華中 8 系統對馬豪 MH1600W 加工中心換腦改造
2021-1-28 來源：湖北三江航天紅陽機電 湖北江山華科數字 作者：明先承 楊進東 陳艷 孫承新 劉基國等
摘要：針對德國進馬豪 MH1600W 立臥轉換加工中心系統老化，故障率高發，備件定制周期長，設備處于停機狀態，介紹采用華中數控 848D 高檔數控系統對該設備進行換腦改造的方案、實施和應用情況。改造后設備恢復正常使用，性能提高，經濟效益明顯。
關鍵詞：MH1600W 加工中心；換腦改造；華中數控 HNC-848D
0 引言
MH1600W 四軸立臥轉換加工中心為 90 年代末引進德國德馬吉公司 （現為 DMG MORI 公司）80 年代初期的產品，該設備使用至今已經 20 余年，電氣控制系統集成度低，控制系統老化，近幾年處于故障高發期，加上沒有詳細的系統維護文檔，部分零部件停產需定制致使配件維修費用昂貴、周期長等，給設備的保障帶來極大的困難，設備無法正常工作導致在生產中不能發揮正常效能，嚴重影響加工質量和進度。但該設備機械部分剛性好，精度保持較好，具有較高的換腦改造再制造[1]價值，被納入04 專項換腦工程專項課題支持并成功實施換腦改造。主要介紹采用華中數控 848D 高檔數控系統[2]在 MH1600W 立臥轉換加工中心設備上的換腦改造方案、實施和應用情況。
1、 MH1600W 設備現狀及存在的問題
MH1600W 設備加工范圍 X 軸 1600 mm、Y 軸 800 mm、Z 軸 800 mm, 并帶有 Φ800 mm 工作臺，4 個全閉環控制的坐標軸，鏈式刀庫的容量為 30 把刀，機械手自動換刀，屬大中型加工中心，該設備主軸轉速 20~3200 r/min，功率 15 k W，扭矩1210 N·m，可自動進行立臥轉換，具備四軸四聯動加工功能，數控系統為德國海德漢 MILLPLUS 系統。該設備一次裝夾可實現對工件的立式與臥式兩種加工工藝，發揮立臥轉換機床的效能，縮短工藝流程，減少裝夾次數與裝夾時間，能完成多面體復雜加工，使工件加工精度、加工效率及工件質量均得到大幅提升[3]，主要用于工序多、周期長、質量難控制精密復雜結構件、關鍵件以及外協件加工，被列為公司的關鍵設備，在航天軍民品零件加工中發揮著重要作用。其主要存在的問題如下：
（1） 數控系統落后老化 。 數控系統為 HEIDENHAINMill Plus V320，智能化程度低，開放程度差，功能相對較少，數控主機、I/O 板、信號板等板卡為 PHILIP 早期控制產品，各軸的數控伺服控制模塊和電源模塊為德國力士樂模擬產品，均停產，加上硬件 PCB 板老化，故障率高。
（2）控制系統相對落后。線路、繼電器、接觸器等元件老化，動作可靠性降低，元件的集成度較低，3 個線性軸光柵信號衰減報警頻繁。
（3）機械零件磨損。Z 軸高速運行時抖動，工作臺鎖緊缸出現多次銹蝕卡死現象，刮屑板磨損運行不暢。
（4）潤滑、液壓系統老化。管路老化，潤滑不良，液壓系統漏油滲油嚴重，工作臺多次鎖死，機械手自動換刀有時不到位或動作遲滯；
（5）其他。部分維修配件停產需定制，供貨周期較長，且價格昂貴，技術資料不全等。
由于四軸立臥轉換加工中心在航天加工工藝中的獨特地位，考慮到該機床的功能較齊全，主要功能部件完好，因此對該機床實施換腦改造比報廢、更新一臺同等規格的設備更為經濟合算。
2 、換腦改造實施方案
2.1 系統選擇及實施方案
在國家重大專項課題的支持下，國內數控系統企業以西門子、發那科等國外先進數控系統為對標產品，自主研發了華中數控 HNC-808/818/848 型、廣州數控 GSK27 型、大連光洋GNC60/61/62 型、沈陽高精 GJ400 型等一批中、高檔數控系統產品。攻克了開放式平臺技術、現場總線技術、高速高精、多軸多通道、同步控制和可靠性等核心關鍵技術，實現了數控系統的跨越式發展，其穩定性、可靠性經受了用戶的檢驗[2]。
對于這種高精度立臥轉換數控機床來說，電氣控制系統的可靠性至關重要。在幾何精度、剛性、慣量等各機械因素一定的情況下，數控系統對整個加工的質量、效率則起到決定性的作用。
在對原機床的技術狀態進行仔細分析后，制訂以下改造方案：從目前幾種主流的國產數控系統來看，結合公司現有數控系統使用情況，設備采用華中 8 系統 HNC-848 全數字高檔數控系統替換原有的 MAHO CNC 數控系統，進行換腦升級改造，該系統在航空航天系統使用已較普遍，系統穩定性、可靠性口碑好，并經受 MBTF 20 000 h 的考核，后期硬件和服務支持也有保障，為今后的維護、升級、擴充、通信等提供方便。采用華中數控交流數字伺服單元和登奇伺服電機來替換原有的交流伺服單元和伺服電機；采用華中數控交流數字主軸驅動模塊和主軸電機來替換原有的交流伺服單元和交流主軸電機；采用海德漢封閉式的光柵尺、圓光柵替代原有老化停產的光柵尺、圓光柵；更換、檢修 X、Y、Z 軸滾珠絲杠、絲母和導軌；檢修液壓和潤滑系統，更換管路和閥組。
根據設備存在的問題和現狀，換腦改造主要從控制系統、機械、液壓和潤滑幾個方面全面考慮，關鍵是控制系統的改造，包括電氣系統改造、邏輯控制設計和數控系統調試，難點在于對設備的控制邏輯進行準確分析，對傳感器信號進行檢測、判斷和控制，確保設計安全可靠。
2.2 HNC-848D 系統主要性能及系統配置
華中數控 HNC-848D 為全數字總線式高檔數控系統，采用模塊化開放式體系結構，支持自主開發的 NCUC 總線及 Ether－CAT 總線協議，具有高速高精加工控制、五軸聯動控制、多軸多通道控制、雙軸同步控制及誤差補償等高檔數控系統功能，具備面向數字化車間網絡通信能力，滿足機床復雜加工工藝及控制要求。
設備換腦改造采用華中數控 HNC-848D CNC 系統，系統連接及配置見圖 1，其中 Y 軸帶抱閘，伺服驅動、主機模塊、通訊線纜、動力線纜、光柵尺和編碼器電纜屏蔽層必須可靠接地，提高抗干擾性。
3 、改造實施
3.1 電氣控制系統改造
3.1.1 伺服驅動器和電機
去掉原機床 X、Y、Z、B、S 軸 5 臺交流伺服電機和伺服驅動器采用華中數控伺服驅動和登奇電機，外接制動電阻。其中 Y軸帶抱閘，電機安裝接口需設計電機座、過渡法蘭和連軸器；主軸調速給定由數控系統程序 S 指令設定，主軸啟動、停止、點動、變速等操作都集成在系統操作面板上。
3.1.2 光柵系統
更換原機床 X 軸有效行程 1640 mm，Y、Z 有效行程 920 mm光柵尺和 B 軸圓光柵為海德漢 18 000 線圓光柵，配海德漢標準電纜，實現各軸的全閉環控制；采用 2048 線 ROD480 圓光柵更換主軸定向 ROD486 圓光柵。
3.1.3 刀庫
恢復刀庫控制和管理功能，實現刀庫自動找刀、定位，利用數控系統實現就近選刀功能，機械手自動換刀，并設置手動單步換刀功能，方便維護調試和操作人員進行換刀和對刀操作。
3.1.4 低壓電氣設計
更換機床控制和信號線纜和套管，數控系統及進給驅動部分加裝隔離電源。驅動器電源進線加裝交流電抗器，數控系統電源進線加裝隔離變壓器，保證所有裝置接地良好。保留原機床電氣控制柜，重新現場裝配并進行二次布線，控制柜中低壓控制元件全部更換新件，電柜出線按機床部件順序排列，屏蔽線均可靠接地。更換操作箱，操作箱采用鋁制機箱，更換控制面板、按鈕站面板及面板元件，恢復原機床的控制功能。
3.1.5 邏輯設計與控制
I/O 模塊通過總線連接到系統，利用 PLC 代替電路中大量的繼電器和接觸器的控制電路，實現機床的所有邏輯順序控制任務，包括：主軸立臥轉換、液壓、潤滑、夾緊放松、機械手運動、冷卻、排屑、控制電源、外部保護等控制，系統具備梯形圖在線監控功能。主軸立臥轉換通過 PLC 完成，轉換到位后才允許啟動。
（1）立臥轉換及換刀。該設備的主要動作是主軸立臥轉換和機械手換刀。根據加工需要選擇主軸立式或臥式加工，轉換過程見圖 2、圖 3，保護主軸的堵蓋總是裝在不用的主軸上，避
免進屑子。機械手換刀動作基本流程可以分解為選刀過程和換刀過程，選刀動作必須在換刀動作之前完成。選刀動作主要是負責選取指定的刀號的刀具，旋轉刀庫到指定刀具位置，然后等待換刀動作開始。換刀動作主要負責將刀庫上選定的刀具和主軸上的刀具進行交換的動作。
圖 1 系統連接及主要配置
圖 2 立式轉臥式
圖 3 臥式轉立式
（2）主要參數設置。MH1600W 立臥轉換加工中心是通過立式或者臥式的不同換刀位置來進行換刀；換刀位置參數在坐標軸參數下面的對應軸 0（X）、軸 1（Y）、軸 2（Z）參數：
立式主軸定向位置參數為 #105 539=2792；
臥式主軸定向位置參數為 #105 590=3190；
立式 Y 軸換刀位置參數為 #101 021=22.145；
立式 Z 軸換刀位置參數為 #102 021=-33.7；
臥式 Y 軸換刀位置參數為 #101 022=21.345；
臥式 Z 軸換刀位置參數為 #102 022=-180.8；
臥式 Z 軸讓刀位置參數為 #102 023=0。
3.1.6 其他功能
（1）系統具備反向間隙補償、絲杠螺距誤差補償等功能，可對機床的幾個軸向移動分別進行補償，消除傳動間隙。同時調整系統和驅動器參數，使機床具有較高的回零精度和響應速度。
（2）恢復原機床各項控制、連網功能，設置全方位報警文本功能，使系統能自動檢測由于誤操作、編程錯誤，各電氣部件問題所引起的各種故障，系統除進行相應的保護動作外，同時顯示報警號和報警文本，方便維護。
3.2 機械、液壓、潤滑檢修
（1）檢查機床各軸的滾珠絲杠，更換聯軸節，更換各軸滾珠絲杠兩端的支撐軸承、軸承調整墊，消除絲杠軸向竄動。調整各軸滾珠絲杠的軸向預加載荷，消除反向間隙，保證機床各軸的定位精度及重復定位精度要求。
（2）檢修工作臺，檢修轉臺鎖緊裝置，對工作臺鎖緊槽除銹處理，更換鎖緊缸,檢修 B 軸蝸輪蝸桿，調整蝸輪蝸桿間隙，更換蝸輪蝸桿軸承和編碼器，使定位準確。
（3）更換主軸前、后端軸承，檢查主軸箱內各換擋齒輪及拔叉是否磨損或損壞；檢查主軸錐孔的磨損情況，可用標準研棒研磨處理；更換蝶簧，調整松拉刀機構和壓力，達到松拉刀要求。
（4）更換 X 軸導軌刮屑板，防止鐵屑及灰塵進入導軌，造成導軌刮傷；檢修機床各軸防護裝置，更換全部 X 軸、Y 軸、Z 軸防護板的密封條，防止雜物進入。
（5）檢修機床自動換刀裝置，即刀庫及機械手裝置，檢查液壓閥、液壓馬達、更換損壞的零件及電磁閥，使機床自動換刀穩定可靠。
（6）檢查液壓裝置及液壓箱，更換機床老化或損壞的液壓元件、閥體、管路、電磁閥、密封圈、集中潤滑裝置、潤滑管路、分配器，冷卻裝置及管路等，更換蓄能器，檢修液壓泵，防止泄漏，壓力達到正常標準，液壓間歇自動補壓，解決液壓頻繁啟動導致油溫過高和漏油問題。
幾何精度調整檢驗合格后，后采用利用激光干涉儀對機床的幾個軸向移動分別進行測量和補償；同時調整優化系統和驅動器參數，使機床具有較高的動態性能、定位精度和重復定位精度，同時減小跟隨誤差。
4、 實施后的效果和優點
換腦改造后，機床的定位精度、重復定位精度達到原有機床的精度；按 GB/T 18400.7—A320 輪廓加工試件加工試切，經三坐標測量機測量，直線度、垂直度、圓度、孔的定位精度等均達到原機床試件的加工精度。
在更換數控系統的基礎上，使用全閉環控制、多平面刀具補償、小線段連續優化過渡等功能，并通過以太網與車間 DNC 系統聯網實現數據網絡傳輸，實現機床狀態實時采集與監控，大大提升機床的加工能力與加工效率。同時對原有的機械部分做了充分的維護和保養。對相關機械連接件做了必要的重新設計和更換。簡化了電氣柜內的線路連接，通過模塊化的方式，重新設計電氣柜的電氣連接，方便維護和故障檢修，設備可維修性得到提高。
5 、結束語
通過國家重大專項支持，采用華中數控 8 型系統成功進行換腦改造，在完成以上改造后，該機床的性能和精度達到或超過原機床。經過近半年時間的生產實踐證明，該改造方案經濟可行，系統運行穩定，故障率很低，故障停機時間比以前大為減少，提高了加工精度，原值 550 萬元瀕臨報廢的設備在科研生產中又重新煥發生機，取得良好的經濟效益，完全能夠滿足航天軍工高精度、高效率、高可靠性的要求，改造費用控制在同檔次進口機床價格的 1/4 以內，避免了采用進口數控系統進行改造成本高、時間長等問題，實現進口數控系統的國產化替代，延長設備使用壽命，達到預期的效果。同時推動國產高檔數控系統在航天領域廣泛應用，提升軍工企業的智能制造能力和生產效率，保障軍工企業信息安全、產業安全和經濟安全，為國防安全的自主可控提供保障。
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