VMG60200wmh動梁龍門移動式加工中心

李寧寧

沈陽機床（集團）有限責任公司 遼寧沈陽 110042

1 序言

VMG60200wmh動梁龍門移動式加工中心消化吸收了德國設計理念，整機性能卓越，其龍門框架采用高剛性輕量化設計，精度保持性好；各移動軸采用先進的多驅技術，動態特性優異；配置高速大轉矩主軸，可適應不同材質的切削加工，在高速重切方面具有獨特優勢，可廣泛應用于能源、軌道交通、航空航天、重型機械、船舶和冶金等行業。該產品已于江蘇溧陽某廠安裝調試完畢并投入使用，如圖1所示。

圖1 VMG60200wmh加工中心

2 機床主要結構和技術特點

該機床總體采用龍門框架移動、工作臺固定的布局形式。龍門框架作X軸移動，滑板連同滑枕在橫梁上作Y向移動，包圍式滑枕在滑枕外殼上作Z向垂直移動，橫梁在立柱上作W軸移動，直角頭繞Z軸任意分度定位（C軸）。

2.1 滑枕和主傳動

Z軸采用矩形滑枕，設有靜壓導軌面，可以承受高轉矩，剛性強，在強力銑削時，可以提供極大的抗扭力。整個主軸箱具有很好的剛性和很高的精度，靜壓油經過冷卻循環使用，具有很好的熱力學穩定性。滑枕移動是靠伺服電動機通過減速箱傳遞到滾珠絲杠，滾珠絲杠帶動滑枕在滑枕外殼上上下移動實現Z軸進給，并且Z軸帶有自動抱閘功能，在斷電的情況下，自動抱閘將電動機軸抱緊，使之不能轉動。主電動機和變速箱機構置于滑枕的內部，主傳動由在滑枕上部的主電動機提供轉矩，動力經過行星主變速箱體到達滑枕前端，通過與滑枕連接、可自動交換的附件頭輸出轉矩。滑枕前端無法實現松夾刀，機床滑枕上有附件頭時，才能加工工件。變速箱為兩擋齒輪自動變速機構，可實現低速大轉矩和高速恒功率，同時滿足粗加工和精加工要求。機床具有主軸定向功能。

2.2 各軸進給傳動

X向運動采用雙邊驅動，每邊3個電動機結構（共6個電動機，6個高精度進口減速機）。與兩電動機結構相比，在精度保持同樣高標準的前提下，又提高了轉矩，改善了機床加工能力。

Y向采用雙電動機雙齒輪齒條驅動技術，即兩個電動機＋兩個進口減速器的驅動方式，使機床Y向驅動力明顯增強，起動、停止加速時雙電動機共同驅動，加速性能比傳統單電動機雙齒輪驅動形式性能明顯提高。通過數控系統的同步控制，使Y軸實現正反向的無間隙傳動。

Z、W向均采用雙邊驅動，其中Z軸通過高剛性預壓滾珠絲杠傳遞動力，W軸采用高精度重載荷行星滾珠絲杠，與傳統的滾珠絲杠相比較，承載力大大提高，增加了絲杠的使用壽命。此外，W向橫梁具有升降鎖緊機構，當橫梁運動到某一個位置進行加工時，橫梁后面的液壓缸將橫梁夾緊在立柱導軌上，可以提高加工精度。

C軸分度旋轉機構位于滑枕內部，由獨立的C軸電動機提供動力，可以達到連續旋轉的功能，與X、Y、Z軸形成4軸聯動。C軸前端還具有兩個內裝的液壓夾緊單元，在主軸進行重切削時，可以對C軸進行夾緊，提高加工精度。

X、Y、Z、W向均采用德國海德漢光柵尺，實現全閉環控制，提高了機床的定位精度。

2.3 導軌形式

X、Y、Z向導軌均為靜壓導軌，采用定量閥，精確控制各點的進油量。在兩滑動導軌面間形成厚度均勻的高剛性油膜，使滑動導軌副接觸面分離，動、靜摩擦力小，靈敏度高，高速振動小，低速無爬行，定位精度高，切削抗振動性能好，可以改善機床性能，提高機床的精度、精度穩定性及機床的使用壽命，伺服驅動性能優。主要液壓件為原裝進口，液壓系統安全性高，互鎖功能齊全。W軸采用大截面鑄鐵滑動導軌。

2.4 回轉工作臺

回轉工作臺為車主軸，定義成CM8軸。回轉工作臺直徑為5000mm，底座支撐采用靜壓導軌，位置反饋由安裝在底座上的帶氣壓保護的海德漢圓光柵進行檢測，保證了工作臺的精度穩定性。工作臺驅動采用西門子電動機，雙電動機主從消隙結構；工作臺靜壓站選用兩個變頻電動機，由西門子功率模塊驅動，其控制單元選用獨立于主機控制單元的CU控制器，防止由于主機控制器故障導致轉臺研磨等。

2.5 附件頭更換系統

本機床配置標準立銑頭、自動直角銑頭、自動延伸銑頭、自動加長窄直角頭、臥式車刀架和立式車刀架，滑枕前端設有4個夾緊元件（液壓松開、具有自鎖功能）用于附件頭的夾緊和松開，附件頭內部所需要的液壓、氣動和冷卻功能通過快換接頭傳遞。

用于自動更換附件頭的頭庫支架排成一列，放置在工作臺一端，設有多個位置，滑枕上附件頭的松開和頭庫里附件頭的抓取可通過指令代碼自動完成。

2.6 刀庫

刀庫選用西班牙SIDEPALSA品牌的立臥轉換刀庫，共120個刀位，可以承載刀具的最大直徑250mm，最大長度400mm，最大質量30kg，刀鏈固定在左側立柱上，機械手隨橫梁上下移動，刀鏈旋轉、機械手平移均采用西門子伺服電動機驅動，定位更準確；換刀臂的機械手上有兩個刀爪A和B，刀爪A和B可以松開、夾緊；在刀庫側的機械手后方有松夾刀液壓缸，用來控制刀庫側抓、還刀時刀爪對應刀套上刀具的松夾；機械手可通過伸縮液壓缸進行伸出和縮回的操作，在機械手伸出的狀態下，機械手可以旋轉，交換刀爪A和B的位置；機械手可通過翻轉液壓缸進行翻轉和水平的操作，機械手翻轉時為立式換刀，機械手水平時為臥式換刀。

2.7 輔助功能

輔助功能包含液壓、靜壓、潤滑、冷卻和排屑等。

（1）液壓系統 機床設有兩套液壓系統，兩套系統具有冷卻單元。其中一套功能為主軸松夾刀、C軸夾緊和主軸變速；另一套為靜壓導軌液壓系統，由泵站、液壓閥組及一個獨立回油泵站組成。液壓系統具有的檢測裝置對液壓系統的功能進行實時監測，如溫度、壓力等，一旦發生故障就出現報警。

（2）潤滑 潤滑分為兩種形式：脂潤滑、自動稀油潤滑。脂潤滑部位：主軸軸承和W軸絲杠；自動稀油潤滑部位：X軸齒輪齒條和Y軸齒輪齒條，自動稀油潤滑為定時、定量全自動方式，動作由數控系統自動控制，并能夠進行檢測與報警。

（3）冷卻排屑系統 切削冷卻采用內、外冷卻結合方式，冷卻泵流量大，完全滿足主軸刀具、工件冷卻需要，冷卻介質根據用戶工件視情況而定。主軸軸承及主電動機、C軸電動機均帶有循環內冷卻系統。龍門工作臺側面設有兩條與X軸平行的排屑器，排屑器將廢屑傳送到集屑箱中。

（4）工件和刀具測量 配置雷尼紹RMP60型

無線電工件測頭和NC4分離型非接觸式對刀儀，分別用于工件找正和對刀，提高加工效率和精度。

2.8 控制系統

選用德國西門子公司 SINUMERIK 840Dsl 數控系統，主軸驅動單元、進給驅動單元、交流主軸電動機及交流進給伺服電動機均為進口原裝，性能先進、穩定可靠。

3 機床主要參數

機床的主要參數見表1。

表1 機床主要參數

4 主機電氣調試

主機電氣調試主要包含NC參數設定、PLC硬件配置、主機PLC邏輯動作調試（各軸伺服控制、主軸松夾刀、主軸高低擋、液壓、靜壓、冷卻、排屑和潤滑等）和驅動配置等。這里主要介紹NC參數設定、驅動配置、M代碼及H代碼。

4.1 機床數據設定

本機床共配置22個軸，其中X軸6個：XL、XL1、XL2、XF、XF1和XF2，XL與XF分別設定為第一組龍門同步軸的主動軸和從動軸，XL設定為第一組主從軸的主動軸，XL1、XL2均設定為第一組主從軸的從動軸，XF設定為第二組主從軸的主動軸，XF1、XF2均設定為第二組主從軸的從動軸；Y軸2個：YM、YS，YM設定為第三組主從軸的主動軸，YS設定為第三組主從軸的從動軸；Z軸2個：ZM、ZS，ZM設定為第四組主從軸的主動軸，ZS設定為第四組主從軸的從動軸；W軸2個：WL、WF，WL與WF分別設定為第二組龍門同步軸的主動軸和從動軸；C軸1個：CM；刀鏈軸1個：BM15；機械手軸1個：YM15；轉臺靜壓泵站變頻電動機軸2個：IM、IS；主主軸（車主軸/轉臺）2個：CM8、CS，CM8設定為第五組主從軸的主動軸，CS設定為第五組主從軸的從動軸；銑主軸3個：CM9、CM10、CM11，標準立銑頭設定為第二主軸（CM9），延伸頭和直角頭設定為第三主軸（CM10），加長直角銑頭設定為第四主軸（CM11）。

機床數據分為顯示數據、通用機床數據、通道機床數據、軸專用機床數據和設定數據等多種數據，本機床涉及到的機床數據眾多，這里不一一列舉，僅以表2中部分軸機床數據作簡要說明，其他請詳見西門子參數手冊[2]。

4.2 PLC硬件配置

PLC硬件配置中包含系統NCU、輸入輸出模塊等硬件的連接和地址配置[3]，如圖2所示。

圖2 PLC硬件配置

4.3 驅動配置

機床的驅動由1個NCU、4個NX、4個電源模塊、19個軸模塊和29個編碼器接口模塊組成。CM9、CM10、CM11，即第二、第三、第四主軸共用1個主軸模塊。驅動拓撲圖如圖3所示。

圖3 驅動拓撲圖

配置驅動時，需要注意以下幾點。

1）主軸和C軸為第三方電主軸，要嚴格按照第三方提供的參數表設置驅動參數。

2）由于電源模塊數量較多，配置電源模塊時需通過驅動參數P840將電源與對應的NCU或NX關聯。

3）Z軸抱閘和W軸抱閘需要單獨配置。

4.4 代碼表

主要M代碼和H代碼見表3。

表3 主要M代碼和H代碼

5 刀庫電氣調試

刀庫電氣調試主要是參數、換刀程序（NC程序、PLC程序）的設計和試驗，此刀庫電氣調試的重點和難點在于實現任意點換刀，即：換刀時，如果橫梁W軸在有效換刀區域，需要通過移動刀鏈軸（BM15）將所需刀套定位至換刀點，避免移動橫梁（因移動橫梁前后的橫梁松開、橫梁夾緊動作比較耗時）。

根據機床結構，刀庫在橫梁W軸負向200～2000m m的行程內允許刀庫自動換刀。自動換刀時，如果橫梁的坐標值大于允許換刀區間的最大值，例如：W軸位于－100mm的位置，則換刀程序會自動將W軸移動至－200mm的位置；如果橫梁的坐標值小于允許換刀區間的最小值，例如：W軸位于－2500mm的位置，則換刀程序會自動將W軸移動至－2000mm的位置，確保橫梁在允許換刀的區間內。然后，根據執行的換刀指令，確認需要更換的刀具號，根據當前刀鏈位置和W軸坐標位置，通過計算來確定刀鏈軸的目標坐標值，這個計算過程需要參數、PLC程序協助完成，最終將需要的刀具定位到與機械手對應的位置上。刀庫外觀如圖4所示。

圖4 刀庫外觀

5.1 換刀動作介紹

換刀動作主要分為預選刀、換刀和還刀3個過程。如果換刀前主軸上無刀，則不存在還刀動作。

（1）抓刀選刀步驟 ①根據當前橫梁W坐標值、刀鏈BM15坐標值、目標刀號計算出刀鏈所需的移動量，移動刀鏈將目標刀套移動至換刀位。②爪A松開。③換刀臂從等待位平移至刀庫側。④爪A夾緊。⑤刀庫刀具自動解鎖。⑥拔刀伸出。⑦刀庫刀具自動鎖定。⑧換刀臂從刀庫側平移至等待位。⑨拔刀縮回。

（2）換刀步驟 ①換刀臂垂直（立式換刀時使用，臥式換刀時跳過此步）。②爪B松開。③換刀臂從等待位平移至主軸側。④爪B夾緊。⑤附件頭松刀。⑥拔刀伸出。⑦機械手右轉。⑧拔刀縮回。⑨附件頭夾刀。⑩爪A松開。11換刀臂從主軸側平移至等待位。12爪A夾緊。13換刀臂水平（立式換刀時使用，臥式換刀時跳過此步）。

（3）還刀步驟 ①根據當前橫梁W坐標值、刀鏈BM15坐標值以及原刀號計算出還刀時刀鏈所需的移動量，移動刀鏈將原刀套移動至換刀位。②拔刀伸出。③換刀臂從等待位平移至刀庫側。④刀庫刀具自動解鎖。⑤拔刀縮回。⑥刀庫刀具自動鎖定。⑦爪A松開。⑧換刀臂從刀庫側平移至等待位。⑨爪B夾緊。⑩拔刀伸出。11機械手左轉。12拔刀縮回。

5.2 PLC程序設計

機床換刀的PLC程序設計以數控系統的刀具管理功能為基礎，使用刀具管理功能設定好的接口信號結合刀庫具體的動作、按照刀庫說明書中的刀庫動作時序圖對刀庫的立式換刀、臥式換刀邏輯動作進行PLC程序設計，PLC程序中包含了刀鏈軸移動值的計算。

刀庫中取刀或還刀的PLC時序如圖5所示。

圖5 取刀、還刀PLC時序

主軸上換刀的PLC時序如圖6所示。

圖6 換刀PLC時序

5.3 參數設定

刀庫相關的參數主要包括刀鏈電動機和機械手電動機減速比、移動速度、換刀位置參數及換刀位置上下偏差等。

1）電動機傳動比、速度和加速度。根據刀庫說明書設置刀鏈、機械手伺服電動機的參數，見表4。

表4 電動機參數

2）換刀點位置設定見表5。

表5 換刀點位置設定

3）換刀點位置偏差設定見表6。

表6 換刀點位置偏差設定

4）各附件頭換刀點坐標值偏差見表7。

表7 各附件頭換刀點坐標值偏差

5.4 刀表建立及操作

刀表的操作路徑為參數→刀具管理→刀具表。

（1）卸載刀具 操作路徑為參數→刀具管理→刀具表→卸載。選擇“來自刀庫”；選擇“手動加載點”，點擊“確認”；屏幕下方會出現“正在移動”，如果刀鏈旋轉，停止后按MCP面板上的刀庫手動應答鍵，如果刀鏈不旋轉，直接按刀庫手動應答鍵；此時屏幕下方顯示“卸載完成”[5]。

（2）裝載刀具 操作路徑為參數→刀具管理→刀具表→裝刀。選擇“空位搜索”；選擇“手動加載點”，點擊“確認”；屏幕下方會出現“確定空位置”，點擊“啟動”；刀鏈會將所選裝載刀具對應的刀套旋轉至換刀點；同時屏幕下方會出現“正在移動”；確認刀鏈到位后，按MCP面板上的刀庫手動應答鍵（T7）；此時屏幕下方顯示“裝載完成”[5]。

5.5 自動換刀指令

T x x x 是執行預選刀具子程序“T_W_MOVE”，xxx代表刀具號。M6執行換刀子程序“L6”。

相關子程序（選刀子程序T_W_MOVE見圖7，換刀子程序L6見圖8）可掃描下方二維碼查閱。

圖7 子程序T_W_MOVE

圖8 子程序L6

6 附件頭電氣調試

用于放置附件頭的頭庫支架固定在工作臺一端，從滑枕正面觀看，從左到右放置附件頭的順序（編號）為：標準立銑頭（101）、延伸銑頭（102）、加長直角銑頭（202）、立式車刀頭（801）、臥式車刀頭（802）和直角銑頭（201）。附件頭在主軸上的確認信號由附件頭與滑枕連接的端面上的對接插頭提供，每個附件頭提供不同的信號以區分滑枕上的附件頭規格。

標準立銑頭、延伸銑頭、加長直角銑頭和直角頭中安裝用于反饋主軸位置的增量編碼器。受附件頭外形和結構限制，各附件頭的編碼器線數不完全一致。由于所有附件頭均由同一主電動機提供轉矩輸出，使用數控系統的SETPOINT EXCHANGE功能來完成各附件頭不同編碼器間的切換[6]，因此每次更換附件頭都需要進行編碼器間的切換，同時，為了生效不同線數的編碼器的數據，需要設置多個主軸對其進行控制。本臺機床中，標準立銑頭設定為第二主軸，延伸銑頭和直角銑頭設定為第三主軸（延伸銑頭和直角銑頭的編碼器線數一致），加長直角銑頭設定為第四主軸。

6.1 與附件頭相關的代碼

與附件頭相關的M代碼和H代碼[7]見表8。

表8 與附件頭相關的M代碼和H代碼

6.2 換頭子程序

換頭子程序是用來自動更換附件頭的NC程序。由于本臺機床為動梁產品，垂直方向的Z軸和W軸均可移動且位置不固定，所以在附件頭更換過程中，需要實時計算Z軸、W軸、換頭點位置之間的坐標值關系，確保垂直方向位置正確。此外，由于機床配置的附件頭較多且更換附件頭過程中需要頻繁切換編碼器、切換主軸、檢測Z軸電流限速（防止各軸坐標值偏差導致撞頭）等，與附件頭相關的子程序較多，因此這里只介紹一部分主要子程序，具體內容可掃描下方二維碼（換頭子程序HEAD見圖9，直角銑頭數據子程序DAT_201見圖10，還直角銑頭子程序VK201_AB見圖11，抓直角銑頭子程序VK201_AN見圖12）查閱。

圖9 子程序HEAD

圖10 子程序DAT_201

圖11 子程序VK201_AB

圖12 子程序VK201_AN

6.3 自動換頭

自動換頭的指令如下。

HEAD（101）：抓取標準立銑頭。

HEAD（102）：抓取延伸頭銑頭。

HEAD（201）：抓取直角銑頭。

HEAD（202）：抓取加長直角銑頭。

HEAD（801）：抓取立式車刀夾。

HEAD（802）：抓取臥式車刀夾。

執行以上指令后，機床會將當前附件頭還回頭庫，抓取指令的新附件頭；如當前滑枕前端無附件頭，機床將直接抓取指令的新附件頭，完成自動換頭動作。

7 回轉工作臺電氣調試

前面2.4中提到：回轉工作臺的靜壓站選用兩個變頻電動機，由西門子功率模塊驅動，為防止主機控制器故障時靜壓站電動機停機導致轉臺研磨等情況發生，為靜壓站配置了單獨的CU控制器，此控制器需用STARTER軟件單獨調試[8]，相關調試界面如圖13所示。

圖13 STARTER調試界面

此外，在PLC程序中，需要使用系統的標準程序塊SFC14、SFC15的發送和接收數據功能實現變頻電動機的額定轉速運行。

8 干涉區

從圖1中可以看出，機床工作臺是下沉式的，滑枕向下伸長到一定位置或橫梁下降到一定位置時，滑枕前端的附件頭會與工作臺干涉相撞；滑枕向下伸長到一定位置或橫梁下降到一定位置、滑板（Y軸）向左或向右移動到達X軸床身時，滑枕會與床身干涉相撞。因此，根據附件頭尺寸、各軸行程等進行了關于干涉區的計算，機床運行到達干涉區內則系統報警，確保機床運行安全可靠。

9 結束語

VMG60200wmh動梁龍門移動式加工中心具有復雜的進給軸和主傳動機構、齊全的輔助功能、環環相扣的液壓和靜壓管路設計，具備刀庫任意點自動換刀功能、自動換頭功能，可實現多主軸間的自動切換、車銑功能變換，從結構設計、參數設計、PLC程序設計到現場調試，最終凝聚成性能卓越、精度穩定可靠、具備高速大轉矩切削能力的產品，該產品已大力推向市場。