，為了保證整個液壓系統(tǒng)運行的可靠性，以及靜壓系統(tǒng)的要求，在原液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一套油冷卻系統(tǒng)；用國產(chǎn)的柱塞變量泵，取代原有的定量泵，改進了原液壓系統(tǒng)的回油油槽結(jié)構(gòu)，保證了機床的回油暢通，消除了設(shè)備回油泄漏。
