SIELEMANN RFrB80數控立式內外圓磨床的改造

內容提要：闡述了RFrB80磨床改造的方案及實施過程中的主要技術要點，包括參數組切換、動平衡系統、電磁吸盤控制、磨削加工界面等。
關鍵詞： 數控磨床；改造
Transformation of NC vertical internal-external grinding machine
SIELEMANN type RFrB80
HU Guoqing
Abstract：The scheme and primary technology of RFrB80 grinding machine transformation is expatiated, including to parameter groups switchover, dynamic balance system, electromagnetic chuck control, grinding MMI, etc.
Keywords：NC grinding machine；Reproducing
1. 機床概述
RFrB80數控立式內外圓磨床是德國HANS SIELEMANN公司在上世紀90年代初生產的，可磨削內圓、外圓、平面、孔底面等，工作臺具有偏心調整數顯，可手動調整偏心量磨削偏心內外圓。機床最大加工直徑800mm，工作臺移動X軸行程1000mm，磨頭垂直移動Z1、Z2行程780mm，立柱旋轉Q軸行程200°，砂輪修整器安裝在工作臺上。
機床X、Z1、Z2軸傳動均為伺服電機驅動滾珠絲桿帶動軸移動，Z1、Z2軸各帶有兩個平衡油缸，平衡油缸壓力通過比例閥分流控制；工作臺通過液壓靜壓浮升，工作臺旋轉S1軸傳動通過伺服電機經減速箱和皮帶驅動旋轉，工作臺上下層通過六塊電磁鐵控制是否夾緊，臺面為電磁吸盤用于固定工件；立柱通過液壓靜壓浮升，Q軸傳動通過伺服電機經諧波齒輪箱和齒圈驅動旋轉；內外圓磨頭傳動均通過異步交流電機通過皮帶驅動磨頭旋轉，其中外圓磨頭帶有動平衡調整系統。機床外觀如圖1所示。

圖1  RFrB80立式內外圓磨床外觀
2. 再制造方案
在機床行業中，磨床因其精度高及機床動態特性好等要求使其再制造的難度較大，多種磨床的關鍵技術仍是國內機床行業的難題。根據原機床的狀態制定切實可行的再制造方案是關鍵，經過拆前對原機床的幾何精度、重復定位精度、加工功能、液壓潤滑冷卻方面的問題等進行統一檢查，結合使用中問題的統計制定方案如下：
機械方面將X、Z1、Z2軸伺服電機、滾珠絲桿、軸承、滾動導軌塊全部更換，Q軸、S1軸伺服電機更換，相應的各軸電機接口重新設計，更換磨頭軸承、傳動皮帶，所有防護門移動直線軸承更換，另外液壓、潤滑、冷卻液部分動作不正常、泄漏等問題統一解決。
電氣方面采用SIEMENS Sinumerik 840D數控系統進行全面改造，原電氣系統全部拆除。系統設置為車床模式，X軸的工件坐標為直徑顯示，Z1、Z2在操作與編程上均視為一個Z軸，根據當前磨頭來決定實際的移動軸，X、Z1、Z2軸均采用HEIDENHAIN LS487C玻璃光柵尺實現閉環控制，Q軸設置為PLC軸，絕對值編碼器反饋，內外圓磨頭電機分別為7.5kW、11kW，通過一臺611U裝置驅動，采用其參數組切換功能實現兩臺電機的控制；電磁吸盤采用德國Wagner Magnete L752控制器控制上磁和消磁，磁力大小通過編碼開關控制；外圓磨頭的動平衡調整裝置更換為德國MPM AB240控制器，可以通過自動或手動方式來實現砂輪的動平衡調整。
磨削加工程序分為內圓、外圓、平面磨削，其中內外圓均有錐度磨削，砂輪修整分為內圓砂輪直徑與底面修整、外圓砂輪直徑與底面修整，將以上功能需求融合編制成7個程序，并將可能變化的數據用自定義變量或R參數代替，然后采用EasyMask軟件設計與制作人機交互界面，便于操作人員輸入加工數據，人機界面中帶有加工過程與設備狀態監控和立柱旋轉操作流程監控等。
3. 技術要點
要實現以上的改造方案，有很多技術工作要做，如Z1、Z2在操作上視為一個Z軸，需要修改FC25；立柱旋轉Q軸的PLC定位是一個流程控制，涉及到X/Z1/Z2的狀態與坐標位置要求、前/后防護門的開關、磨頭的狀態、定位銷動作、各限位的狀態連鎖等，采用流程控制編程方式使程序思路清晰、可讀性好。下面就其中幾個主要的調試技術進行闡述。
3.1 參數組切換
內外圓磨頭通過ANA模塊作為一個模擬主軸在NC中直接編程，其兩臺電機功率、轉速等參數不同，因此需用到611U的參數組切換功能。
611U的參數組交換功能的設計與調試類似于6RA70、6SE70等西門子產品，支持最多4臺不同參數的電機，通過SincomU設置實際使用的參數組數量，并設置好相應的各組主要電機參數：
1103 Rated motor current :電機額定電流（A）
1119 Series reactor inductance :定子感抗（mH）
1129 Cosine Phi power factor :功率因素
1130 Rated motor power :電機額定功率（kW）
1132 Rated motor voltage :電機額定電壓（V）
1134 Rated motor frequency :電機額定工作頻率（Hz）
1146 Maxinum motor speed :電機最大允許轉速（rpm）
1400 Rated motor speed :電機額定轉速（rpm）
上述的所有參數，包括1119和1129必須與實際電機匹配，以使電機工作正常，1146的值對應611U模擬給定輸入電壓10V，該值應與NC參數MD32250相匹配。
參數組的切換利用611U的自定義DI端子來控制，切換成功與否可通過SincomU來監控，并通過自定義DO端子來跟蹤生效的參數組，以控制相應的接觸器閉合。
兩個主軸的速度匹配與限制，通過PLC調用FB3來修改NC參數32250、32000、36200等來實現，每次內外圓磨頭切換后PLC控制自動修改參數并軟復位使參數生效。
3.2 動平衡系統
外圓磨頭的動平衡系統選用德國MPM AB240控制器，結合測振儀反饋信號和轉速信號，通過電磁感應來控制兩只平衡調整電機的運動方向，調整相應的平衡塊的位置，從而達到動平衡自動調整的目的，所有參數通過觸摸屏相應的菜單輸入，也可以通過軟件嵌入到Sinumerik HMI Advanced軟件中，集成操作。經過安裝調試，該系統工作正常，反應靈敏，可以通過自動或手動方式來實現砂輪的動平衡，不平衡量小于0.06μm。
根據振動傳感器和速度傳感器的特性設置AB240的硬件參數（Special Parameter，參數仍為德語標識）：
Schwingungsfuhler：1:1，振動傳感器的信號放大比
Drehzahl sensor：NPN，速度傳感器輸出為NPN型
Vorgabedrehzahl：AUS，默認平衡速度設置無效
根據外圓磨頭正常工作的平衡特性需求與機械狀態，設置適當的動平衡量參數（Limit Parameters）：
In Tolerlanz：0.06μm，不平衡量限值
Auβer Toleranz：0.09μm，不平衡量超出范圍值
Unwucht Alarm：0.2μm，不平衡量報警值
Drehz. Kleiner：1000rpm，轉速下限
Drehz. Grosser：1800rpm，轉速上限
3.3 電磁吸盤控制器
電磁吸盤的控制選用了德國Wagner Magnete公司的最新產品L752系列數字控制器來實現吸盤的上磁、消磁，其磁力大小通過一只六檔格雷碼編碼開關控制，根據磨削工藝來選擇相應的檔位，線纜均通過臺面底部安裝的旋轉滑環來連接，相應的連鎖與控制通過PLC程序來實現。
選擇的控制器為752-ST/1，一個控制器可最多支持四個功率模塊，選擇的功率模塊為752-LT/EP30，最大電流30A。
在使用控制器前需對其進行組態，可以通過跨接片手動組態，也可以通過單獨購置的PC版軟件來組態。手動組態時通過X4上的HK4、HK3、HK2、HK1、UMP、SPA共六個端子的組合狀態實現，每次手動組態需維持最少4秒才能生效，且各個獨立的組態碼不能組合進行。如吸盤類型為永磁電磁吸盤的組態碼為010011，6檔格雷碼夾緊力檔位組態碼為100111。以上組態完成后可連接電磁吸盤進行對象測量，其組態碼為000011。如果需要對控制器內部的繼電器進行復位，則可通過組態碼111111來實現。
組態完畢后就可以通過外部按鈕來控制電磁吸盤的上磁與退磁，并通過控制器自帶的輸出信號控制相應的指示燈。
3.4 磨削加工界面
內圓砂輪有Φ90mm、Φ150mm、Φ175mm三種規格，分別設為T1、T2、T3，外圓砂輪設為T4。砂輪修整程序中根據實際修整量自動修改刀具磨損數據，在磨削加工程序中調用刀具數據進行補償，后臺的NC程序將有關錐度和補償數據的計算統一規劃考慮。
程序調試完畢后，設計與制作人機對話界面，僅需輸入相應的加工數據，即可自動完成各種磨削、砂輪修整及補償等任務。砂輪規格的選擇、安全磨削增量、安全退讓距離等加工參數直接在畫面中設置。加工過程中，工件坐標值、已磨削量、剩余磨削量、磨削進程等均在畫面中實時顯示，使機床的效率和可操作性得到了很大的提高。同時設計了過程數據與機床信息監控畫面，配合故障診斷報警，使機床的故障率和故障時間得到降低。圖2是內圓磨削的界面，畫面中的“當前位置”軟鍵可將對刀后的當前位置設為工件坐標零點，方便操作；畫面中的“修改”軟鍵可將畫面中的可修改部分置為修改狀態，允許數據輸入；畫面中的“確認”軟鍵表示確認畫面中的加工數據輸入完畢，系統自動切換到AUTO方式，加工開始進行。在砂輪修整畫面中，對重要的數據如砂輪修整零偏值等進行了加鎖保護，防止誤操作。

圖2  磨削軟件界面示例1
3.5 直徑模式
    對于立式內外圓磨床來說，X軸的位置顯示應設置為實際行程的兩倍，類似與立車的X軸，要使直徑顯示并在編程中采用直徑編程，需修改參數如下：
MD9020 TECHNOLOGY=1，1：車模式，2：銑模式
MD27800 TECHNOLOGY _MODE=1，1：車模式，2：銑模式
MD20360 TOOL_PARAMETER_DEF_MASK=C0H，位6、7置“1”，分別激活直徑值計算與讀取。
MD20100 DIAMETER_AX_DEF=X，設置X軸為直徑模式軸
這樣，只要在工件坐標系下X軸行程值就顯示為機床坐標下的兩倍。在NC編程時加上模態指令DIAMON即可。
3.6 系統分辨率
由于每次進刀量小，有時可能為0.003mm或0.005mm，所以半徑顯示應為0.0015mm或0.0025mm，HMI默認的小數點后3位顯示不能滿足加工的需求，需要修改如下參數：
MD10200 INT_INCR_PER_MM=10000，位置值計算分辨率設為小數點后4位
MD9004 DISPLAY_RESOLUTION=4，顯示分辨率設為小數點后4位
這樣，系統就會自動提高計算與顯示精度。當然一臺機床的加工精度主要取決于機床的幾何精度、定位精度和重復定位精度，只有機床精度和測量系統精度達到或接近于系統的計算與顯示精度，這樣的設置才有意義。
4. 結語
經過機床的整體再制造，原有的隱患得到了根除，新的控制系統功能強大，運行可靠，電磁控制器和動平衡系統反應靈敏，運行穩定。系統運行穩定，交付使用以來尚未出現故障；幾何精度、定位精度和重復定位精度均達到或超過該機床的出廠精度標準，X、Z1、Z2軸重復定位精度分別達到8μm、6μm和4μm（德國VDI3441標準）。
對于內外圓磨床來說，前面所述的要點基本上是通用的，但對于軋輥磨床、平面磨床、磨齒機等來說，又有它們自身的一些技術要點，如軋輥磨床的測量與仿形系統、磨齒機的電子齒輪系統、磨床的磨削力實時數據采集等均有許多值得探討的東西，希望本文能起到拋磚引玉的作用，使同行一起探討。