如何提高金屬切削數(shù)控機(jī)床的加工效率,充分利用機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、負(fù)載和軸進(jìn)給速率,加工材質(zhì)、切削量多變的工件,同時(shí)又能自動(dòng)保護(hù)機(jī)床和主軸系統(tǒng),保護(hù)較昂貴的刀具,這已經(jīng)越來越受到終端用戶和機(jī)床制造廠家關(guān)注的問題之一。以色列OMAT公司的ACM自適應(yīng)控制監(jiān)控系統(tǒng)正是為了適應(yīng)這種要求,從控制角度為解決該問題提出的理想方案。

OMAT公司ACM作為西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的重要選件,可以提供多種版本形式,外裝式ACM裝置、純軟件集成式ACM、PC卡軟硬件混合式ACM和單元軟硬件混合式ACM。其中,種軟硬件均做在ACM裝置中,外部接線多,但不受數(shù)控系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)器的限制,主要針對老系統(tǒng)和不能安裝集成ACM系統(tǒng)的機(jī)床用。第2、第3種是軟件為主的ACM系統(tǒng),或無外部接線,但是受非出口型數(shù)控系統(tǒng)限制,要求系統(tǒng)軟件版本高,目前在出口到國內(nèi)的840D系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)。因此我們在與OMAT公司合作中選用了第4種版本的ACM系統(tǒng)。

單元軟硬件混合式ACM系統(tǒng)工作原理

該ACM系統(tǒng)由三部分組成(圖1)。

圖1 單元軟硬件混合式ACM系統(tǒng)

·ACM控制單元:數(shù)字量輸出至840D系統(tǒng)的NCU,模擬量輸入信號來自O(shè)MAT功率傳感器模塊。ACM測量采集的主軸功率信號通過SINUMERIK RS232 串口與CNC的PC部分通訊。

·ACM實(shí)時(shí)控制軟件:集成在ACM控制單元的微處理器中。

·ACM用戶畫面接口:Windows用戶圖形界面用于配置和監(jiān)控自適應(yīng)控制過程。

ACM是一個(gè)實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制系統(tǒng),實(shí)時(shí)采樣機(jī)床主軸負(fù)載變化,據(jù)此自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)床進(jìn)給率至值。并且時(shí)實(shí)監(jiān)視記錄主軸切削負(fù)載、進(jìn)給率變化,刀具磨損量等加工參數(shù),并輸出圖形、數(shù)據(jù)至Windows用戶圖形界面。這些數(shù)據(jù)還可以存儲在硬盤供以后查閱存檔。

安裝與調(diào)試

1．硬件安裝

原理圖見圖2所示,主軸功率經(jīng)OMAT LA55-P型電流互感器測量,功率轉(zhuǎn)換器放大后,由9芯插頭輸入至ACM控制單元；進(jìn)給修調(diào)數(shù)字量信號輸入至PLC輸入模塊；ACM控制單元與PCU50(用戶操作接口)由RS232串口通信連接。此外還有以下控制信號:ACM后給PLC的輸入信號；ACM出現(xiàn)故障進(jìn)給保持信號；以及PLC報(bào)警使ACM產(chǎn)生復(fù)位的ACM RESET信號。

圖2 原理圖

2．PLC軟件編程

(1)下載OMAT標(biāo)準(zhǔn)PLC控制程序FB30并在OB1中調(diào)用:

CALL FB30 “OMAT_CYCLIC FB”

ACMFEEDOUT := IB40 //來自ACM的進(jìn)給修調(diào)信號

ACMFEEDOUT := I40.6 //來自ACM的報(bào)警進(jìn)給保持信號

ACMFEEDOUT := I40.7 //來自ACM的信號

ACMFEEDOUT := T10 //來自ACM的信號

(2)局部修改西門子標(biāo)準(zhǔn)MCP(機(jī)床控制面板)管理子程序FC19:

U DB50.DBX11.0 "OMAT_CYCLIC FB_IDB". ACMALARMOUT //PLC報(bào)警信號

R≠#MST_Inp23 [ 0 > "NC_STOP" //使NC停止

(3)編程N(yùn)C報(bào)警文本程序(程序略)

(4)修改機(jī)床參數(shù):MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE[23>=1.3

MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE[24>=1.4

MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE[25>=1.5

．ACM用戶圖形界面PC軟件安裝

(1)在F:>OEM下創(chuàng)建OPMS新目錄

(2)將OMAT軟盤上的下列文件拷入新建目錄F:>OEMOPMS

·OPMS.MDI ·OPMS.ZUS

(3)將文件025_GR.DLL和025_UK.DLL拷貝到F:>OEMLANGUAGE；

打開文件RE_GR.INI和RE_UK.INI插入語句:HSKT=“OMATIVE ACM”

(4)打開F:>OEM下的文件REGIE.INI插入語句:

TASK=NAME:=OPMS,TimeOut=6000

(5)拷貝OPMS.INI到F:>OEM；拷貝OPMS.EXE到F:>HMI_ADV

(6)安裝結(jié)束后重新啟動(dòng)西門子HMI。

運(yùn)行OMAT ACM系統(tǒng)

圖3 ACM主畫面

ACM PC軟件安裝完畢,在西門子840D系統(tǒng)主菜單增加名為OMAT ACM的軟鍵,按此鍵進(jìn)入ACM主畫面(見圖3)主畫面顯示下列信息。ACM運(yùn)行方式,3種方式選其中之一。狀態(tài)監(jiān)視,過載、運(yùn)行、主軸、在線/離線等狀態(tài)。主軸功率和進(jìn)給率是實(shí)時(shí)變化曲線及數(shù)值。當(dāng)前運(yùn)行值,參考編號、零件編號、開始加工時(shí)間、運(yùn)行耗時(shí)、切削工件耗時(shí)、節(jié)約用時(shí)(%)、進(jìn)給率(%)、進(jìn)給率(%)、當(dāng)前修調(diào)值(%)。

ACM工作模式:

ACM啟動(dòng)/停止方式:通過NC程序H功能自動(dòng)或者手動(dòng)啟動(dòng)/停止運(yùn)行。

切削參數(shù)輸入方式:切削參數(shù)如,刀具類型、齒數(shù)、工件材料、切削量()和速度可以手動(dòng)(Preset)或者在學(xué)習(xí)(Learn)方式自動(dòng)記錄切削參數(shù),然后在學(xué)習(xí)后(by learn)方式按照記錄參數(shù),監(jiān)控機(jī)床運(yùn)行。

ACM運(yùn)行方式:

進(jìn)給控制方式:ACM連續(xù)測量主軸負(fù)載并且實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)給率,出現(xiàn)過載則發(fā)出報(bào)警停止機(jī)床。

監(jiān)控方式:ACM連續(xù)測量主軸負(fù)載但不調(diào)節(jié)進(jìn)給率,有兩種監(jiān)控模式供選擇—負(fù)載監(jiān)控或負(fù)載允差監(jiān)控。

事件記錄方式:在此方式ACM只是將動(dòng)態(tài)切削數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)存儲器中,不做輸出處理。

OMAT ACM的特色和效果

傳統(tǒng)金屬加工刀具斷裂不可檢測和控制、刀具磨損靠手動(dòng)監(jiān)視、效率低,而OMAT ACM系統(tǒng)的自適應(yīng)控制技術(shù)對傳統(tǒng)加工技術(shù)提出了挑戰(zhàn),優(yōu)化了金屬切削CNC加工過程,提高了加工效率。典型應(yīng)用統(tǒng)計(jì):輪廓銑削省時(shí)約38%；銑槽省時(shí)約34%；3D銑面省時(shí)約37%；鉆孔省時(shí)約28%。并且具有下列保護(hù)功能:銑刀斷裂保護(hù)(報(bào)警并停機(jī)防止工件及后續(xù)刀具損壞)；深孔鉆刀具斷裂保護(hù)(報(bào)警并停機(jī))；刀具磨損監(jiān)控(數(shù)字顯示磨損量)；主軸過載保護(hù)(報(bào)警或停機(jī))。

正是由于OMAT ACM的自適應(yīng)控制技術(shù),的實(shí)用性,許多公司如Siemens AG、 Turbinenwerke、 Chevron Aerospace、Boeing、General Electric、Mitsubishi Motors, Toshiba GE 和Toyota Motors等公司都已大量使用,取得了明顯的效果。

交大昆機(jī)科技股份有限公司與以色列OMAT公司合作,成功地將單元軟硬件混合式ACM系統(tǒng)集成安裝于產(chǎn)品機(jī)床THM4680臥式加工中心的840D系統(tǒng)上,還做了大面工件切削對比實(shí)驗(yàn),切削效率提高約33%。ACM的機(jī)床負(fù)載量化控制以及對刀具、主軸的保護(hù)功能,使得操作者放心限度的滿負(fù)荷使用機(jī)床,而又不至于對機(jī)床造成傷害。這尤其適用于面切削、加工鑄鋼等硬質(zhì)材料、模具加工業(yè)、深孔鉆削、使用高價(jià)刀具等用戶。國內(nèi)航空航天、紡織、家電等行業(yè)的企業(yè)也正在陸續(xù)使用該產(chǎn)品。相信隨著數(shù)控加工技術(shù)、高速切削等金屬加工理念在國內(nèi)企業(yè)的普及應(yīng)用,自適應(yīng)加工技術(shù)會廣泛應(yīng)用。