西门子模块6ES7215-1AF40-0XB0性能参数

1. 引言

        我公司于1989年从德国引进的ZSTZ15磨齿机，系德国NILES公司80年代的产品，其控制系统以PC603及其I/O为核心，驱动系统的展成、分度、立柱、切向进磨均采用直流驱动器和直流伺服电机，滑枕冲程控制为电液伺服驱动。因电气及液压系统老化、PLC系统经常死机机，故障率逐年增高，液压伺服系统因变量泵、伺服缸、溢流阀等元件磨损，系统的内泄和外泄均很严重，常因压力降低而不能工作，尤其是三九和三伏天系统常常出现故障，冲程速度因压力的降低，只能达到40次/分钟，仅是原来的2/3，机床效率大为下降、机床的加工精度也受到影响。加工的齿轮多数都在10级左右，已不能满足我公司生产发展的需要。 
        我们采用法国产NUM Axium Power 1050全数字数控系统对其进行了改造，使这台已经工作了近20年的老设备重新焕发了青春。

2. 数控化改造思路

2.1 数控系统 
        用当代**的全数字数控系统之一，法国NUM公司生产的NUM Axium Power 1050G全数字数控系统及其全数字交流伺服驱动系统改造原来的PC603工控机及其PLC系统及其直流伺服驱动，该系统对于高性能的机床非常理想，NUM Axium Power 1050是一个多处理器的CNC，每2毫秒处理一次的路径产生及跟随，以及0.2毫秒的位置环刷新周期。具有标准的RS232接口，采用10.4寸彩色液晶显示器。

2.2 取消机械挂轮 
        取消原机床的机械挂轮及左、右齿面进给电机，展成运动和左、右齿面进给改为由NUM数控系统及其全数字交流伺服驱动系统控制X轴和C轴联动，用NUM系统的动态操作功能，通过复杂运算自动生成电子挂轮，取消了低精度的机械挂轮，减少机械传动环节以确保展成运动关系的**。

2.3 开发友好的人工界面 
        开发设计齿轮参数界面、砂轮参数界面、修整磨和循环磨界面，通过人机界面可以方便的修改齿轮参数、工艺参数。自动生成冲程长度、冲程速度、展成长度及展成速度等相关参数，简化了加工前各种不同规格齿轮的计算及调整时间，简化了操作，**了加工效率。

2.4 改造冲程液压伺服系统 
        利用德国博士伺服阀和力士乐变量泵更新改造冲程液压伺服系统，采用英国NEWALL球栅尺作冲程位置反馈，使ZSTZ15磨齿机升级为全新的数控磨齿机。

2.5 将原立柱移动（Y轴）、砂轮补偿（W轴）改为NUM数控系统及其交流伺服驱动系统控制。

3. 系统硬件配置

3.1 数控系统

MUM Auium POWER 1050 with coprocessor GS
10.4”LCDcolor screen(FS20)
WERTY CNC keyboard(KBD30)
Machine panel(MP02)
Optical fiber 15m
OEM handwheel unit

3.2 数控系统原理框图如下：

4. 软件设计

4.1 NC 程序设计
        利用 NUM 系统独有的动态操作功能，编制程序生成电子挂轮，确保 X 轴和 C 轴的**运动，满足圆柱渐开线齿轮的齿形需要。

4.2 PLC 程序设计
        多任务的PLC程序，**了PLC程序的编写和可读性，共设计了%TS0循环任务模块、%INI初始化任务模块和%SP1、%SP2、%SP3、%SP4、%SP5、%SP6六个子程序模块。将机床的启动、使能、轴控制、辅助功能、报警信息等编制成不同的模块。程序结构合理、层次清晰。

4.3 人机界面设计 
        利用MMITOOL软件开发友好的人工界面，设计出主界面、齿轮参数界面、修整磨界面、砂轮界面、自动循环界面、报警界面。

4.3.1 齿轮参数界面 
        图1为齿轮参数界面，操作者只需按照齿轮加工图纸，在操作台的键盘上，输入有关的数据（如齿轮的齿数、模数、螺旋角、齿宽等）后，就能自动生成展程长度、展程速度、冲程长度、冲程速度等加工参数，不需要再编制零件程序，即可进行齿轮加工，操作简单可靠。

图1 参数界面

        根据操作者的经验可以对自动生成的各参数进行适当调整，以满足加工的需要。

4.3.2 修整磨界面 
         修整磨界面即半自动界面，在此界面可以对找正后的齿轮进行试磨削，也可以进行单齿磨削和多齿磨削。

图2 修整磨界面

4.3.3自动循环界面 
        图3为自动循环界面，在自动循环界面可以对磨削量进行设置和调整。显示加工循环圈数、当前加工状态、齿轮参数、各轴的运动状态、当前的磨削量和总磨削量。可控制冲程液压伺服系统的油温。

图3 自动循环界面

4.3.4 手动界面

图4 手动界面

        见图4，在手动界面可对机床的X轴、C轴、Y轴、W轴、Z轴进行单独控制，配备的手轮方便了**对刀。可以方便地修改冲程长度、展成速度、展成长度值。操作者可根据经验直接输入左右齿面间隙，加快对刀进程。

4.3.5 砂轮修整界面

图5 砂轮修整界面

        在砂轮修整界面可以显示出砂轮的当前直径，输入每次的修整量和修整次数，还可以较正砂轮的当前直径。

4.3.6 报警界面

对机床运行中出现的故障报警并显示在屏幕上，方便了维修。

5. 冲程液压伺服系统

        冲程液压伺服原理框图如下图：

6. 结束语

        NUM Axium Power 1050全数字数控系统在欧洲和美国以**和航天工业的大量应用而著称于世，是当代**的全数字数控系统之一。它在ZSTZ15磨齿机的数控化改造中得以应用。不但**了生产效率近一倍，同时**了机床的加工精度，**了操作工人的收入，产生了重大的经济效益。开创了利用NUM系统，以取消机械挂轮的模式改造大型磨齿机的先河，在磨齿机改造方面取得了突破。

我公司每年根据客户的需求要焊接7～8万套阀体与法兰组合件，由于生产批量大、品种规格多，如果用手工钨极氩弧焊焊接，效率远远满足不了生产发展的需要。为了摆脱落后的设备和工艺的束缚，长期以来，我公司力求用科技手段来解决现有问题以实现科技兴公司，达到多、快、好、省的目标。

公司首先设想进口一台阀体与法兰双焊缝自动焊接机床，但需资金在20～30万美元，因财力所限，只能把目光转移到国内，寻求物美价廉的国产同类机床。通过查找资料、咨询有关专家后，与国内技术力量合作没计出阀体与法兰双环缝自动焊机。

我公司根据阀体与法兰环缝焊接的特点及技术条件提出设备要求，由某焊接自动化设备有限公司设计、制造了一台卧式环缝自动焊接机。专机在设计过程中，我公司有关人员捉供了许多阀体与法兰组合件焊接工艺技术资料，供该公司参考。机床经使用证明，其性能完全可与国外同类产品相媲美，能够满足阀体与法兰环缝焊接工艺的要求。

一、自动焊机的设计与原理

1.设备焊接电源形式的配置与比较

众所周知，焊缝质量的关键因素之一是焊接电源的配置。目前围内外有四种电源配置或焊接方法，为了择优选取，我们进行了对比分析。

(1)CO₂气体保护电源(熔化极)利用CO₂气体做保护。优点：CO₂气体价格低、生产效率高、焊接电流密度大、焊件基体熔池深、熔化效率高、熔敷速度快，生产效率比手工焊高2～4倍，而且抗锈、抗裂性能好；缺点：大电流焊接时，焊接表面成形较差、飞溅较多，焊后需人工除掉粘在工件上的飞溅物。

(2)MIG气体保护焊(熔化极)，利用氩气做保护。优点：焊接熔池深度大、焊接电弧稳定、焊缝成形好、生产效率高；缺点：因保护气体用氩气来实现焊接过程，氩气价格偏高且MIG焊接电源较CO₂/MAG焊接电源在价格上贵3～4倍。

(3)MAG气体保护焊电源(熔化极)。利用氩气和CO₂混合气体保护，其中氩气为80％、CO₂为20％。优点：焊接熔池深度大、熔敷效率高、焊接飞溅较小，可获得稳定的焊接过程和美观的焊缝。

(4) TIG气体保护电源(非熔化极)，利用氩气做保护。我公司通常使用的焊接电源就是这一种(手工钨极氩弧焊)。优点：由于电极只通过电流加热工件，使工件和焊丝形成熔池故没有飞溅物产生，焊缝成形美观；缺点：电弧熔池深度浅、熔敷率低、生产效率不高。因焊接过程全部采用氩气做保护，价格偏高。

通过焊接电源配置的对比及专家的建议，确定采用CO₂/MAG焊接电源配置来制造双环缝自动焊接机床。

2.设备的构成与工作原理

(1)设备的构成　该设备由导轨床体、转动转台、气动尾顶滑台机构、转动机构、工件夹紧机构、中间托料机构、专机焊枪气动调节机构、焊枪三维微调节机构、焊枪夹持机构、气动尾顶及专机电控系统组成。卧式双环缝自动焊机结构如图1所示。

(2)工作原理　采用转动端夹紧工件，另一端顶紧工件的方式，双头CO₂焊枪相对不动的原理与CO₂/MAG焊接电源匹配实现工件环缝的焊接。

(3)设备的适用范围　①适用于碳钢与不锈钢阀体、法兰等平面圆形环缝焊接。②环缝小直径为25mm，大直径为120mm。③阀体与法兰组焊工件大长度为360mm，法兰大直径为260mm。④工件大重量为45kg，机床大回转直径450mm。

(4) 设备的特点　①主转动部分采用标准蜗轮减速机传动，交流变频电动机，转速无级调节，转动定位盘上装有工件夹持机构。②中间托料盘采用气动上下运动，同时托料盘与气动尾顶滑台机构沿着机床可纵向调节，以适应不同长度不同规格的工件。调节时方便、快捷，且定位准确。③利用平台式焊枪调节机构，调节焊枪的轴向位置；采用精密直线轴承支承，手动调节焊枪距离，焊枪三维调节机构及焊枪夹持机构采用铝合金十字调架使焊枪夹持牢固可靠，焊枪的位置调节也方便、灵活。④设备具有搭接量调节和自动复位到初始状态等功能。⑤设备具有任意点起、收弧功能。⑥控制部分采用进口高性能PLC作为核心控制部件，对系统进行集中数据采集控制，操作界面为按钮式操作机构，故障率低并易于掌握。⑦一次成形双环缝焊接。⑧操作方便、易于调整，组焊不同规格体兰组合件时，设备调整一般只需 5min左右即可完成。

3.设备的自动焊接程序

按下启动按钮→托料盘上升到位→待焊阀体、法兰件分别放在定位盘及托料盘上→气动尾顶到位顶紧工件→调整好焊枪位置和角度→调整好焊接速度、焊接电流、电压及有关参数→工件旋转→自动焊接→焊接完毕，气动尾顶松开→卸下工件、进入下一个循环。

二、阀体与法兰双环缝自动焊接实例

(1)阀体与法兰材料为ASME A105、其熔炼分析和产品化学成分见下表：

(2)锻钢承插焊闸阀、阀体与法兰焊接组合件规格、尺寸见图2。

(3)焊接工艺　焊材选用牌号：GB/MG—49—1，型号：GB/ER—49—1或ASME ER70S—G。焊丝选用规格：φ1.2mm、电弧电压20～30V、焊接电流200—300A、气体**20～25L/min。

(4)双环缝自动焊接结果　一次性焊接完毕，成形后的焊缝外观美观、流畅、整齐划一，内在焊接质量经RT检验无任何焊接缺陷。

三、新旧焊接设备与方法的对比

仅以型号为Z41H—40FB—50的阀体与法兰组合件为例进行焊接对比：以往的阀体与法兰组合件焊接通常是在专用定位机床上，先固定阀体与法兰位置，用焊条电弧焊或手工钨极氩弧焊进行三点定位焊，然后夹持在焊接变位器上用手工钨极氩弧焊进行环缝焊接，焊层为2～4层。一面焊接完后，再调换位置焊接另一面，一位熟练的焊工需要9～10min才能将一套组合件焊接完毕。这样的施焊过程使得焊工劳动强度大、生产效率低，并受人为的操作技能影响，焊接质量得不到保证，外观焊缝成形差，费工、费时且增加了焊接成本。

现在使用卧式双环缝自动焊机，只要把阀体与带孔法兰在焊接机床固定、夹紧后，就可进行双枪双丝同步环缝焊接，并且定位准确，两边法兰平行度误差极小。焊接时间只需1.5min，一次性完成全部焊接过程。

四、经济效益

以规格为50min阀体与带孔法兰为例：原组焊一套阀体与法兰固定点焊工时费用0.34元，组焊工时费用1.53元，气消耗费用0.82元，现用双环缝自动焊机焊接，把两道工序合并为一道工序完成。焊接工时费用为0.65元、气消耗费用0.30元，计每套可节约人工费用1.22元、节约气消耗费用0.50 元，按年组焊各种规格阀门8万套计算，其他项目不计，仅生产成本费用就可节约10万元左右，而此焊机购进费用仅用了9.4万元。原手工钨极氩弧焊组焊阀体与法兰件返修率一直在3％左右，现使用机床组焊返修率降到1％以下，为此每年可以节约返修费用达1万元以上。由此可见，其经济效益是非常可观的。

五、结语

清洁、高效、低成本和自动化是焊接技术长期追求的目标，用CSW—500卧式双环缝自动焊机替代传统的手工钨极氩弧焊，阀体与法兰的单丝焊接是实现这一目标的开始，它对于阀门行业小型锻钢阀体、法兰组合焊工序是一种新没备、新工艺、新方法，适于批量焊接。除具有省工、省时及焊接操作技术要求不高的特点外，在工作中也减少了强烈的弧光和有毒烟尘对焊工的危害，大大减轻了焊工的劳动强度，改善了工作环境，并使焊接生产效率**3～4倍。焊接机床操作简单、维修方便，具有较高的工艺稳定性，显著**了焊接质量。此设备的生产和使用为阀门行业焊接领域提供了良好的发展空间，使阀体与法兰组合件焊接质量产生质的飞跃，是值得大力推广和使用的