用于汽车桥壳工件加工的数控双头车的电气设计与应用

熊 辉

(宁夏新瑞长城机床有限公司, 宁夏 银川 750021)

对于重型汽车桥壳工件的加工，一般推荐用户使用笔者公司生产的CKU7840中间驱动机床。为提高设备使用效率，某重汽车桥公司需要一种可加工多种汽车桥壳工件的机床。分析用户提供的4种桥壳工件：毛坯长1 270～1 400 mm，可以用头架尾架的伸缩去兼顾；工件加工部位的止口尺寸为φ156～158mm、法兰尺寸均为φ220 mm，差异不大；中间包体形状和尺寸差异较大，桥壳工件图[1]对比见图1，因此中间驱动装置无法做到通用，CKU7840中间驱动机床无法满足加工需求。

经过与用户的多次技术沟通，我们在CKU7840中间驱动机床基础上，根据加工工艺的需要，取消中间驱动装置，采用头架、尾架双主轴驱动，为用户设计并生产了3台CKS7840数控双头车机床。

1 机床简介

CKS7840数控机床有左右两个对置的主轴，有左右两个床鞍，双刀架对称布局。左右主轴箱上装有头架、尾架套筒及胀套；两组液压托料架用于桥壳工件自动上下料。机床结构如图2[1]。

两个主轴均采用FANUCαiP30系列数字交流主电动机驱动，可在宽范围内实现无级调速。主电动机采用Y型接线，使用电动机的低速区特性，并通过皮带减速，最终左右主轴限定最高主轴速度500 r/min。

加工时头架、尾架夹持着同一个工件同步旋转，这就要求两个对置的主轴不仅转速相同，主轴旋转的相位(旋转角)也必须保持一致，为此需使用FANUC主轴同步控制功能。为精确地控制主轴的相位同步，CKS7840机床的两个主轴均采用FANUC BZi环形编码器作为位置反馈。

该机床的纵、横向电动机采用高性能的FANUCαiF系列交流进给伺服电动机，定位精度高。左右刀台采用SAUTER公司生产的0.5.440.220/8T系列液压伺服转塔刀台。左刀台在左床鞍上，由X1轴和Z1轴伺服电动机驱动；右刀台在右床鞍上，由X2轴和Z2轴伺服电动机驱动。

2 数控系统及连接

出于成本的，CKS7840机床使用FANUC 0i-D双通道数控系统，图3为主轴连接示意图[2]。第一主轴(左主轴)是主控主轴，通过NC与主轴放大器的通讯电缆接受来自CNC的指令，第二主轴(右主轴)跟随主主轴同步回转，是从控主轴。主电动机αiM传感器的速度反馈连接到主轴模块的JYA2，BZi环形编码器的位置反馈连接到主轴模块的JYA4。CNC 随时监视两个主轴的移动位置，并对两者的误差进行补偿。

3 机床工作时序

图4为PLC外部电气接线图。为方便操作，开机后首次主轴同步控制用按钮操作，主轴同步完成后，主轴同步按钮指示灯亮。套筒、胀套、托料架是用液压控制的，其中套筒可以气动锁紧，桥壳工件放在托料架上通过两个定位销定位。

机床NC通电后，主轴电动机均处于自由状态，是速度控制方式。进入主轴同步控制方式过程中，为了检测位置编码器一次旋转信号，两个主轴会自动地旋转2～3圈，旋转方向、旋转的圈数均可能不同，因此接通主轴同步控制是不能夹持着工件进行的。

如果机床上一次断电时未将工件卸下，NC通电后，为确保安全需先卸下工件：托料架上升→胀套松开→头架、尾架的主轴套筒松开并退回→托料架下降到原位→用天吊卸下工件。

然后，手动方式按主轴同步按钮、或MDI方式执行M46 S0进行主轴同步操作。主轴进入同步控制方式后，主轴停在位置编码器一次旋转信号位置。

手动或自动上料：托料架上升→主轴套筒伸出、锁止→胀套涨紧→托料架下降到原位。自动门关闭后，主轴便可以同步旋转进行工件加工。

根据用户的汽车桥壳工件装载及卸料的需求，加工结束后，主轴需定向停止在固定的方向，因此需要实现主轴同步控制中定向的功能。

主轴同步定向停止后，手动或自动下料，自动门打开，吊走加工好的工件，继续装载下一个工件。机床工作时序如图5。

由于工件又大又重，为确保设备安全，按照动作顺序要求，在PLC梯形图中编写了相应的互锁关系、操作信息及报警。

4 主轴同步控制

根据机床工作时序需求，机床需进行主轴同步的相关控制[3]

4.1 主要参数设定

8133 #4=1使用主轴同步控制

4014 #6=1主轴同步定向功能有效

4800#5=1进行将第1路径第1主轴作为主控主轴、第2路径第1主轴作为从控主轴的主轴同步。

4801#0在主轴同步控制中各电动机的旋转方向处理，路径1设为0，路径2设为1。

4.2 PLC处理

主轴同步控制的信号处理、主要逻辑关系参见图6的梯形图[4]。

M46接通主轴同步控制信号G38.2，当F44.2为1时主轴同步速度控制完成(转速同步)，接着接通主轴相位同步控制信号G38.3，当F44.3为1时主轴相位同步完成(相位匹配)。

根据工件卸载的需求，主轴停止需要进行同步定向停止操作。复位或指令M05时，发出同步定向操作请求信号G73.3，并指定定向旋转方向。当主轴放大器端输出同步定向容许信号F47.3时，接通主轴相位同步控制信号G38.3，主轴同步定向停止在一次旋转信号位置。

在初期调试过程中出现了主轴飞车状况：执行M46主轴同步，M03S50旋转主轴，急停后再次执行M46，主轴飞车到最高转速500 r/min然后进入同步状态并停止。继续调试发现G38.2应迟于G70.4接通，即解除急停后，需先进入速度控制方式，再进入主轴同步控制方式。

由于篇幅的关系，参数设定不能一一列举，PLC梯形图也做了简化，如主轴的其他信号处理、同步条件、手动的同步等做了删减。

5 机床应用

机床的上料和卸料过程固定，手动操作较为繁琐。通过参数设定了两个调用子程序的M代码[5]，M71调用自动上料子程序O9001，M72调用自动下料子程序O9002，可在主程序中调用以实现半自动加工。编程举例如下：

O1111； 主程序

M24； 自动门关

M71； 调用机床自动上料子程序O9001

……： 工件加工程序块

M05； 主轴同步控制中定向

M72； 调用机床自动下料子程序O9002

M25； 自动门开

M02

O9001； 自动上料子程序

M36； 托料架上升

M12； 主轴套筒伸出、锁止

M10； 胀套涨紧

M37； 托料架下降到原位

M99； 返回主程序

O9002； 自动下料子程序

M36； 托料架上升

M11； 胀套松开

M13； 主轴套筒松开、退回

M37； 托料架下降到原位

M99； 返回主程序

6 结语

该机床的设计满足用户一台机床加工多种桥壳工件的需求，且用户只需将桥壳工件定位放在液压托料架上，一键循环启动后，关门、上料、装卡、加工、下料、开门等工序一次自动完成，大大地提高了生产效率。如果机床外配备装载卸载工件的机器人、工件输送装置等，便可实现自动化加工生产线。

2011年以来3台CKS7840机床已在用户现场使用多年，机床控制稳定可靠，实际应用效果很好。

[1]李颜平.基于桥壳加工的两头同步驱动加工数控车床设计和研究[J].制造技术与机床，2017(9)：26-28.

[2]FANUC AC SPINDLE MOTOR αiseries参数说明书，B-65280CM[Z].

[3]FANUC 0i-D连接说明书(功能篇)，B-6 4303CM-1/01 [Z].

[4]FANUC 0i-D PMC PROGRAMMING MANUAL，B-64393EN/02[Z].

[5]FANUC 0i-D车床系统/加工中心系统通用 操作说明书，B-64304CM/02[Z].