中達電通股份有限公司應用方案：基於中達電通自動化平台的車銑複合加工機床解決方案

    摘  要：本文討論如何利用中達電通PUTNC-HCL-T加強型車床數控係統，並配合台達 ASD係列交流伺服係統、台達VFD-VE係列高性能磁束向量控製交流變頻器、CS7主軸專用編碼器的一體化控製平台解決方案來實現經濟型車床向具有車、銑複合加工功能中高端車削中心的功能轉變。
關鍵詞：CNC複合加工   經濟型車床   車銑複合   主軸C軸功能
1       引言
    隨著機械冷加工領域零件產品的多樣化少量化以及日趨複雜化，金屬切削製造業對能夠加工出高質量、高精度、高效率、低成本產品的CNC（計算機數控）機床的需求日益增加。同時作為數控機床製造商，如何在現有生產能力的基礎上能夠簡單、實用、高效、經濟地生產出具有複合加工能力的CNC機(ji)床(chuang)，在(zai)日(ri)趨(qu)激(ji)烈(lie)的(de)市(shi)場(chang)競(jing)爭(zheng)中(zhong)求(qiu)得(de)生(sheng)存(cun)並(bing)發(fa)展(zhan)，也(ye)是(shi)產(chan)品(pin)研(yan)發(fa)的(de)主(zhu)要(yao)目(mu)標(biao)和(he)方(fang)向(xiang)。為(wei)此(ci)機(ji)床(chuang)的(de)設(she)計(ji)與(yu)製(zhi)造(zao)者(zhe)們(men)一(yi)直(zhi)在(zai)做(zuo)出(chu)不(bu)懈(xie)的(de)努(nu)力(li)。
2       CNC複合加工技術
    一yi個ge零ling件jian產chan品pin的de生sheng產chan，通tong常chang需xu要yao多duo道dao工gong序xu方fang能neng完wan成cheng，不bu同tong的de工gong藝yi方fang法fa有you著zhe不bu同tong的de加jia工gong原yuan理li和he特te點dian，不bu同tong的de加jia工gong工gong序xu有you著zhe不bu同tong的de加jia工gong目mu的de和he要yao求qiu，因yin此ci它ta們men各ge自zi需xu要yao用yong著zhe不bu同tong的de加jia工gong設she備bei來lai實shi現xian。
在傳統的製造工藝中，一個零件的製造往往就需要有多種、多duo台tai不bu同tong的de加jia工gong設she備bei來lai完wan成cheng。這zhe不bu僅jin增zeng加jia了le設she備bei的de台tai數shu和he生sheng產chan廠chang房fang的de占zhan地di麵mian積ji，從cong而er增zeng加jia了le企qi業ye的de投tou入ru，而er且qie由you於yu生sheng產chan過guo程cheng中zhong零ling件jian需xu在zai工gong藝yi和he工gong序xu設she備bei間jian等deng待dai、運輸、檢jian查zha和he重zhong新xin定ding位wei裝zhuang夾jia等deng因yin素su，既ji影ying響xiang加jia工gong精jing度du，也ye必bi然ran增zeng加jia了le不bu少shao生sheng產chan輔fu助zhu時shi間jian。統tong計ji表biao明ming，這zhe部bu分fen非fei加jia工gong時shi間jian將jiang占zhan到dao零ling件jian生sheng產chan總zong周zhou期qi的de70%~95%左右，從而大大地製約了生產效率的提高。
    隨著金屬切削製造業蓬勃發展，對於傳統加工方式，甚至是使用普通的分散式CNC加(jia)工(gong)方(fang)式(shi)都(dou)可(ke)能(neng)已(yi)不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)機(ji)床(chuang)用(yong)戶(hu)對(dui)複(fu)雜(za)零(ling)件(jian)的(de)加(jia)工(gong)要(yao)求(qiu)。取(qu)而(er)代(dai)之(zhi)的(de)就(jiu)是(shi)把(ba)不(bu)同(tong)加(jia)工(gong)技(ji)術(shu)集(ji)中(zhong)在(zai)同(tong)一(yi)台(tai)機(ji)床(chuang)上(shang)完(wan)成(cheng)的(de)集(ji)約(yue)式(shi)的(de)複(fu)合(he)加(jia)工(gong)方(fang)式(shi)，並(bing)已(yi)成(cheng)為(wei)未(wei)來(lai)機(ji)床(chuang)發(fa)展(zhan)的(de)重(zhong)要(yao)方(fang)向(xiang)。
    CNC複合加工就是把幾種不同的加工工藝，放在同一台數控機床上來實現零件的加工，例如在一台數控機床上可以進行車削加工、銑削加工、鑽孔加工等。CNC複合加工是近年來金屬切削加工領域中最流行的先進製造技術之一。具有複合加工能力CNC機ji床chuang的de最zui大da的de優you點dian就jiu是shi能neng夠gou通tong過guo一yi次ci零ling件jian裝zhuang夾jia，即ji可ke實shi現xian零ling件jian多duo種zhong不bu同tong工gong藝yi的de加jia工gong，從cong而er達da到dao減jian少shao機ji床chuang和he夾jia具ju，免mian去qu工gong序xu間jian的de搬ban運yun和he儲chu存cun，提ti高gao零ling件jian加jia工gong精jing度du，縮suo短duan製zhi造zao周zhou期qi和he節jie約yue作zuo業ye麵mian積ji的de目mu的de，為wei使shi用yong者zhe帶dai來lai效xiao益yi。
    根據圖1展示燃氣具燃燒噴嘴零件加工圖，傳統的加工方式需要下3道基本加工工序方能完成：使用CNC車床或者小型液壓仿形車床來加工外圓輪廓；使用鑽床安裝分度卡盤或者專用夾具實現來分度鑽孔；使用鑽床安裝專用的快換夾頭來實現側麵的鑽孔和攻絲。
    而在具有複合功能的CNC車床上生產時，通過一次工序裝夾，簡單的NC編程就能方便快速的實現上述所有加工步驟，極大的提高了加工效率。

圖1  燃氣具燃燒噴嘴
3        車銑複合功能的實現以及和經濟型CNC車床的差異
3.1 機械結構的差異
    以車削為基礎的CNC複合加工車床，通常是以普通CNC數控車床為基礎，配以一個多個工位的刀架和動力旋轉刀具發展而成，加工對象主要是軸類、盤套類等回轉體零件。除主要進行車削加工外，還可以進行部分的銑削、zuankonghegongsidengjiagong。weileshixianzaiyitaichechuangshangtongguoyicizhuangjia，biankeduihuizhuantilingjianjinxingquanbuhuodabufendejiagong，yincizaitachechuangdechuangshenshang，chulekeyianzhuangyibandechexuedaojuwai，haiyaojuyounenggouanzhuangshangxidao、鑽頭和絲錐等旋轉的輔助動力裝置，這點是具有車、銑複合功能CNC車床機械結構上區別於經濟型車床的顯著特征。
3.2CNC控製係統的差異
    （1）C軸功能。對於具有車、銑複合功能CNC車床，它控製係統的主軸通道，除了能夠執行S代碼主軸的功能，控製機床主軸變速旋轉外，還要能夠實現機床主軸可以精確分度的C軸功能和C與Z軸、C與X軸的聯動功能。具有這樣複合功能CNC車床不僅可以像普通數控車床那樣能對回轉體零件的內外表麵（含圓柱麵、錐麵、曲麵等）、端麵進行車削加工，還可以利用C-Z軸聯動功能車螺紋，利用C軸分度功能和X或Z軸上安裝的動力旋轉刀具進行偏離回轉體零件中心線的鑽孔和銑削加工，從而大大地擴展了數控車床複合加工的能力。
    （2）多軸的控製能力。標準的經濟型的CNC車床通常配置1路主軸通道（伺服主軸或者變頻器主軸）和2路伺服進給軸通道（X軸、Z軸），而具有車、銑複合功能CNC車床，還需要增加輔助動力裝置來實現鑽孔和銑削加工，因此就需要控製器能夠提供更多的伺服軸通道（如A軸、Y軸）來控製輔助動力裝置，滿足控製的要求，如圖2所示。

圖2多軸加工
4       基於中達電通自動化平台的車銑複合加工解決方案
    綜合上述的分析，我們了解到從經濟型車床向具有複合加工能力的CNCchechuangdezhuanbianshixuyaozaijichuangdianqikongzhijiagouhejixieshejilianggefangmiantongshirushoulaimanzudeyaoqiude，duiyuhouzheyinweimeigejichuangzhizaoshangdejitaishejibujinxiangtong，erliyongzhongdadiantongCNC係統的PLC的(de)開(kai)放(fang)性(xing)完(wan)全(quan)可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)不(bu)同(tong)的(de)機(ji)械(xie)設(she)計(ji)需(xu)求(qiu)，本(ben)文(wen)對(dui)機(ji)械(xie)部(bu)分(fen)不(bu)再(zai)做(zuo)討(tao)論(lun)，主(zhu)要(yao)介(jie)紹(shao)中(zhong)達(da)電(dian)通(tong)在(zai)電(dian)氣(qi)控(kong)製(zhi)方(fang)麵(mian)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)的(de)整(zheng)體(ti)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。
    機電自動化產業製品豐富的中達電通除能夠提供PUTNC-H4CL-T加強型車床數控係統來滿足具車、銑複合功能的CNC車床的控製要求外，還能夠提供台達 ASD係列交流伺服係統、台達VFD-VE係列交流變頻器，CS7主軸專用編碼器等全套工業自動化產品來滿足電氣控製方麵的需求，使機械製造商有能力在現有生產能力的基礎上能夠簡單、實用、高效、經濟地生產出具有複合加工能力的CNC機床，從而為機械製造商和最終用戶帶了更大的利益。
4.1CNC 控製係統介紹
    基於金屬切削製造業對具有複合加工能力的CNC機床的市場需求和未來發展的技術趨勢，中達電通在2006年底將PUTNC-H4CL-T加強型車床數控係統推向市場（圖3）。創新設計的PUTNC-H4CL-T加強型車床數控係統采用了全新的硬體設計架構，完全繼承了中達電通數控係統的穩定性和操作易用性的特點，使其性能更加出色。
PUTNC-H4CL-T技術特點：

    （1）開放式的係統架構，內含嵌入式 PLC。 LCD界麵可規劃，能夠滿足不同機械製造商的客製化需求。
    （2）10.4寸彩色液晶顯示器，視野更大、更清晰。
    （3）分體式操作平台，使用更方便，操作更靈活。
    （4）最大控製伺服通道數：4路伺服軸（X、Z、Y、A）。
    （5）主軸控製通道數：可以控製1路伺服主軸或變頻主軸，主軸控製具有S主軸功能和C軸任意角度分度功能。
（6）車、銑一體機的設計理念，能夠實現C與Z軸、C與X軸的聯動功能，可以進行螺旋槽銑削，高精度螺紋加工等豐富加工功能。
（7）配合銑刀、鑽頭和絲錐等旋轉的輔助動力裝置能夠實現剛性攻絲、、X軸向鑽孔、Z軸向鑽孔、偏心剛性攻絲等複合加工功能。
4.2CNC係統的參數配置
使用PUTNC-H4CL-T車床數控係統的參數界麵，機床製造商可以方便的通過相應參數配置來實現主軸機能和輔助動力頭功能，而無須對CNC的PLC程序進行編輯。從而可以更輕鬆的構建CNC車床複合加工所需各項控製機能，如圖4所示。

    5       台達 ASD係列交流伺服係統
    台達ASD-A係列進階型交流伺服係統和ASD-B標準型交流伺服係統是台達電子分別於2003年和2005年麵向市場推出的2款主流伺服產品，能夠全方位滿足工業用戶的需求，特別在CNC機床的應用上性能表現更加優異。
    台達伺服針對於CNC機床領域特點：
    （1）內建完整的三種（位置 / 速度 / 轉矩模式）基本控製機能，可以方便的和上位控製器連接。
    （2）動態響應性好，伺服整定時間1ms、空載狀態下-3000RPM~3000RPM的加速時間10ms。
    （3）PDFF（ Pseudo-Derivative Feedback and Feedforward）強健式控製架構相應更快速、對外部幹擾有更強的抑製補償能力，從而能夠保證車刀切削瞬間,或者其它外力突然介入時，伺服定位或定速被影響很少，如圖5所示。
    （4）伺服的自動增益調整功能，能夠自動評估負載情況並合理設置伺服增益，從而使伺服調試更簡單、更快捷，且伺服定位更精準，無超越量和加速度過衝。

圖 6 ASD-A係列內置的伺服分度功能

6       台達VFD-VE係列高性能磁束向量控製交流變頻器
    台達VFD-VE係列是2007年為滿足高端市場推出的一款全新產品，其頻率輸出範圍為0~ 600 Hz，而V2H型的輸出更高達3600Hz，完全能夠滿足CNC機床高速主軸的控製需求。利用獨特位置控製功能，配合H4CL-T係統的C軸機能亦可實現主軸任意角度分度功能。
VFD-VE係列交流變頻器特點：
    （1）內置V/F，向量控製。轉矩控製，以及位置控製功能。
    （2）頻率輸出範圍為0~ 600 Hz，高端機型的輸出更高達3600Hz。
    （3）速度控製精度：FOC+PG閉回路控製，可達+/-0.02%。
    （4）低速力矩：0.5HZ可達150%。
    （5）可做馬達參數和負載慣量估測以及高速弱磁曲線估測功能。
    （6）機械煞車控製功能、瞬時停電時減速功能。
    （7）馬達溫度回授保護（PTC）功能。
7 台達CS7主軸專用編碼器
CS7主軸專用編碼器特點：
    （1）最高適應轉速高達8000RPM，最高相應頻率為300kHZ。
    （2）機構設計能夠適應重負載工作環境，耐震動，耐高溫。
    （3）航空接頭，防護等級為IP65,適用於高油氣環境。
    （5）模塊化設計，多種規格可選，可靠性高。
8 結束語
    複合加工技術是未來CNC機ji床chuang發fa展zhan的de重zhong要yao方fang向xiang。中zhong達da電dian通tong量liang身shen定ding度du的de整zheng體ti自zi動dong化hua解jie決jue方fang案an，對dui於yu機ji床chuang製zhi造zao商shang而er言yan完wan全quan能neng夠gou滿man足zu經jing濟ji型xing機ji床chuang向xiang具ju有you複fu合he功gong能neng中zhong高gao端duan機ji床chuang的de功gong能neng轉zhuan變bian。讓rang機ji床chuang製zhi造zao商shang能neng夠gou尋xun找zhao到dao更geng高gao的de目mu標biao市shi場chang，產chan品pin更geng具ju有you競jing爭zheng力li。
    對於機床最終用戶而言，應用了複合加工技術的CNC機ji床chuang，結jie合he中zhong達da電dian通tong控kong製zhi係xi統tong的de穩wen定ding性xing和he易yi用yong性xing，生sheng產chan工gong藝yi也ye將jiang由you傳chuan統tong分fen散san式shi生sheng產chan轉zhuan變bian為wei先xian進jin集ji約yue式shi生sheng產chan方fang式shi，產chan品pin質zhi量liang和he零ling件jian的de製zhi造zao周zhou期qi也ye將jiang有you“質”和“量’的飛躍,從而為其創造出更大的效益。顯而易見，由於解決方案集成了單一品牌自動化平台，使得基於中達電通CNC機床的最終用戶容易獲得設備生命周期總擁有利益TB0(Tota1Benefit 0f 0wnerShip)最大化的經濟技術特點。