摘要：近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。文章重点针对五轴联动加工中心的优化进行了分析和探讨。
关键词：五轴联动 加工中心 轴承 优化
数控机床的数控系统在使用15年左右后就进入了产品老化期，故障率和维修成本会显著增加，这时用新的数控系统进行升级改造，与购买动辄上千万元的新设备相比，具有投资少、周期短、风险小等优点。本文所探讨的HTM63车铣复合加工中心，属于电脑加工中心类型的机床。该五轴联动加工中心增加了可摆动的动力刀具组件，因此机床具有可完成零件侧面、正面、斜向钻孔及铣削等功能，并具有“X、Y、Z、C、B”五轴联动控制加工能力。该系列数控车床适合加工要求较为复杂的车、铣复合加工的零件的大批量、多品种、高精度的加工任务。
1、五轴联动加工中心概述
五轴联动加工中心的刀具排布采用两轴控制排式刀架排布的结构，结构简单、换刀快捷、可靠性极高。加工中心具有超长行程的Z 轴，行程可达2000mm。因此机床在加工较长零件时，和同类数控车床相比，可以明显减少送料次数，提高加工效率。对于许多长度在1500mm以内的零件，可以一次送料完成零件全长度的加工。五轴联动加工中心配有高速精密同步导套，因此可以完成对钢件、不锈钢件的大批量精密加工以实现高品位零件的高速切削。数控加工中心配备三轴钻孔加工功能，可以完成零件轴端的钻孔及攻丝的加工。并且针对客户的零件，五轴联动加工中心配备安装有各类钻铣动力刀具、或者旋风刀具的摆动动力刀具模块，因此动力刀具可以在0-90度范围内摆动，以完成各种轴件的多方向精密钻、铣加工功能。加工中心的送料部分可以配备自动送料器，接料部分可安装短件接料器及长件接料器，以实现一人操作、看护多台机床的“一人多机”加工模式，为工厂节省人力资源。还可以配备自动排屑器等多种附加设施并组成柔性加工生产线，以完成自动化加工。此类加工中心床最适合加工用于航空、航天、军工、汽车、摩托车、通讯、制冷、光学、家电、微特电子、电子、钟表等行业的各种高精度、多批量、外形复杂的轴类零件的精密复合加工。
2、五轴联动加工中心改造方案
对原有机械部分主轴系统的轴承支撑系统进行了动态优化设计，提出了双排轴承的设计方案，并对选用当前我国市场上最为常见的SIEMENS 840D对原有的BOSH Micro8数控系统进行替代；原有的可控硅直流调速的系统采用了配套的SIEMENS 611D数字交流伺服系统进行替代；原有直流的电机选用当前流行的SIEMENS伺服电机与交流主轴进行替代；利用1FT6的全数字交流伺服电机对刀库旋转进行驱动，从而实现了半闭环控制；选用德国HEIDENHAIN的RON285圆光栅与LB382C型直线光栅对所有的轴检测装置进行分别的替换。
3、改造中的重点事项
3.1 改进控制方案
主轴控制实现变档三不到位的情况下实现主轴停止，可以采用自动停止的方式，即设定主轴换挡的时间，在设定的时间内主轴变速到位主轴停止，若不到位，超过设定换挡伺服时间主轴亦自动停止，而且在停止后还可以重新启动变速。不改变原设计外部控制线路，在程序内利用PLC的TIM时间指令实现自动变档停车问题，软件编程如下：
LD200.02主轴l挡
OR200.03主轴2挡
OR 200.04主轴3挡
AND 200.00
ANDNOTTIM005
ANDNOTTIM007
ANDN0T200.05
OUT201D1变档私服、
LD2O0.02
0R200.03
OR 200.O4
ANDNOTTIMO06
#8
LD2O0.O2
OR2O0.03
0R 200.04
ANDNOT201.Ol
TIM006
#60
LD2Ol0l
OR20l.O2
ANDNOT5.12
进 ANDNOT5.l3
ANDNOT5.14
OUT201.02伺服时间控制
UD200.02
OR2O0.003
OR2O0.004
AND201.02
TIM007变速停止时间
#600
3.2 自动换刀动作的PLC编程设计
此次改造使用的是西门子公司的S7-300 PLC模块。在PLC 程序设计中，自动换刀编程是重要的外围动作设计任务。该加工中心的刀具交换装置采用可双向旋转的盘式刀库，通过单臂双爪的机械手用16个步骤将刀库中的刀具装到主轴上，每个动作我们都用M 代码进行设定。为防止某个动作不到位，在编程过程中加入了到位信号互锁。另外，主轴换档、坐标运动、紧急停止、冷却液开关、转台夹紧、松开等其它动作的PLC编程设计跟一般卧式加工中心的类似，在此不再介绍。
3.3 机床参数的设置
在系统调试初期需要先对轴参数进行设置，而各轴需根据实际情况进行配置，在此以分别代表直线、旋转、主轴的X、B、SP三类典型轴为例，介绍部分轴参数的设置情况。以上轴数据设置好以后，还要对轴的基本配置参数、回参考点参数、报警监控参数、测量系统参数等进行相应的设置，此处就不再详细说明了。
4、改造效果
通过上述的优化改造之后，HTM63车铣复合加工中心在原有的基础上增加了一些新的功能，比如:刚性攻丝、主轴点动、图形模拟、DNC、手轮驱动等，使得操作起来更为便捷和简单。选用了611D伺服系统和SIEMENS 840D数控系统，构成了一个全数字式的自动化控制系统，确保了HTM63车铣复合加工中心的实际控制性能接近了当前国内一流的技术。改造之前HTM63车铣复合加工中心设备发生故障次数很频繁，经常都会停机进行长时间的修理，而且整个维修的费用比较大。经过上述的优化与改造之后，使得大大降低了HTM63车铣复合加工中心的电气故障率，其稳定性有了较为显著的提高。
参考文献：
[1]王鸿博,李海东,王宝平.MCM G180LG加工中心的数控系统改造[J].机械工程与自动化，2009(3):192-194.
[2]王丽茹.采用西门子840D数控系统改造大型数控卧车[J].制造技术与机床，2009(7):106-108.