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不落轮车床数控系统改造


西门子有奖征文获奖文章选登

不落轮车床数控系统改造
陈 苏
( 重庆铁路分局重庆南机务段, 四川 重庆 $%%%&’ ) 摘 要: 我段不落轮车床因设计落后, 工作可靠性差, 故障率很高, 甚至危及操作安全。采用西门子 !"#$ 数 控系统对其进行了改造, 改造后工作可靠性大幅度提高, 使用安全得到保障, 同时提高了机床的加工 质量、 工作效率和加工能力。文章详细叙述了改造过程及改造前后对比。 关键词: 机车轮对加工 不落轮车床 !"#$ 数控系统 数控改造

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()*+ ,( ,.-/0 (0.12312 ,42541/,(0.126312 7891:0 .; <93=>9? 7-849- ,(0.126312 $%%%&’ ,()+) 铁路机车经长时间运行后, 与钢轨接触的轮缘踏 面会产生磨损和变形, 需要进行车削加工恢复尺寸。 不落轮车床是铁路机务段机车轮对加工的专用设备, 用于机车轮对不解体车削加工。我段不落轮车床是生 产厂的第一台产品, 设计落后, 工作可靠性差, 使用中 故障率很高, 甚至危及使用安全, 对机车检修和运用造 成较大影响。鉴于以上原因, 我们对其进行了全面改 造, 特别是对数控系统进行了更新。改造后工作可靠 性得到很大提高, 同时提高了机床的加工能力和使用 效率, 取得了很好的效果。 采用 D(, E &! 机床原有 ABC ! ! 型数控系统, 系列单片机和 F*G 数码显示。控制方式为: 数控系统 控制步进电动机驱动器, 步进电动机经机械传动装置 驱动刀具运动。原数控系统主要存在以下几个方面的 问题: (! ) 系统为开环式控制 ( 图 !) , 因数控系统工作 不可靠或负载变化造成步进电动机 “ 丢步” , 产生的运 行误差不能得到反馈和补偿, 常造成加工曲线变形, 甚 至工件报废。

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机床工作原理
不落轮车床安装于机车轨道以下地坑内, 机车停

于机床上方, 被加工轮对与机床对位后, 机床顶轮机构 将被加工轮对两轴端顶起使之悬离轨道, 将机床上方 的一段活动轨道取下, 由机车电动机经传动齿轮带动 被加工轮对转动, 机床刀具即可对轮对轮缘踏面进行 加工。 不落轮车床有两套数控系统及机械装置对称布 置, 可同时或分别加工轮对的两个车轮。数控系统根 据加工程序和操作指令控制刀具的运行轨迹, 完成轮 缘曲线的加工; 机械传动机构由齿轮变速箱、 滚珠丝杠 传动装置构成, 将两个垂直方向的由数控系统控制的 电动机动力传递给刀具; 垂直顶轮机构由蜗轮蜗杆构 成, 将被加工轮对顶起, 使之悬空转动。

(") 系统集成度低, 电气线路及元件可靠性差, 故 障率很高, 运行中经常停机或乱动作, 多次造成扎刀, 使负载突然增大险酿事故, 危及操作安全。因电路复 杂, 故障检查和维修困难。 (’ ) 原有加工程序编制粗糙且有错误, 加工精度 低, 加 工 机 车 轮 缘 误 差 较 大。 因 加 工 程 序 固 化 于 *H<ID 存贮器中, 不能直接在机上修改, 错误和误差 无法消除。 ($ ) 因不能输入和修改程序, 只能加工一种机车 轮缘, 不能开发其它种类的机车轮缘加工程序, 对许多 新型轮缘曲线无法加工, 限制了机床的应用范围。 #@ # 数控系统选型 经过多年的发展, 数控系统已是一种集成化的控 制器件, 市面上有国产和进口多种品牌的系列产品, 可 根据实际需要灵活选用。不落轮车床加工机车轮缘只

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数控系统改造
原系统存在的问题

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需要两坐标轴控制, 数控系统是机床加工控制的核心 部分, 选型时, 针对原有开环控制系统的不足, 首先确 定采用闭环或半闭环系统, 驱动电动机为伺服电动机。 经过对性能、 价格、 可靠性、 服务等因素以及国产、 进口 品牌的多方案论证, 以可靠性为主要因素, 最终决定采 用西门子 $%&’()*%+ ,-./ 数控系统。 !0 " #$! / 数控系统 $%&’()*%+ ,-./ 数控系统的构成如图 . 所示, 是西门子数控系列产品中的普及型数控系统, 性价比 高。它将 /&/ ( 数控) 、 12/ ( 可编程控制器) 、 3(% (人 机界面) 和通讯任务集成于一体, 可控制 " 个伺服电 动机进给轴和 ! 个伺服主轴或变频主轴。12/ 可直接 应用 $%(45%/ $6 7 .-- 指令集; /&/ 编程使用西门子 8 代码; 系统可与计算机通讯, 编辑、 保存和传输应用 程序; 模块化的两 轴 伺 服 电 动 机 驱 动 器 $%(9:*%;) <!!4 和 !=5> 交流伺服电动机与 ,-./ 系统相配合, 构 成完整的控制和驱动系统, 其性能足以满足使用要求。

感器使结构复杂化, 刀具运行中的速度和位置信号能 反馈到数控系统和驱动端, 产生的加工误差能够随时 得到补偿, 使工件尺寸得到保证。

系统的基本性能: 大屏幕中文液晶显示; 用户程序 可机外数据存贮; 机内数据保护, 可设定多级密码; 刀 具工作范围有机械限位和机床软限位两级保护; 机械 反向间隙补偿; 丝杠螺距误差补偿; 刀尖半径补偿; 加 工运行速度倍率调整等等。 ,-./ 数控系统具有比较完善的保护功能, 当运行 中出现各种异常情况时, 系统会发出用户报警信息, 由 液晶屏显示并停机。通过查阅机内故障诊断信息, 可 查出并显示故障部位和原因。面板设有急停开关。 机床参数的设定: 可设定各坐标正向和负向软限 位位置值, 设定各种机械补偿数据, 设定手动方式点动 速度, 设定坐标轴速度、 回参考点定位速度, 设定丝杠 螺距、 传动齿轮变速比, 设定电动机动态速度跟随特性 等等。参数设定后, 数控系统按设定参数运行或补偿。 通过参数的设定可增加机床运行安全性和灵活性, 消 除机械系统产生的误差。

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机车轮缘加工
加工工艺 根据机车轮缘曲线形状和刀具形状, 设计轮缘曲

线加工工艺 ( 图 ?) 。刀杆前端左右两侧各安装一刀 片, 刀片刃口为半径 ! 的圆弧形状。

,-./ 数控系统是一种半闭环控制 系 统 ( 图 ") , !=5> 伺服电动机内部带有速度编码器和位置编码器, 电动机与刀具之间由齿轮副和滚珠丝杠同步传动, 这 种半闭环方式结构简单, 避免了另外安装两轴位置传
万方数据

,-./ 系统的坐标系命名符合 @A"->! 7 ,. 《 数控 机床坐标和运动方向的命名》 。首先建立如图所示的 " " # 坐标系, 以轮缘内侧加工起点的刀具中心 $! 为 原点。刀具起点 % 为 " B - 且刀具允许工作范围内的
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任一点。刀具从 ! 点开始, 移动轨迹为 ! $ "% $ … $ 终点 "& $ # $ $ $ " $ % $ "’ $ …… $ "& $ & $ ’ $ (, 使刀具自动快移到接近加工 (。! $ "% 段为快速移动, 起点的位置, "% $ "! 段刀具以加工速度移动到加工起 刀片 ! 投入切削, 在 "! $ "( $ "& 点 "! 。从 "! 点开始, $ # 段加工轮缘内侧段。 # $ $ 段快退刀, $ $ " 段和 " $ % 段快速移动。刀具在 " 点换刀, 刀片 ( 投入切 刀具以加工速度移动。从 "’ 点开 削。从 % $ "’ 段, 踏面和轮缘外 始, 在 "’ $ …… $ "& $ & 段加工倒角、 侧。& $ ’ 段快退刀, ’ $ ( 段快速移动后停止, 一次 加工循环结束。 几个工艺点: 刀具快移至 "% 后以加工速度移动 (!) 缓冲点 "% : 到加工起点 "! , 是为了防止直接从 ! 点快移到 "! 时 可能发生的撞刀。 (( ) " 点: 刀具在 " 点换刀, 调整刀具位置, 刀具 中心由刀片 ! 换为刀片 ( 。 (& ) 缓冲点 % : 刀具由 " 点快移至 % 点后, 在%点 防止可能出现的轮宽过大时造 按加工速度进至 "’ 点, 成由 " 点快进至 "’ 点时撞刀。 因车轮宽度有一个公差范围, "’ 点的 (") "’ 点: 设置应当满足: 当轮宽度为最大值时, 刀具与轮外侧仍 当轮宽度 有一定距离 ), 可防止 % $ "’ 段切削轮端面; 为最小值时仍有倒角, 可消除锐边。从 "’ 点开始, 刀 片 ( 投入切削。 ()) # 和 & 点: "& 是轮缘顶点。# 是 "( $ "& 曲线 段的延长点, & 是 "" $ "& 曲线段的延长点, 两曲线段 延长加工的作用是, 消除轮缘内外侧加工的结合部 "& 点可能产生的尖角。 !* " 加工程序 加工程序编制方法: 机车轮缘曲线类型现已有多 种。因轮缘加工的刀具与普通机床加工有所不同, 刀 尖半径大。为使程序结构简单, 采用刀具中心运动轨 迹编程更方便。首先绘出轮缘的曲线图和刀具中心的 运行轨迹曲线图, 标出轨迹各直线或曲线段连接点 "! $ "’ 的坐标值, 确定各工艺点 # $ ( 的坐标位置, 然 后可编制加工程序。
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刀具是可更换部件。每把刀具的几何尺寸 ( 刀具 宽度 + 和两刀片在纵向的高差 , ) 略有差别。程序中 设置刀具宽度和刀尖高度参数 -! 、 -( 。更换刀具后, 由操作工重新设定此参数, 可适应多种尺寸的刀具。 修改 -! , 还可在特殊情况时加工较薄或较厚尺寸的轮 缘。 普通型轮缘曲线的加工程序 ( 略) 。

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使用效果
工作可靠性: 改造前, (%%% $ (%%! 年, 是故障高发

期, 有记录的故障 (! 次。改造完成后, 从 (%%( $ (%%& 年, 仅发生故障 & 次, 故障减少 *+, , 机床可靠性得到 大幅度提高。 加工质量: 系统的半闭环控制, 使加工精度提高, 加工质量得到保证, 消除了轮缘曲线变形的现象, 并可 根据实际需要调整轮缘曲线形状, 适应特殊情况时的 轮缘曲线加工, 加工尺寸可控。 机床效率: 可靠性和自动化程度提高, 加工一个轮 对的平均时间 ( 含辅助作业时间) 由 (- ) . 降低到 (- % ., 工作效率提高 (%, 。 机床功能扩展: 由于可以很方便地输入和保存多 种加工程序, 除普通型机车轮缘曲线外, 还编制了其他 类型轮缘的加工程序, 实现了多种轮缘曲线的加工。 节约维修费用: 改造前, (%%% $ (%%! 年维修费用 &- ’ 万元, 改造后使用近两年, 维修费用仅 " 千余元。 平均年节约维修费用 !- /) 万元。

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结语
不落轮车床数控改造, 除更换数控系统外, 还将步

进电动机更换为伺服电动机, 充分利用了机床原有的 机械传动机构。不落轮车床自改造后, 使用一直很稳 定, 为铁路机车检修工作提供了一台质量稳定的设备, 也为设备维修者解除了后顾之忧。 ( 编辑 徐洁兰) # #
( 收稿日期: (%%" $ %’ $ (% ) # # 文章编号: )("% 如果您想发表对本文的看法, 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。

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不落轮车床数控系统改造
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 陈苏, CHEN Su 重庆铁路分局重庆南机务段,四川,重庆,400053 制造技术与机床 MANUFACTURING TECHNOLOGY & MACHINE TOOL 2005(2)

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