旧设备用电脑实现设备的更新换代

1 引言
　　武汉三维汽轮电机股份有限公司是华中地区的一家主要生产汽轮机、水轮机等电厂发电设施的大型高新企业。随着汽轮机产品的更新换代，新技术层出不穷，汽轮机产品的加工也由原来单一的直线型逐渐发展到曲线型加工，例如汽轮机三维叶片、水轮机桨叶以及一些汽轮机的大型模具等。因此，为满足生产需要，三维汽轮电机公司逐步引进了一批数控机床，如数控铣床、数控镗床等。
　　专家们预言: 21世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。21世纪是数控的时代，衡量一个国家的机械发展水平，主要是看其数控机床的使用率，因此如何提高我国数控机床的普及率，尤其是如何提高国产数控机床的市场占有率，成为我们面临的一项重要课题。
　　我们凭借毗邻华中科技大学的技术优势，与华中数控合作，对公司的一些重要机加工设备逐步进行了数控改造，以较小的成本实现了机床的数控要求，既为公司节约了资金，又为企业创造了巨大的经济效益。
　　
　　2 六米三立车改造的总体构想
　　CQ5263是1台由武汉重型机床厂生产的双臂式大型立式车床，主要完成一些汽轮机大件产品的加工任务。其花盘直径4.5m，最大加工直径6.3m。花盘由100kW直流电机(Z2-111 440V，1000/1800r/min)拖动;左右刀架均分别由1台直流电机(Z2-42 7.5kW，440V，3000r/min)控制走刀及1台交流电机(5.5kW)控制刀架快送。电气控制系统采用武汉重型机床厂生产的KTS可控硅直流调速电柜，该电柜为半导体分立元件、插板结构，占地面积大，故障率高，维修不方便，且元件参数受环境温度影响，经常出现季节性故障。为此，我们拟对该设备进行彻底的电气大修改造。
　　首先，我们运用欧陆590系列全数字式直流调速装置对花盘主回路及右刀架进给进行改造，同时，为了方便工人加工，在右刀架上加装X轴和Y轴两套数显装置。另外，运用华中数控公司生产的“世纪星”数控系统对左刀架进行改造，其伺服驱动部分选用了襄樊长虹数控集团公司生产的ZSS1系列直流伺服调速装置;逻辑控制部分，选用日本三菱的PLC(FX2N-128MR)取代原机床的交流继电器控制。整个系统改造方案的结构框图如图1所示。
　　
　　3 六米三立车的改造过程综述
　　3.1 花盘及右刀架直流调速系统的改造
　　在原有的KTS直流调速控制系统下，机床的花盘经常出现带不动负荷现象，一“吃”大刀，就会“闷车”，因此生产效率总是跟不上去。而模拟系统的PID参数调节又比较困难，且其参数经常随季节而变化，需要维修人员定期检修和调试。右刀架进给系统的主要问题在于其低速不稳定性，当“吃”刀量很小时，转速表呈明显抖动。这主要是由于KT系统的速度调节器的核心元件放大器存在阻尼振荡造成的，走刀系统的不稳定严重影响了机床的加工精度，为此，将原来落后的模拟系统改造为目前较为先进的欧陆全数字式直流调速系统。
　　根据六米三立车主电机及进给电机参数的要求，选用欧陆590系列SSD-590 360A控制花盘传动，用SSD-590 70A控制走刀。在参数设定中，依据立车的特点，对590进行以下灵活运用:
　　(1) 合理调整花盘停车时间
　　大型立车的花盘反转是刀具的一大杀手，因此在设定花盘停车时间(下降时间)时，要严格以花盘无反转(停车时，花盘朝相反方向回转)为限度。
　　(2) 增加花盘点动的“慢点”、“快点”功能
　　大型立车的工件对刀一直是操作工人的难点，以往的花盘点动就只有一个速度，靠电柜内部的电位器进行设定，往往很难兼顾，慢了，花盘转一圈花费时间太长;快了，花盘到目标点停不住，造成效率低下。为此，在590中利用其数字输入点C6(正点)、C7(反点)、C8(复位)以及其内部软件模块实现快、慢速点动，速度大小由操作者摁点动按钮的时间长短决定。释放按钮，则花盘速度归零。这样可以做到快速靠近，低速到达。 　　(3) 设定电压限幅值要考虑电压波动
　　在实际工作中，这台立车有深夜班，这时处于用电量低谷，电压幅值高，电压限幅要考虑这时的余量，避免不必要的跳闸。
　　(4) 对走刀电机启动斜坡进行调整
　　走刀电机启动之前，首先刹车电磁铁要吸合，松开抱闸，所以走刀电机要考虑电磁线圈的吸合时间，延时一段时间再升速，避免电机因背力而过流。
　　改造后，590的电气原理图如图2所示。
　　其中Y0～Y7为PLC输出点，由PLC内部对输入点进行编程后发出输出指令。该原理图是一个标准框图，亦可以用于对其它调速系统的控制。
　　在三维汽轮电机公司的很多项设备改造中，直流调速系统都用到欧陆590系列全数字式直流调速装置，不论是可靠性还是性价比，欧陆都有其优势，尤其是其液晶显示的人机操作界面使参数设置变得简单易行。590系列控制器所使用的菜单树结构是精心为非专家用户设计的，用简单方便的方法就能读取和设定传动参数。中心(或称树干)是一级菜单，它能进一步显示7个菜单，每个都与产品的一个特定方面相联系。这当中的每一个又以分支的形式从中心(分菜单)延伸出去，一直到显示出所需的功能或参数。显示出的数值可观察或改变。菜单树结构图如图3所示。由结构图可以清楚了解调试过程的着手方向。
　　在调试之初，首先要进行参数设定(SETUP PARAMETERS)，其中“斜坡”(RAMPS)、“上升/下降”(RAISE/LOWER)主要针对花盘或刀架启动、停止的过程控制;“辅助输入/输出”(AUX I/O)用来设定对象的给定;“励磁控制”(FIELD CONTROL)决定了系统的励磁方式，是内磁场，或是外磁场，以及磁场的限幅大小;“电流环”(CURRENT LOOP)、“速度环”(SPEED LOOP)则调节系统的动态特性，例如稳定性、带负载能力等。以上参数都要根据机床的实际逐一进行设定，当然，590内部的自整定、自调谐功能也可以在调试中带来很大的便利。
　　在传动系统“菜单级”(MENU LEVER)中，有一栏为报警状态(ALARM STATUS)，当系统发生故障时，前面板上的“正常”发光二极管熄灭，人机接口便会自动显示报警，并且显示器将显示所有报警中的当前故障，以便维修人员进行诊断和处理。常见的故障报警有:OVER SPEED LEVER(超速报警)、SPEED FBK ALARM(速反报警)、FIELD FALL(励磁故障)等，由此，可以方便地查找故障。
　　3.2 立车左刀架的数控改造
　　对于左刀架的数控改造，首先是基于左侧刀架传动机构的改造。原有的传动机构是由1台直流电机控制走刀，一台交流电机控制快送，刀架运动方向由十字开关控制进刀箱内的电磁阀决定;现在的传动机构则由2台伺服电机分别带动光杆和丝杆，各自控制一个方向，这样两轴联动，从而走出型线。伺服电机与传动轴之间通过4:1的齿轮箱进行减速。伺服电机型号为S-CZK250，额定转矩75N·m，最高转速1000r/min。伺服电机尾部安装1台测速发电机和1台编码器(LEC-200BM-G05P)，分别作速度环和位置环的反馈。伺服电机由ZSS1系列直流伺服调速装置驱动，其控制部件就是华中数控公司生产的“世纪星”数控系统。
　　华中世纪星(HNC-21T)是一种基于PC的车床CNC数控装置，是武汉华中数控股份有限公司在国家“八五”、“九五”科技攻关重大科技成果--华中一型(HNC-1)高性能数控装置的基础上，为满足市场要求而开发的高性能经济型数控装置。其进给伺服系统(Feed Servo System)是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，其示意图如图4所示。
　　HNC-21系列数控装置采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC机、高性能32位中央处理器，配置7.5英寸彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，主要适用于数控车、铣床和加工中心的控制，具有开发性好、结构紧凑、集成度高、可靠性好、性能价格比高、操作维护方便的特点。 　　(1) 最大联动轴数为4轴。
　　(2) 可选配各种类型的脉冲式、模拟式交流伺服驱动器或步进电机驱动器以及HSV-11系列串行式伺服单元。
　　(3) 配置标准机床工程面板，不占用PLC的输入/输出接口，操作面板颜色、按键名称可按用户要求定制。
　　(4) 配置40路输入接口和32路功率放大光电隔离开关量输出接口、手持单元接口、模拟主轴控制接口与编码器接口，以及远程I/O板扩展接口。
　　(5) 采用7.5英寸彩色液晶显示器(分辨率为640×480)，全汉字操作界面，具有故障诊断与报警设置，多种图形加工轨迹显示和仿真功能，操作简便，易于掌握和使用。
　　(6) 采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容，具有直线、圆弧、螺旋线插补，固定循环、旋转、缩放、镜像、刀具补偿、宏程序等功能。
　　(7)加工断点保存恢复功能，为用户安全、方便使用提供保证。
　　华中“世纪星”数控系统软件的实时操作环境是在DOS操作系统上扩展而成的，并以该环境为内核，实现一个开放式的数控系统软件平台。此软件平台能提供方便的二次开发环境，使之能灵活地组配不同类型的数控系统和扩充系统的功能，因而这种结构具有良好的开放性和可维护性。其数控系统软件结构框图如图5所示。
　　其中，“编辑程序”可以由工艺人员或操作者在该界面内对加工图形进行编程，亦可由软驱直接输入经CAD/CAM编制的加工程序;“参数设置”用来对系统参数、通道参数、坐标轴参数、轴补偿值参数、硬件配置参数、PMC系统参数、PMC用户参数、外部报警参数等进行设置，在修改或设置参数之前，必须输入修改权限密码，否则无法更改;“PLC管理”是针对“世纪星”的内嵌式PLC，其标准的PLC应用程序和配套的PMC用户参数文件基本上可以满足用户的绝大部分需要，若在使用中有特殊要求，可以运用华中数控公司为用户提供的PLC编程软件包直接进行编辑、修改。
　　由于六米三立车床身较大，在数控装置的连接过程中，要特别注意尽量减少信号的衰减，信号线全部采用屏蔽线，两头用电烙铁焊牢，中间不要有过渡。调试过程中，就遇到了由于距离太长，编码器到“世纪星”的信号总是不正常，为此利用备用线，将两股并为一股，增加导线的截面，使信号的衰减控制在允许范围内。
　　
　　4 六米三立车改造的使用效果
　　六米三立车改造后，带负载能力明显增强，加工精度也大为提高，并通过数控改造，使这台立车顺利完成了汽轮机隔板外环型线的加工任务，满足了生产需要，基本上达到了改造的预期目标。