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工研院機械所 品質工程技術組 維護工程部 沈宗福、詹文良 TEL: (03) 591-7963 FAX: (03) 582-0457 E-MAIL: TFSHEN@ITRI.ORG.TW 中華民國八十七年十月三十日
目
錄 0. 前言 1. 更換前機器狀況 2. 面臨的問題與解決方法 3. 更換後架構 4. 更換前後規格與功能比較 5. 工程經過 6. 新增功能 7. 教育訓練 8. 結論 9. 附記 10.參考文獻
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摘要: 南部某機械公司為國內少數有能力承接重型加工工件廠商，廠內擁有許多大型加工設備，其中有一臺BERTHIEZ TFM125車床加工機因颱風水患，造成控制器故障，無法加工使用，影響產能很大。 BERTHIEZ TFM125 車床加工機原廠使用G.E. 1050HL控制器，因故障無法加工，故於民國87年2月委託工業技術研究院機械工業研究所更新為AUTOCON DynaPath Delta PC_based 40T控制器，此篇文章說明更新過程。 南部某機械公司為國內少數有能力承接重型加工工件廠商，廠內擁有許多大型加工設備，其中有三臺法國製BERTHIEZ 車床加工機，皆是十幾年前採購之設備，距今時間已久，三臺之一BERTHIEZ TFM125車床加工機因颱風水患，造成控制器故障，無法加工使用，影響產能很大。 BERTHIEZ TFM125 車床加工機原廠使用G.E. 1050HL控制器，因故障無法加工，故於民國87年2月委託工業技術研究院機械工業研究所更新為AUTOCON 40T控制器，以下說明更新的過程。 BERTHIEZ TFM125車床加工機之Z軸最大伸長距離約1250mm，最大加工半徑約943mm。 由於原來的G.E. 1050HL控制器故障時，功能上仍具有手動操作功能，但因為無法顯示座標，實際上無法執行加工工作。故障時機器外觀如圖(一)。 加上機器停工多日，且臺灣機械公司位置處於高雄港邊加工區內，海風中的鹽霧長時間作用，和雨季長時間高濕環境，更使機器增加許多問題，例如: 繼電器面盤上之繼電器幾乎都有水滴積在塑膠殼內 ; 機器也有生鏽現象。 因此，在改裝前必須確認機器所有零組件功能是否正常，例如: 主軸、X軸和Z軸馬達是否正常? 驅動器是否正常? 油壓系統是否正常? 潤滑系統是否正常? …………………… …………………… 其次，是必須確認下列資料是否齊全?例如: 操作手冊(機器功能，準備機能，輔助機能) 維護手冊(油壓，氣壓，潤滑，切削液系統及元件) 電路圖(電力，主軸，軸向，刀庫，換刀等) 階梯圖(LADDER DIAGRAM) 幾何、定位精度 2.1時程上的限制 這個案子成立時，距顧客要求結案日期只剩下幾個月時間，由於控制器等重要零件需自國外進口，從採購到拿到零件需要一段時間，所以選擇的解決方案只有一次測試機會，如果選錯，就無法按時結案，加上合約上訂有逾期處罰條款，更增加許多壓力。 2.2技術上的思考點 電腦產品在這十年進步神速，工具機控制器同樣也進步很多。G.E. 1050HL控制器是十多年前的產品，顯示器只能一行顯示，所以，軸座標只能同時顯示一軸，不方便操作，如何藉更換控制器的機會，增加其他方便功能以改善加工效率，是考慮一大重點。 2.3控制器的選用 BERTHIEZ TFM125 車床加工機工作臺馬達為55KW直流馬達，X、Z軸馬達為 4KW直流馬達，軸向驅動器為類比式驅動器，在確認馬達與驅動器功能仍正常後，我們決定保留這些零件，於是必需選擇一個可匹配的控制器來取代原來故障的G.E. 1050HL控制器。 我們選擇AUTOCON 40T控制器，AUTOCON 控制器是以PC based為架構，分為車床T系列與銑床M系列，車床T系列又有40T、50T與60T三種。40T是較基本的一種，有類比式驅動板可與外面軸向驅動器配合。 原廠顯示器有9吋與14吋可選用，因為是標準的VGA介面，與個人電腦使用的螢幕相容，為配合安裝在操作箱內方便鎖附且原廠有操作鍵盤，我們選用原廠14吋顯示器與操作鍵盤，如圖(二)。 PC based架構控制器是最近工具機控制器的潮流，具有簡單、便宜、多功能、開放式等特色，加上近年個人電腦普遍推廣與網際網路的流行，PC based架構控制器的應用發展具有廣大的空間。 硬碟為400M容量，與個人電腦使用的硬碟相容，可匹配其他較大容量硬碟。軟碟機為1.44M容量3 1/2吋體積型式，與個人電腦使用的軟碟機相容。軟碟機另外製作一片支架安裝在電控箱前門上，方便傳遞、儲存軟體與參數。 為了增加散熱效果，又在電控箱前門安裝兩組8吋風扇，直接使用電控箱提供之220Vac電源。 AUTOCON
40T控制器系統模組如圖(三)。更換前控制器如圖(四)所示，更換後控制器如圖(五)所示。 2.4軸向迴授信號介面的處理 BERTHIEZ
TFM125 車床加工機X軸和Z軸原來使用磁力尺(INDUCTOSYN)為軸向迴授元件，工作臺使用解析器(RESOLVER)為位置迴授元件，迴授信號經過介面板放大後，直接進入G.E. 1050HL控制器。為了處理迴授信號我們準備兩個方案，第一是改用光學尺:第二是延用磁力尺，但需更換介面板，改變迴授信號介面方式以便與AUTOCON 40T控制器匹配。 因為X軸與Z軸行程空間不適合裝設光學尺，所以我們選用第二方案，沿用原來磁力尺，在確定磁力尺表面無損壞後，開始評估選用迴授信號介面板。 更換前系統架構圖如圖(六)所示。 由於新的軸向迴授信號介面增加一些板子，所以必須再規劃空間安裝，除了使用原來的介面板箱子外，增加了安裝主軸迴授信號放大板箱子，此箱子安裝在機台後面，如圖(七)。同時，X、Z、主軸迴授信號處理板各有一片，加上提供+-15V直流電源供應器，我們多設計一塊底板來安置鎖附，並將此底板安裝在原本電氣箱內左側，即控制器旁邊，安裝好的迴授信號處理板與電源供應器如圖(七)所示。 2.5操作面板與操作箱更新 新的操作面板規畫如圖(八)，主要分為參部分: a、14吋螢幕與鍵盤 14吋螢幕與鍵盤取代了原來G.E. 1050HL操作面盤， 螢幕上可同時顯示許多訊息，強化人機介面，原來顯示器只能顯示一行訊息，操作較不方便。 鍵盤有螢幕軟鍵和硬鍵，更增加操作方便性。 b、NC操作面板 NC操作面板功能與操作方法保留原來方式，跟改裝前類似，原來操作面板按鍵與開關多數已老舊，所以全部更新。 c、手動操作面板 手動操作面板功能與操作方法保留原來方式，跟改裝前類似，原來操作面板按鍵與開關也已老舊，所以也全部更新。 原來操作面板與操作箱如如圖(九)所示，已經鏽壞，所以重新設計更新取代，更新後的操作箱如圖(十)所示，操作面板一樣重新設計更新取代。 2.6 輸入/輸出訊號定義與PLC應用軟體撰寫 隨著控制器更換為AUTOCON 40T後，輸入/輸出訊號必須重新定義，同時也必須依AUTOCON
所定義的語言語法重新撰寫PLC應用軟體。 AUTOCON 所定義的PLC語言稱為PIC(Programmable Interface Control)軟體，共有33個指令，分為四個部分: logical bit指令、word指令、flow control指令和utility指令。語法類似assembly，故可以在個人電腦上使用文字編輯軟體編寫。PLC應用程式寫好後，必須使用AUTOCON提供之軟體Assemb30.exe編譯為執行檔 *.ob 程式和階梯檔 *.lad程式。執行檔程式存入控制器即可使用，階梯檔程式可印出以方便閱讀PLC應用程式。 Assemb30.exe在個人電腦上使用，也可用來修改參數檔與印出檔案內容。 2.7 繼電器面盤上繼電器全部更新 前面提過，因為機器停工多日加上長時間海風鹽霧作用，和雨季長時間高濕環境，繼電器面盤上繼電器塑膠殼內幾乎都有水滴積存，外面也有白色累積物質，造成繼電器不定時的誤動作，為了加強可靠度，故更換繼電器面盤上全部的繼電器，我們使用OMRON相同規格繼電器取代原廠使用的繼電器。 更換前繼電器面盤如圖(十一)。 2.8 備品準備 除了更換所需零件外，也準備了相關備品零件，以供日後使用，備品包括主機板、驅動板、PLC板、輸入/輸出板、記憶板、硬碟、按鍵、指示燈泡、開關和繼電器等零件。 更換後系統架構如下圖(十二)。 主要更換組件包含整組控制器、軸向迴授信號介面板、操作面板與外箱等。 G.E. 1050HL控制器為美國GENERNAL ELECTRIC公司所發展的工具機控制器，AUTOCON 40T控制器為美國AUTOCON公司所發展的工具機控制器，兩者於應用後之功能比較如表(一)。 5.1規劃設計與前置工作 考慮時間短促與廠商地點在路途遙遠之高雄，因此規劃之初，即定出工程主要分兩階段執行，即在公司內先執行之工作與到現場執行之工作。 公司內先執行之工作包括: 原來系統動作流程研究分析、系統線路設計、操作面板與外箱設計與發包及配線、零件詢價與採購、PLC應用軟體撰寫與測試和控制器簡易測試等，待確定PLC應用軟體基本可行後，才進行第二階段施工。 為確認PLC應用軟體撰寫基本正確性，準備了小型直流馬達與小型類比式驅動器模擬軸向動作，並準備I/O(輸入/輸出)模擬信號箱測試輸入/輸出訊號，I/O模擬信號箱如圖(十三)，安裝前測試狀況如圖(十四)所示。 5.2現場配線施工 第二階段施工即是在現場配線施工，有些配線工作是與第一階段同步進行的，例如: 舊控制器、操作箱與相關線路拆除和新介面訊號拉線與配線。等新的控制器試好與新的操作箱外製做好，即運至廠商處現場安裝。安裝過程有時需要之材料沒準備到，即在高雄材料行購買使用，待一切安裝妥當，即準備試機。 5.3試機 送電試機前，先使用電表依配線圖逐一量測線路是否正確，尤其是電源線更需確認沒有異常短路情形，等確認配線無異常後，再逐步送電一一測試相關線路，首先必須先測試緊急停止功能按鈕，待確認緊急停止按鈕功能正常後，才可進一步測試。 接下來確認各軸極限開關保護功能、手動軸向運動功能、手動主軸換檔功能、手動橫樑升降功能、手動換刀功能、NC軸向運動功能、NC主軸換檔功能、NC橫樑升降功能、NC換刀功能和NC加工程式試執行測試。 試機過程中，多少會發現問題，有的是硬體設計問題，有的是軟體程式設計問題，待一一排除問題,功能逐一確認後，始進行實物加工測試。 5.4驗收 一切測試正常後，依廠商提供之測試工件和尺寸，撰寫NC加工程式，進行實物加工驗收測試，加工無誤後，廠商才有信心簽收。 因為原操作者加工工件時，常有分次先做粗加工需求，故配合操作者習慣與加工需求，增加"任意機械原點"與"NC
手動"兩項主要功能，敘述如下: a.任意機械原點 當CONTROL ON時，系統必需執行回機械原點動作。如果沒執行回機械原點動作，螢幕畫面會持續閃動警示。但是，當刀具太長無法進入刀庫時，或是操作者不需確實執行回機械原點動作時，則在寸動(JOG)模式下，選擇"R"後，先持續按住本按鈕，再轉X ,Z JOG，即自動在現在位置附近移動一下，完成回機械原點動作。 注意! 以此方法回機械原點動作所執行後的機械原點會每次不一樣。
b.NC手動 先使用手動資料輸入(MDI)模式選擇M03工作臺正轉(或M04反轉)、FEEDRATE(進給率)、轉速，使工作臺轉動後，就可以在JOG模式下，按一下本按鈕，NC 手動燈亮，即進入NC 手動加工模式，此時，進給率自動跳至0-SLOW，此時操作者可以再選擇別的進給率後，JOG X或Z即可連續進給，執行加工動作。按FEEDHOLD鈕解除NC 手動加工模式，NC 手動燈滅! 完成驗收程序後，規劃了三天教育訓練課程，訓練地點在廠商會議室與機器現場，三天課程規劃如下: 第一天: 操作訓練 針對新的控制器功能介紹，與新操作面盤操作做訓練。 第二天: 加工程式撰寫訓練 介紹控制器加工功能與加工程式撰寫，並實例講解。 第三天: 維護訓練 針對維護人員講解線路架構，與軟硬體安裝操作，另外準備了一套控制器供實例講解與操作。 廠商參加教育訓練之人員有現場加工人員、程式撰寫人員、維護人員與其他相關人員，上課實況如圖(十五)與圖(十六)，教材除原廠提供之手冊外，我們也編寫中文之操作手冊提供使用。 改裝後此臺機器已經正常加工中。國內機械廠擁有許多CNC、NC加工設備，有時因為機器老舊功能不足使用，有時因為後勤維護支援出現問題而無法加工使用，既無法滿足加工需求也造成資源上的浪費! 臺灣工具機控制器更新的市場是存在的。 本案例以不到1/4整臺購置成本的費用更新了控制系統，讓無法使用的機器恢復生命，甚至增加了一些功能讓加工更順利有效，實在是值得投資! 機械工業研究所是取得ISO9001認證之單位，本部門在工具機控制器更新技術上累積多年經驗，機械工業研究所的品質政策是"將對的事做好且符合顧客需求"，提昇國內廠商顧客的競爭力更是我們一向努力的方向。 本案施工與試機期間，每次遭遇到操作問題或故障情形時，有賴現場操作者蔡先生和維護工程師丁先生與其他人員之指導與幫忙協助，才使工程順利進行，在此特別感謝! 10.1 G.E. 1050HL操作手冊與維護手冊。 10.2 AUTOCON 40T型錄、操作手冊與維護手冊。
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