CK3263A数控转塔车床改造

王海龙 闫秦川 姚敬博

CK3263A数控转塔车床是西安航天发动机厂1993年购买的数控设备，经过多年的使用，机床可靠性和稳定性下降，设备CRT不显示，已经无法使用。综合考虑决定对该设备进行数控系统升级改造。

一、存在的问题

CK3263A数控车床系沈阳第三机床厂1991年出产，采用发那科3T数控系统。主轴控制器为V57模拟驱动器，主轴电机为直流电机（型号Z4-180-31，功率37kW，转速3000r/min）。主轴箱变速采用四挡液压驱动滑移齿轮，速度范围19～1500r/min，主轴卡盘夹紧松开采用液压驱动。机床床身导轨采用75°倾斜形式，最大车削直径630mm。刀架采用12工位水平轴回转盘式编码器刀架，卡盘和尾座采用液压夹紧方式，有排屑器自动排屑功能。直线轴X、Z，X轴配有液压平衡油缸，各进给轴位置按标准数控车床坐标标准定义，快进速度X轴8000mm/min，Z轴6000mm/min。X、Z轴为半闭环控制，测量系统为增量编码器。X、Z轴均为模拟直流驱动器和直流伺服电机。直流伺服电机力矩34.3N·m，转速 1000r/min，电流 30A，电压 130V。

发那科3T为20世纪80年代后期的产品，系统元器件老化严重，连接电缆多，体积大结构复杂，因此突发故障多，并且该系列已停止生产，机床部件一旦损坏，维修更换都较为困难。模拟直流驱动器和直流电机有零点漂移的缺陷，容易在产品加工中影响产品质量。经过多年的使用，滚珠丝杠磨损严重，X轴的定位精度0.149mm（出厂标准0.035mm），重复定位精度为0.028mm（出厂标准0.01mm）；Z轴的定位精度0.058mm（出厂标准0.04mm），重复定位精度为0.023mm（出厂标准0.01mm），Z轴快进时局部有抖动。主轴控制器为V57模拟驱动器，模拟信号容易受到干扰，驱动器本身由多层电路板组成，故障率高，维修困难。设备CRT不显示，已经无法使用。

二、选型与改造

根据设备使用要求和原配置使用状况，经过市场现状调研与分析，本着有针对性与实用性、经济性与可靠性的原则，认为西门子数控系统性能先进可靠、市场占有率高，操作界面容易熟悉，最终选择了西门子802D数控系统，它是车床类通用型控制机，具有结构紧凑、体积小、精度高等特点，并且价格合理，完全可以满足设备使用与控制功能的需要。

1.数控系统特点及功能

（1）西门子数控SINUMERIK 802D系统是专门为中国市场而开发的经济型CNC控制系统，全数字化结构，通过PROFIBUS总线连接，不但结构紧凑、电缆减少、可靠性好，驱动系统刚性强，而且操作界面简单友好，驱动单元通过SimoComU软件实现电流环和速度环的优化，没有零点漂移的缺陷。

（2）在位置控制中定位精度高，在速度环控制中调速精度高，抗负载扰动的能力强，即静态和动态速降小，保证了数控机床的定位精度、加工精度、零件加工质量和提高了效率。

（3）西门子802D除了有较高的定位精度外，还有良好的快速响应特性及前馈功能，即跟踪指令信号的响应较快，位置跟踪误差（位置跟踪精度）较小，保证了轮廓切削形状精度和加工表面质量。

（4）伺服系统调速范围宽，为 0.3～3000mm/min（1∶10，000）。

（5）西门子伺服系统在低速进给时有大的转矩输出，转矩波动小，速度平稳无爬行，适合机床在低速时进行重切削的要求。

（6）1FK7交流伺服电机是西门子新一代紧凑型高效电机，具备相当的加速能力和较低的固有转动惯量，可以在很短的时间内实现极端工作负载循环，实现快速定位和启停，从而保证速度环和位置环的完美曲线轨迹。

图1 进给伺服的半闭环控制

图2 数控系统硬件配置与组成

（7）数控系统主要功能：直线、圆弧、螺旋插补、三轴联动、通过外部DNC执行程序、手动/自动/单步/MDI等多种运行方式，标准的G、M、T功能，可编程的零点偏置、进给率F连续可调（0%～120%）、刀具半径补偿、长度、磨损补偿、倒直角/倒圆角功能、前馈功能（Look ahead，10 blocks）、极坐标编程功能、FRAME 功能（比例、缩放、旋转、镜像）、固定钻削、车削循环、两极软限位、参数编程、子程序调用、反向间隙和螺距误差补偿功能、报警文本功能、PLC的面板显示、通过RS232接口与PC机通信功能、中文菜单、数据保护功能。

2.电气部分改造

（1）拆除原发那科3T数控系统。采用西门子全数字SINUMERIK 802D数控系统，HMI10.4英寸液晶显示屏，通过PROFIBUS总线实现PCU-PP72/48-SIMODRIVE之间的通信，输入输出通过PP72/48模块实现。更新的数控系统功能按标准车床版配置，并且批量加工能满足工艺的节拍和精度要求。

（2）拆除原主轴驱动器驱动，更换为英国欧陆590P全数字DC主轴驱动器（CHHE DCZ510-400V/190A直流主轴驱动装置），保留原主轴直流电机。

（3）拆除原所有X、Z轴驱动器和电机。采用西门子SIMODRIVE 611UE全数字驱动器，配备西门子最新推出的高性价比的1FK7系列电机，X、Z轴仍为半闭环控制，电机端的编码器反馈速度和位置信号如图1，X、Z直线轴快进速度不低于8000mm/min、6000mm/min。控制和联动轴数均为2轴。电机参数：X轴为 36N·m和 3000r/min（带抱闸），Z轴为 36N·m和3000r/min。

（4）增装日本产移动式手持单元，方便操作者准确对刀。换装1024线主轴编码器，增装RS232接口及通信程序和通信电缆。

（5）重新设置机床参数和编制机床运动的PLC程序，保留电控柜，更换所有低压器件。所有电气布线符合国家相关标准（GB4064），布线合理、安全、美观并具备足够的抗干扰能力。数控系统硬件配置与组成如图2。

3.机械部分改造

（1）保留原主轴的液压驱动滑移齿轮换挡（4挡）及原卡盘的液压夹紧工作方式、原主轴箱的垂向（Z轴）液压平衡功能、原刀架本体。

（2）拆除原X、Z轴的滚珠丝杠，换装台湾上银科技公司产精度等级三级的滚珠丝杠。有效行程不小于350mm和1000mm，精确尺寸合格。

（3）检修主轴齿轮箱，更换损坏的传动部件。检查并调整液压系统的缸体、阀及管路，更换所有液压电磁阀。增装南京贝奇尔可调流量和间隔式自动润滑泵V-III（通过PLC实现）。

（4）更换损坏的机床回零开关和限位开关,并具备防水和防金属屑功能。拆除原操作面板及操作箱，根据新系统设计并安装HMI、MCP 及操作箱。

三、改造效果

（1）用西门子全数字SINUMERIK 802D数控系统替换发那科3T系统，通过PROFIBUS总线连接，不但具有结构紧凑、电缆减少、可靠性好、驱动系统刚性强的特点，而且操作界面简单友好，驱动单元通过SIMOCOMU软件实现电流环和速度环的优化，没有零点漂移的缺陷，新系统含概原系统所有功能。

（2）用欧陆590P全数字DC主轴驱动器替换V57模拟驱动器，使主轴的稳定性大幅提高，故障率降低。

（3）更换X、Z轴滚珠丝杠，使两运动轴的几何精度达到设备原出厂标准。

（4）检修主轴齿轮箱和转塔刀架，调整液压系统后，主轴和刀架比改造前运转灵活稳定。

（5）该设备自2006年5月改造使用至今，运转正常、工作稳定，达到设备出厂和科研生产要求，生产出了合格产品，工作效率和产品质量得到了提高。

（6）该设备原值78.5万元，设备改造费用为18万元，改造投资比例为23%。设备增值后的资产值（设备净资产加上改造投资）远低于购买相同类型数控机床的投资额，且由于投入使用以来设备故障率大幅下降，从而使生产效率和产品质量均有了较大提高，取得了良好的投资效益。

现有工业企业中有很大数量的早期数控设备由于数控系统老化、过时等原因而不能被充分利用，其中部分企业存在着资金短缺的现状。因此，以延长设备使用寿命和提高精度及稳定为出发点的数控设备改造就显得尤为重要。正确选用好数控系统，降低改造成本和追求改造综合效能最佳是企业的目标。

W10.01-23