加工中心電主軸及換刀手綜合檢測臺控制系統設計

摘 要：電主軸及換刀手綜合檢測臺是模擬兩者在加工中心中真實的工作狀態，通過分別對電主軸振動狀態及換刀手電流與位置等特征量的監控，判斷兩者是否維修合格。該文針對該檢測臺設計基于611U控制模塊的S7-300 PLC控制系統及相關液壓系統，從硬件、軟件上實現檢測臺控制、檢測、判斷、顯示等要求。

關鍵詞：電主軸 換刀手 611U控制模塊 PLC

中圖分類號：TGS02 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0104-02

隨著國內汽車零件制造的迅速發展，尤其是在發動機零部件生產領域，我國引進大量國際由先進加工中心組成的復雜型生產系統，這些加工中心大多可實現四軸以上聯動，配備高速電主軸與快速換刀機械手，具有高速、高精度的特性。在大批量生產情況下，這些加工中心設備維修技術要求與成本逐步提高，尤以電主軸與換刀手最為突出，兩者均為機床高精度零部件，對機床性能起到重要影響，一次維修的成本高達數十萬元，耗時至少十多小時。經大量調研分析，通過長期維修實踐，國內各大型汽車制造企業基本掌握電主軸與換刀手的自主維修技術，但由于缺乏相應維修效果檢測設備，往往需要裝回加工中心后才能檢驗是否合格，這既占用設備，也可能會引起設備其他的故障。文章針對一種適用于某進口型號加工中心電主軸及換刀手綜合檢測臺，設計其控制系統，實現兩者離線維修效果檢測。

1 綜合檢測臺機械結構介紹

加工中心電主軸及換刀手綜合檢測臺主要是通過提供與某型號加工中心設備一致的工作環境，實現電主軸及換刀手維修效果檢測。基于這一點，本檢測臺機械結構及尺寸設計參考實際加工中心的結構進行設計，其機械結構如圖1所示。整個檢測臺主要分為電主軸與換刀手檢測兩個部分。

一是電主軸檢測部分，由主軸驅動電機（伺服電機1FK6083-6AF71-1EH0，最高轉速為9000r/min），通過平帶傳動驅動電主軸。由拉刀油缸通過中間驅動軸實現主軸夾松刀模擬，考慮到電主軸重量大，導致重心前傾，設計V型塊放置在主軸前端予以平衡。

二是換刀手檢測部分，由換刀驅動電機通過行星齒輪減速器，驅動軸實現換刀手轉位。由液壓系統通過固定軸上的兩連接塊上的油口供油，實現換刀手爪伸開和縮回。換刀手的調整主要是通過安裝在換刀手安裝座右側的芯棒，芯棒可模擬主軸對換刀手進行主軸同心度的校對，因換刀手兩爪內部有用于調節伸出長度的修磨墊片，保證刀爪到刀庫和主軸的伸出距離，因而設計模擬主軸的意圖就在于決定修磨墊片的尺寸，以達到換刀要求。

2 綜合檢測臺液壓系統設計

該綜合檢測臺液壓系統供油回路共2路，一路控制換刀手，一路控制主軸松刀。換刀手控制油路主要用于控制換刀手抓爪的伸開和縮回，通過閥8調節速度，元件7實現液壓缸15位置精確鎖定。主軸松刀控制油路主要用于控制電主軸松刀與夾緊動作，通過閥10調節速度，閥11起止回作用，原先機床系統中閥11為減壓閥，考慮到原先系統松刀壓力只需4MPa，而綜合檢測臺需要10.1MPa，方能克服電主軸中蝶形彈簧力，所需壓力與系統壓力接近，故而以單向閥替代，使得液壓系統更穩定。（見圖2）

3 綜合檢測臺電氣系統設計

加工中心電主軸及換刀手綜合檢測臺檢測對象主要是電主軸與換刀手。電主軸是通過檢測其在不同轉速情況下典型截面位置的振動頻譜及SKF加速度包絡分析值作為判斷依據。而換刀手要確定其內部是否存在間隙、內部軸承及萬向節是否工作良好以及夾爪工作是否穩定等，需通過檢測換刀手在0°、+90°、-90°三個工作位置時的位置和電流值作為判斷依據。將檢測得到的電主軸與換刀手對應的特征量與標準值進行比對，從而判斷兩者是否維修合格。

如圖3所示，本檢測臺以SIMATIC S7-300 PLC作為主控制模塊，帶任選PROFIBUS-DP模塊的SIMODRIVE 611U控制模塊作為從控制模塊，通過現場總結PROFIBUS總線將兩者連接起來，從而達到控制電機以及顯示電主軸速度、換刀手位置、電流等參數的功能。611U伺服驅動模塊采用位置定位的控制方式，使用西門子6AV6642系列觸摸屏作為人機交換接口，操作簡單，功能強大。該611U伺服系統的參數設定和硬件的匹配使用西門子公司開發的SimoCom U軟件，采用雙軸控制模式，即使用一個雙軸功率模塊控制兩臺電機，達到經濟效益的最優化。振動測試儀通過反饋電主軸在不同轉速情況下典型截面位的振動情況。

4 綜合檢測臺軟件設計

加工中心電主軸及換刀手綜合檢測臺軟件設計要實現以下3個主要功能。

（1）S7-300 PLC對611U控制模塊讀寫控制字。

（2）電主軸方向與轉速控制及顯示，主要是通過設定速度與倍率的方式，通過PLC向611U模塊寫入或者讀取不同速度參數實現。

（3）換刀手在原點位置0°、主軸側換刀位置90°和刀庫一側換刀位置-90°三個工作位置下實現點動、增量點動及BLOCK模式控制及電流、位置參數讀取，其中點動、增量點動及BLOCK模式控制程序較為簡單，可參考前述主軸控制程序，位置、電流參數的讀取程序，可參考前述從611U模塊讀取主軸實際轉速程序。

5 結語

電主軸與換刀手是加工中心主要運動部件，故而屬于易損易發故障高精密部件。文章針對加工中心電主軸及換刀手綜合檢測平臺，設計基于611U控制模塊的S7-300 PLC控制系統及對應的液壓系統，從硬軟件分別對電主軸不同轉速下振動狀態，以及換刀手在不同工作位置下位置、電流參數進行監控，通過將這些特征值與標準范圍值進行比對，實現對兩者維修效果進行離線檢測。從該設備實際運行結果看，該檢測平臺運行良好，能極大提高維修效率，降低成本，同時也可用于維修培訓。

參考文獻

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