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基于超声波主轴的五坐标龙门数控铣床改造

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  一、设备改造概述

  5A3P机床是上世纪九十年代某飞机制造厂从美国辛辛那提公司引进的一台高速五轴龙门铣床。原机床有6个伺服轴,一个主轴(电主轴),其中龙门移动为双电机驱动。

  由于该机床使用年限长、电器元件和数控系统严重老化,致使机床可靠性降低,故障频繁,无法正常使用。为了更好、充分地利用机床,发挥机床的效能,根据厂家的需求,在对机床进行升级改造的同时,增加超声波主轴切割功能,用以完成纸基蜂窝芯材质的各种曲面加工,并在数控系统上开发与超声波主轴加工相应的系统软件,完成尖直刀和圆刀两种不同类型刀具的自动测量、切换及实时控制。

  二、功能拓展

  改造后的机床在满足原有功能的基础上,增加以下功能:

  1、机床同时具备电主轴和超声波主轴两种加工模式;

  2、超声波主轴即满足圆刀的速度旋转控制,又具备尖直刀的角度位控功能,并具备6轴6联动功能。

  3、具备圆刀、尖直刀的长度和角度自动对刀功能;

  4、数控系统满足对超声波主轴加工的实时状态监控,并能方便地进行超声波加工工艺的参数标定。

  三、改造方案实施

  1、采用国产华中HNC-848C/M数控系统进行电气控制系统升级改造,实现超声波主轴加工所需的6轴6联动功能。在数控系统中,安装电主轴和超声波主轴两套不同加工模式的系统软件,通过开机来选择所需要的加工模式。选择电主轴加工时,满足原机床所有加工功能;选择超声波主轴加工时,满足超声波主轴对纸基蜂窝芯材料加工的要求,并具備尖直刀和圆刀两类刀具的切换和控制功能,即尖直刀的位置控制和圆刀的旋转速度控制。

  2、通过数控系统的R232通讯口与超声波发生器实现485协议方式通讯,将超声波加工工艺指标纳入数控系统控制。通过数控系统对超声波的启停、故障处理、频率、振幅、电压、电流、功率、温度等进行实时控制,以达到最佳加工效果。并通过系统的软件二次开发,在数控系统上增设超声波加工界面,用于超声波发生器状态监控与参数标定。

  3、将超声波主轴系统的直刀角度控制纳入位控伺服轴,具备加工各种复杂曲面的功能。

  4、采用激光传感器用作超声波的直刀和圆刀的基准对刀。其中直刀角度对刀,采用传感器输出的模拟信号实现刀具角度识别。传感器输出的模拟信号通过模拟量输入子模块传送给数控系统,在需要角度对刀时,系统首先获取刀具在刀刃位置时的最小模拟量值,即刀具在传感器中挡光最少的位置,再通过最小模拟量值确定刀具刀刃的位置坐标。整个对刀过程全部由对刀宏程序来完成,在加工程序中,只需要输入相应的刀具号,系统将自动完成刀具长度和角度的基准对刀,并在系统中自动地进行设定和补偿。

  四、结束语

  基于超声波主轴的数控机床改造,是一次新的探索,也是超声波主轴在国内数控系统中应用的一次突破。我们将随时跟踪和掌握设备运行中的各种状况和信息,不断完善设备的加工性能,优化系统参数,为我国机床再制造业的发展做出新的贡献。

  作者简介:

  段玉成(1963.11--),男,湖北仙桃人,本科,研究员级高级工程师,研究方向数控加工设备。

来源:《中国科技博览》2018年14期