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華（huá）中（zhōng） 8 係統對馬豪 MH1600W 加工中心換腦改造

2021-1-28 來源：湖北三江航天紅陽機電湖北江山華科數字作者：明先承楊進東陳豔孫（sūn）承新劉（liú）基國等

摘要：針對德國進馬豪 MH1600W 立臥轉換加工中心係統老化（huà），故障率高發，備件定製周期長，設（shè）備處於停機狀態，介紹采（cǎi）用華中數控 848D 高（gāo）檔數控係統對該設備進行換腦改造（zào）的方案、實施（shī）和應用情況。改（gǎi）造後設備恢複正常使（shǐ）用（yòng），性能（néng）提高，經濟效益明顯。

關鍵詞：MH1600W 加工中心；換腦改造；華中（zhōng）數（shù）控（kòng） HNC-848D

0 引（yǐn）言

MH1600W 四軸立臥轉換（huàn）加工中心（xīn）為 90 年代末引進德國德馬吉公司（現為 DMG MORI 公司（sī））80 年代（dài）初期的產品，該設備使用至今已經 20 餘年，電氣控製係統集成度低，控製係統老化，近幾年處於故障高發（fā）期，加上沒有詳（xiáng）細的係統維護文檔，部分零部件停（tíng）產（chǎn）需定製致使配件（jiàn）維修費用昂貴、周期長等，給設備（bèi）的保（bǎo）障帶來極大（dà）的（de）困難，設備無法正常工作導致在生產（chǎn）中不能發揮正常效能，嚴重影響加工質量和進（jìn）度（dù）。但該設備機械部分剛性好，精度保持較好，具有較高的換腦改造再製造[1]價值，被納入04 專項換腦工程專項課題支持並成功實施換腦改造。主（zhǔ）要（yào）介紹采用（yòng）華中數控 848D 高檔數控係統[2]在 MH1600W 立臥轉換加工中心設備上的換腦改造方案、實施和（hé）應用情況（kuàng）。

1、 MH1600W 設備現狀及存在的問題

MH1600W 設備加工範圍 X 軸 1600 mm、Y 軸 800 mm、Z 軸 800 mm, 並帶有 Φ800 mm 工作台（tái），4 個全閉環控製的坐標軸，鏈式刀庫的容量為 30 把刀，機械手自動換刀（dāo），屬大中型加工中心，該（gāi）設備主（zhǔ）軸轉速 20~3200 r/min，功率 15 k W，扭矩1210 N·m，可自動進行立臥轉換，具備四軸四聯動加工功（gōng）能，數控係統為德國海德漢 MILLPLUS 係統（tǒng）。該（gāi）設備一次裝夾可實現對工件的立式與臥式兩種加工工藝，發揮立臥轉換機床的效能，縮短工（gōng）藝流程，減少裝夾次數（shù）與裝夾時間，能完成多麵體複（fù）雜加工，使工件加工精度、加工（gōng）效率（lǜ）及工件質量均得到大幅提升[3]，主（zhǔ）要（yào）用於工序多、周期長、質量難控製精（jīng）密複雜（zá）結構（gòu）件、關鍵件以及外協件加（jiā）工（gōng），被列為公司的（de）關鍵設備，在航天軍民品零件加工中發揮著（zhe）重（chóng）要作用。其主要存在的問（wèn）題如下：

（1）數控係統落後（hòu）老化。數控（kòng）係統為 HEIDENHAINMill Plus V320，智能化程度低，開放程度差，功能相對較少，數控主機、I/O 板、信（xìn）號（hào）板等板（bǎn）卡為 PHILIP 早期控製產品，各軸的數控伺服控（kòng）製模塊和電源模塊為德國力士樂模擬產品，均停（tíng）產，加上硬件 PCB 板老化，故障（zhàng）率高。

（2）控製（zhì）係統相對落（luò）後。線路、繼電器、接觸器等元（yuán）件老化，動（dòng）作（zuò）可靠性降低，元件的集成度較低，3 個線性軸光柵信（xìn）號（hào）衰減報（bào）警頻繁。

（3）機械零件磨損。Z 軸高速運行時抖動，工作台鎖緊缸出現多次鏽蝕卡（kǎ）死現象，刮屑板磨損（sǔn）運行不暢。

（4）潤滑、液壓係統（tǒng）老化（huà）。管路老（lǎo）化，潤（rùn）滑不良，液壓係統漏油滲油（yóu）嚴重，工（gōng）作台（tái）多次鎖死（sǐ），機械手自（zì）動換（huàn）刀有（yǒu）時（shí）不到位或動作遲滯；

（5）其他。部分維修配（pèi）件停產需定（dìng）製，供貨周期較長，且價格昂貴，技（jì）術資料不全等。

由於四軸立臥轉換加工中心在航天加工工藝中的獨特（tè）地位，考慮到（dào）該機床的功（gōng）能（néng）較齊全，主要功能部件完（wán）好，因此對該機床（chuáng）實（shí）施換腦改造比報廢、更新（xīn）一（yī）台同等規格的設備更為經濟合算。

2 、換（huàn）腦改造實施方案

2.1 係統選擇及實施方（fāng）案

在國家重大專項課題的支持下，國內數（shù）控係統企業以西門子、發那科等國外先進數控係（xì）統為對標產品，自（zì）主研發了（le）華中數控 HNC-808/818/848 型、廣（guǎng）州數控 GSK27 型、大（dà）連光洋GNC60/61/62 型、沈陽高精 GJ400 型等一批中、高檔數控係統產品。攻克了開放式平台技術、現（xiàn）場總線技（jì）術、高速高精、多軸多通道、同步控製和可靠性等核心關鍵技術，實現了數控係統的跨越式發（fā）展，其穩定性、可靠性經受了用（yòng）戶的檢驗[2]。

對於這種高精度立臥轉換數控機床來說，電氣控製係統（tǒng）的可靠性至關重要。在幾何精度、剛性、慣量等各機械因素一定的情況下，數控係統對整個加工的（de）質量（liàng）、效率則起到決定性的作用。

在對原機床的技術狀態進行仔細分析後（hòu），製訂以下改造方案：從目前幾種（zhǒng）主（zhǔ）流的國產數控係統來看，結合公司現有數控係統使用情況，設備采用華中 8 係統 HNC-848 全數字高檔（dàng）數控係統替換原有（yǒu）的 MAHO CNC 數控係統，進行換腦升級改造，該係統在航空航天係統使用已較普（pǔ）遍，係統穩定性、可（kě）靠性口碑（bēi）好（hǎo），並（bìng）經受 MBTF 20 000 h 的考核，後期硬件和服務支持也有保障（zhàng），為今後的（de）維護、升級、擴充、通信等提供方便。采用華中數控交流（liú）數字伺服單元和登（dēng）奇伺服電機來替換（huàn）原有的（de）交流伺服單元（yuán）和（hé）伺服電機；采用華中數控交流數字主軸驅動模塊（kuài）和主軸電機來替換原有的交流伺服單（dān）元和交流（liú）主（zhǔ）軸電機；采用海德漢封閉式的光柵尺、圓光（guāng）柵替代原有老化停產的光柵尺、圓光柵（shān）；更換、檢修 X、Y、Z 軸滾珠絲杠、絲母和導軌；檢（jiǎn）修液壓和潤滑（huá）係統，更換管路和閥組。

根據設備存在（zài）的問題和現狀，換腦改造（zào）主要（yào）從控製係統、機械、液壓和潤滑幾個方麵全麵考（kǎo）慮，關鍵是控製係統的改造，包括（kuò）電氣係統改造（zào）、邏輯控製設計和（hé）數控係統調試，難點在（zài）於對設備的控製邏輯進行準（zhǔn）確分析，對傳感器信號進行檢測、判斷和控製（zhì），確保設計安全可靠。

2.2 HNC-848D 係統主要性能及係統配置

華中數控 HNC-848D 為全數字總線式高檔數控（kòng）係統，采用（yòng）模（mó）塊化開放式體係結構，支（zhī）持（chí）自主開（kāi）發的（de） NCUC 總線及 Ether－CAT 總線（xiàn）協議，具有高速高精加工控製、五（wǔ）軸聯動（dòng）控製、多軸多通道控製、雙軸同步控製及誤差（chà）補償等高檔數控係統功能，具備麵向數字化車間網絡通信（xìn）能力，滿足機（jī）床複雜（zá）加工工（gōng）藝及控（kòng）製要求。

設備換（huàn）腦（nǎo）改（gǎi）造采用華中（zhōng）數控 HNC-848D CNC 係統，係統連接及配置見圖 1，其中 Y 軸帶抱閘（zhá），伺服驅動、主機模（mó）塊、通訊線纜、動力線纜、光柵尺和編碼器電（diàn）纜屏蔽層必須可靠接地，提高抗幹擾性。

3 、改造實施

3.1 電氣控製係統改造

3.1.1 伺服驅動器（qì）和電機

去掉原（yuán）機床 X、Y、Z、B、S 軸 5 台交流伺服電機和伺服驅動器（qì）采用華中數控伺（sì）服（fú）驅動和登（dēng）奇電機，外接製動電阻。其中 Y軸帶（dài）抱（bào）閘，電機安裝（zhuāng）接口需設計電機座、過渡法蘭和連（lián）軸（zhóu）器；主軸調速給定由數（shù）控係統程序 S 指令設定，主軸啟（qǐ）動（dòng）、停止、點動（dòng）、變速等操作都（dōu）集成在係統操作麵板上。

3.1.2 光柵係統

更換原機（jī）床 X 軸有（yǒu）效行（háng）程 1640 mm，Y、Z 有效行程 920 mm光柵尺和 B 軸圓光柵（shān）為海德漢（hàn） 18 000 線圓光柵，配海德漢標準電纜，實現各軸的全閉環控製；采用 2048 線 ROD480 圓光柵更換主軸定向 ROD486 圓光柵。

3.1.3 刀庫

恢複刀庫控製和管理功能，實現刀（dāo）庫自動找刀、定位，利用數控（kòng）係統實（shí）現就（jiù）近（jìn）選刀功能，機械手自（zì）動換刀，並設置手動單步換刀功能，方便（biàn）維護調試和操作人（rén）員進行換刀（dāo）和對刀操作。

3.1.4 低壓電氣設計

更換機床（chuáng）控製和信號線纜和套管，數控係統及進給（gěi）驅動部分加裝（zhuāng）隔離電源。驅動器電源進線加裝交流電抗器，數控係（xì）統電源進線加裝隔離變壓器，保（bǎo）證所有（yǒu）裝置接地良好。保留原（yuán）機床電氣控製櫃，重新現場裝配並進行二（èr）次布線，控製櫃中低壓控製（zhì）元件全部更換新件，電櫃出線按機床部件（jiàn）順序排列，屏蔽線均可靠（kào）接地。更換操作箱（xiāng），操作箱采用鋁製機箱（xiāng），更換控製麵（miàn）板、按鈕站麵板及麵板元件，恢複原機床的控製功（gōng）能。

3.1.5 邏輯設計（jì）與（yǔ）控製

I/O 模塊通過總線連（lián）接到（dào）係統，利用 PLC 代替電路中大量的繼電器和接觸器的控製電路，實（shí）現機床的所有（yǒu）邏輯順序控製任務，包括：主軸立臥轉換、液壓（yā）、潤滑（huá）、夾緊放鬆、機械手運動、冷卻、排屑、控製電源、外部保護等控製，係（xì）統（tǒng）具（jù）備（bèi）梯形圖（tú）在線監控（kòng）功（gōng）能。主軸立臥轉（zhuǎn）換通（tōng）過 PLC 完成，轉換到位後才允許啟動。

（1）立臥轉換及（jí）換刀。該（gāi）設備的主要動作是主軸立臥轉換和機械手換刀。根據加工需要選擇主軸立式或臥式加工，轉換過程見圖 2、圖 3，保護主軸的堵蓋總是裝在不用的主軸上，避

免進屑子。機械手換刀動（dòng）作基本流程可以（yǐ）分解為選刀過程和換刀過程，選刀動（dòng）作必須在換刀動作之前完成。選（xuǎn）刀動作主要是負責選取指定的刀（dāo）號的刀（dāo）具，旋轉刀（dāo）庫到指定刀具位置，然後等待換刀動作開始。換刀動作主要負責將刀庫上選定的刀具和主軸上的刀具進（jìn）行交換的動作。

圖 1 係統連接及主要配置（zhì）

圖 2 立（lì）式轉（zhuǎn）臥式

圖 3 臥式轉立式（shì）

（2）主（zhǔ）要（yào）參數設置。MH1600W 立臥轉換加工中心是通過立式（shì）或（huò）者臥式的不同換刀位置（zhì）來進行換刀；換刀（dāo）位置參數在坐標軸參數下麵的對應軸 0（X）、軸 1（Y）、軸 2（Z）參（cān）數：

立式主軸定向位（wèi）置參數為 #105 539=2792；

臥式主軸定向位置參（cān）數為 #105 590=3190；

立式 Y 軸換（huàn）刀位置參數為 #101 021=22.145；

立式 Z 軸換刀位置參數為（wéi） #102 021=-33.7；

臥（wò）式 Y 軸換刀位置參數為 #101 022=21.345；

臥式 Z 軸換刀位置參數為（wéi） #102 022=-180.8；

臥式（shì） Z 軸（zhóu）讓刀位置參數為 #102 023=0。

3.1.6 其他功（gōng）能

（1）係統具備反向間隙補償、絲杠螺距誤差（chà）補償等功能，可對機床的幾個軸向移動分（fèn）別進行補（bǔ）償，消除傳（chuán）動間隙。同時調（diào）整係統和驅動（dòng）器（qì）參數，使機（jī）床（chuáng）具有較（jiào）高的回零精度和（hé）響應速度。

（2）恢複原機床各項控製、連網功能，設置全方（fāng）位報警文本功能，使係統能自動檢測由（yóu）於誤操作、編程錯誤，各電氣部件問題所引起的各種故障，係統除進行相應的保護動作外，同時顯示報（bào）警號和報警文本，方便維護。

3.2 機械、液壓、潤滑檢修

（1）檢查機床各軸的滾珠絲杠，更換（huàn）聯軸節（jiē），更換（huàn）各軸滾珠絲杠兩端的（de）支撐軸承（chéng）、軸承調整墊，消除絲杠軸向竄動。調整各軸（zhóu）滾珠絲杠的軸向預加載荷，消除（chú）反向間隙，保證機床各（gè）軸的定位精度及重複定位精度（dù）要求。

（2）檢修工作台，檢修轉（zhuǎn）台鎖緊（jǐn）裝置（zhì），對工作台鎖（suǒ）緊槽除鏽處理，更換鎖緊缸,檢修 B 軸蝸輪蝸杆，調整蝸輪蝸杆（gǎn）間隙，更換蝸（wō）輪蝸杆軸承和編（biān）碼器（qì），使定位準確。

（3）更換主軸前、後端軸承，檢查主軸（zhóu）箱內各換擋齒輪及（jí）拔叉是否磨損或損壞；檢查主軸錐孔的磨損情況，可用標（biāo）準研棒研磨處理；更換蝶簧，調整鬆拉（lā）刀機構和壓力，達到鬆拉刀要（yào）求。

（4）更換 X 軸導（dǎo）軌刮屑板，防止鐵屑及灰塵進入導軌，造成導軌刮傷；檢（jiǎn）修機床各（gè）軸防護（hù）裝置，更換（huàn）全部 X 軸、Y 軸、Z 軸（zhóu）防護板的密封條，防止雜物進入。

（5）檢修機床自動換刀裝置，即刀庫及機械手裝置，檢（jiǎn）查液壓閥、液（yè）壓馬達、更換損壞的（de）零件及（jí）電磁閥（fá），使機床自動換刀穩（wěn）定可靠。

（6）檢（jiǎn）查液壓裝置及液壓箱，更換機床老化或損壞（huài）的液壓元件、閥體、管路、電磁閥、密封圈、集（jí）中（zhōng）潤滑裝置、潤滑管路、分配器，冷卻裝（zhuāng）置及管路等（děng），更換蓄能器，檢修液壓（yā）泵，防止泄漏，壓力達到正常標準，液壓間歇自動補壓，解（jiě）決液壓頻繁啟動導致油溫過高和漏油問題。

幾何精度調整檢驗（yàn）合格後，後采用利用激光幹涉儀對機床的幾個軸向移動分別進行測量和補償（cháng）；同時調整優化係統和驅動器參數（shù），使機床具有較高（gāo）的動態性能、定位精度和重複定位精度，同時減小跟隨誤（wù）差。

4、實施（shī）後的效果和優點

換腦改造後，機床的定位精度、重複定位精度達到原有機床的精度；按（àn） GB/T 18400.7—A320 輪廓加工試件加工試切，經三（sān）坐標測量機（jī）測量，直線度、垂直度、圓度（dù）、孔的定位精度等（děng）均達（dá）到原機床試件的加工精度。

在更換數控係統的基礎上，使用全閉環控製、多平麵刀具補償、小線段連續優化過渡等功能，並通過以太網與（yǔ）車（chē）間 DNC 係統聯網實現（xiàn）數據網絡傳（chuán）輸，實現機床狀態實時采集（jí）與監控，大大提升機床（chuáng）的加工（gōng）能力與加工效率。同時對原有的機械部（bù）分做了充分（fèn）的維護和保養。對相關機械（xiè）連接件做了必要的重新設計和更換。簡化了（le）電氣櫃內的線路（lù）連接，通過模塊化的方（fāng）式，重（chóng）新設（shè）計電氣櫃的電氣連接，方便（biàn）維護和故障檢（jiǎn）修，設備可維修（xiū）性得到提高。

5 、結束語

通（tōng）過國家重（chóng）大專項支持，采用華中數（shù）控 8 型係統成功進行換腦改造（zào），在完成以上改造後，該機床（chuáng）的性能和精度達到（dào）或超過原（yuán）機床。經過近半年時間的生產實踐證（zhèng）明（míng），該改（gǎi）造方案（àn）經（jīng）濟可行，係統運行穩定，故障率很低，故障停機時間（jiān）比以前大為減（jiǎn）少，提（tí）高了加工精度，原值 550 萬元瀕臨報廢（fèi）的設備在科研生（shēng）產中又重新煥發生機，取得良好的（de）經濟效益，完全能夠滿足航天軍工高精度、高效率、高可靠性的要求，改造費用控製在同檔次進（jìn）口機床價格的 1/4 以內，避免了采用進口數控係統進行改造成本高、時間長等問題，實現進口數控係統的國產化替代，延長設備使用壽命（mìng），達到預期的效（xiào）果。同時推動國（guó）產高檔數控係統在航天領（lǐng）域廣（guǎng）泛應用，提升軍工企業的智（zhì）能製（zhì）造能力和生產效率，保障軍工企業信息安全（quán）、產業安全（quán）和經濟安全（quán），為（wéi）國防安全的自（zì）主可控提供保（bǎo）障。

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