加工中心测量装置替换研究

加工中心测量装置替换研究

赵臣

中国航发 西安航空发动机有限公司 陕西西安 720021

摘 要：H5-800加工中心是美国辛辛那提公司生产的五轴加工中心，可执行交换工作台动作，最多可以有5个工作台进行选用。其操作系统采用基于西门子系统上自身研发的操作系统，设备具有五个坐标联动的功能，适用于大、中型箱体，盘件及模具等复杂零件的加工。

关键词：圆光栅，回零开关，精度，PLC, 支架。

0. 引言

现在高精度设备运用越来越广泛，在使用过程中每一项精度都会直接影响到零件的加工精度。由于各个设备生产厂家理念不同，在生产过程中存在厂家依据自身需要对一些标准部件进行更改、特制等情况，导致在后期维修过程中存在部件只能从厂家购买，购买部件周期长，费用高，严重影响到生产任务的完成。H5-800设备就存在操作系统、转台位置检测系统特制现象，通过对特制件的更改，将特制部件用库存的标准部件替代，在保障设备精度要求的同时能快速解决现场问题，满足生产任务需求。当今数控设备使用分度圆盘大多采用全闭环测量系统，由于公司数控设备种类繁多，不能对所有测量光栅进行储备。而通过测量装置替换实验研究，研究光栅替代使用的方法，在以后测量系统出现故障时能通过库存备件进行替代更换，快速解决设备故障，缩短设备故障停机时间。

1．背景：

1.1 五轴加工中心（型号：H5-800），B轴位置检测元件采用的圆光栅，全闭环控制方式，由于光栅安装位置受限，设备厂家使用了专用的圆光栅。在2011年1月设备光栅出现故障，具体表现为设备B轴在回基准零点时有时会出现偏差，由于在设备回零过程中操作人员离开现场，回零误差没有被及时发现，直接导致设备加工零件出现误差，发生重大质量问题。为了保证设备回零正常，需对专用光栅进行更换。经询价，厂家回复专用光栅价格为：171616.50元，交货期为18个工作周。交货周期过长，不能满足现场生产需要。

1.2改进的目的：

使用库存光栅，通过专用测量系统的通用性替换改进，对设备进行修复，节约备件成本，缩短设备故障停机时间。

2．难点分析：

2.1 技术难点分析

1）由于H5-800加工中心采用交换工作台加工方式，其工作台可进行交替使用。工作台使用过程中通过旋转体上端4组液压装置进行固定锁紧，在交换工作台时圆盘下端有冷却冲刷装置，而液压装置和冷却装置均在旋转体上，其冷却液与液压油必须要通过中间固定体中心轴传输到旋转体，如密封不好则会将圆盘分度测量装置浸泡在油水里，导致测量系统故障。

2）机床设计需要将光栅旋转部件固定在机床旋转体上，以保证旋转精度，光栅安装采用反扣在固定板上形式，光栅旋转体有突出部件通过胀紧连接在工作台旋转体上。而普通圆光栅中间为空心轴，不能够与旋转体连接，也不能反扣安装在固定安装板上。

3）现场研究设计普通测量装置安装与传动动力部件固定，设计出图。

4）校正固定安装部件与传动部件连接方式，需充分考虑光栅在使用过程中动作过程，油水进入测量装置问题等，确保测量装置的安全使用。

5）普通测量装置的选型。

普通圆光栅的选型需考虑到圆光栅的安装位置、参数的选择等。

6）使用该设备预留的插头，将圆光栅信号线引入设备工作台底部，保证工作台旋转不与线缆干涉。

7）安装设备回零开关，保证开关使用安全有效。

8）修改机床参数，使位置反馈信号生效。

9）修改机床加工参数，确保机床零点位置正确。

2.2 技术要点：

1）针对其使用的专用测量装置，充分消化设备资料，查阅海德汉测量手册与西门子相关资料，确定圆光栅的型号选配。

2）确定机床参数的设置保证圆光栅安装后正常使用。

3）充分消化机床机械资料，现场测绘设计保证选用圆光栅与回零开关的应用安装。

4）修改机床参数和厂家设计PLC，保证工作台回零开关有效。

3．技术研究内容

3.1 圆光栅的选择：

a.圆光栅大小的选择。普通圆光栅多为空心轴圆光栅，在选用上选择其空心轴尺寸要大于机床固定体中心轴尺寸，机床固定体中心轴直径50MM，选用圆光栅空心轴尺寸应大于50MM。

b. 圆光栅参数的选择。原光栅是基于海德汉圆光栅RON785C上改装而成，在选用上参数选择参考RON785C圆光栅：增量信号：~1Vpp 线数：18000 系统精度： 2秒 机械允许转速 。

根据与原测量装置尺寸与参数比对，查看海德汉测量手册，可参考选用以下光栅进行替换安装：

1）RON786圆光栅

圆光栅空心轴直径60MM，参数：增量信号：~ 1Vpp 线数：18000 系统精度： 2秒 机械允许转速 。

2）RON886圆光栅

圆光栅空心轴直径60MM，参数：增量信号：~ 1Vpp 线数：36000 系统精度： 1秒 机械允许转速 。

3.2．回零开关的选型

原专用测量光栅基于距离式光栅RON785C上改装，其光栅的特点在于回零时无需零点开关与光栅零脉冲信号进行同步回零，只需转动时跨越光栅规定的栅距即可完成回零动作，而拟选用圆光栅要使其正常使用需增加回零开关。

根据电气图纸中B AXIS I/O TABLE BLOCKS 中的剩余的I/O口，得出需选用开关的接口信号为：4号BK信号输入线，3号BL 0V线，1号BN 24V线。具体结构图为：

1

3

4

详细参数为12-30VDC,≤200mA ，Sn=4mm。

3.3机床参数的修改，保证替代圆光栅安装后正常使用。

原参数：34000 REFP_CAM_IS_ACTIVE 0 //Axis with reference point cam

说明：此参数的含义为该机床轴是否使用回零开关进行回零，0为无回零开关

32110 ENC_FEEDBACK_POL[1] 1 //Sign actual value (control direction)

说明：此参数含义为机床轴运动方向是否与光栅反馈信号相同，跟安装方式有关，如此参数设定与设备实际情况不符，设备将报警： 25040 静态监控 ，25050 轮廓监控， 25060速度设定超过极限。

34200 ENC_REFP_MODE[1] 3 // Referencing mode

说明：此参数含义为机床轴回零方式，总共有7种回零方式，以下为常用的回零方式：

=0，表示该轴的无需回参考点或者回零方式为绝对式。

=1，表示该轴的回零方式为增量式。

=2，表示该轴的回零方式BERO。

=3，表示该轴回零方式为距离式。

修改后参数：34000 REFP_CAM_IS_ACTIVE 1 //Axis with reference point cam

32110 ENC_FEEDBACK_POL[1] -1 //Sign actual value (control direction)

34200 ENC_REFP_MODE[1] 1 // Referencing mode

3.4 机床PLC的修改，保证圆光栅安装后回零功能正常

由于原机床回零属于距离式回零，无需回零程序，所以在安装新光栅后需在程序块中的FC55中添加如下程序段：

DB35.DBX12.7

DB251.DBX102.2

如上图，其中DB251.DBX102.2为PLC中一个用户自定义的输入点，连接圆台附近的一个PLC模块，可进行连接回零开关进行输入。而DB35.DBX12.7为第5机床轴的回零减速信号，第5机床轴根据参数10000[4]的设定可知为旋转轴B 轴。

3.5 替代测量装置的安装

替代测量装置安装转接装置。如图所示，

替代圆光栅安装支架：

借用原测量装置安装支架安装孔位置，确定替换支架与圆盘固定体安装位置。图示1孔与圆盘固定体螺钉孔对应位置。图示2螺纹孔与选用圆光栅固定孔对应位置，以将光栅固定在转接架上。图示3法兰大小与选用圆光栅法兰一致，保证圆光栅的安装精度。图示4为预留孔，保证机床工作台固定体圆柱能够穿过。

光栅转动轴与机床转动体连接部件：

要确保光栅转动轴旋转与机床转动体旋转同步，就需要在连接方式上采用胀紧装置进行连接。图示4为连接部件与圆光栅旋转轴安装孔，使旋转部件与光栅旋转轴连接。图示1为连接部件法兰，保证连接部件与圆光栅安装精度。图示2为通孔，使圆盘固定体圆柱通过。图示3为转动体外径大小，尺寸要求严格，与机床上原有的轴胀紧装置连接，需要保证连接紧度。

机床原涨紧装置与工作台旋转体连接，将旋转体动力通过连接部件传动到圆光栅转动轴上，完成圆光栅的位置测量。

3.6 安装完成后工作台回零点的确认。

由于每次圆光栅调整后，圆盘回零后的位置都必须修改后确定

在安装完成后，检测机床工作台基准面与X轴平行，记录圆盘位置，根据记录更改参数34090 REFP_MOVE_DIST_CORR //Reference point offset/absolute offset。

说明：该参数含义为该机床轴回零第3阶段的时坐标轴的偏置，例如该参数设定为1mm，故该坐标轴在回零后的位置会比之前回零的位置在正方向多移动1mm。

3.8 安装完成后工作台旋转精度的校验：

替代圆光栅安装完成后，需对其进行分度校验，使用36面体对机床圆盘分度进行检测，检测结果如下：

经检测测量系统替换后工作台分度精度基本达到设备出厂要求。

4.改进效果

经过对设备图纸、光栅手册以及西门子资料充分消化研究，确定专用测量装置的通用性改进方案。制作转接装置进行安装，回零开关的安装，参数的修改等完成替换方案，经精度校验基本达到设备出厂要求，设备使用效果良好。节约备件成本12万元以上，节约备件采购周期18周，

由于数控设备生产厂家不同，在设备设计时设备结构不同，直接导致每台设备使用的位置反馈装置也不同。而一旦位置反馈装置故障，其购买周期一般需要15个工作周，购买周期过长，不能满足到现场生产需求。通过替换研究，可在测量装置出现故障时通过库存备件进行及时更换，节约备件采购时间。

我公司设备种类繁多，由于各设备使用位置反馈装置不同，在备件储备上就不可能全面储备。通过测量装置的替换，能快速解决设备故障，故此测量装置替换技术具有广泛的推广价值。

5 结论（结束语）

随着数控技术的发展，光栅测量装置在数控机床上已得到广泛应用。在数控机床设计制作过程中，会根据机床结构、运动原理选择相应圆光栅进行安装使用，有的设备厂家也会根据自身设备结构使用专用圆光栅进行位置测量，一旦专用装置故障需到厂家进行购买，周期长、费用高。要对特制装置进行改进，需充分消化资料，对部件的结构、工作性能、使用中存在的安全风险要充分了解，替换前对改进中存在的问题仔细分析，谋划好每一个细节。通过技术上的改进，就会在替换后达到需要的结果。

参考文献：

[1]西门子840D系统说明书

[2]H5-800维护说明书

[3]海德汉测量系统

[4]机械设计手册第一卷。 北京：机械工业出版社。

[5]机械设计手册第三卷。 北京：机械工业出版社。