華中8型數(shù)控系統(tǒng)在坐標(biāo)磨床再制造中的應(yīng)用技術(shù)研究
2021-2-9 來(lái)源： 江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司 .華中科技大學(xué) 作者：秦友 尹建華 黃煒
摘要：以江麓機(jī)電的某坐標(biāo)磨床為研究對(duì)象，采用華中HNC-848CM型數(shù)控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行數(shù)控改造，根據(jù)原西門子電機(jī)選用同等配置的華中電機(jī)，搭建測(cè)試平臺(tái)，用以測(cè)試在改造完成后坐標(biāo)磨床是否可以完成其實(shí)際加工任務(wù)中的多種工作，包括同時(shí)進(jìn)行套筒運(yùn)與磨削插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)、切線跟隨功能（法向跟蹤）、U軸控制等，最后達(dá)到了滿足工作需求的精度要求。
關(guān)鍵詞：坐標(biāo)磨床；華中HNC-848CM數(shù)控系統(tǒng)；改造；測(cè)試
0 引言
坐標(biāo)磨床多用以消除材料的熱處理變形，因其設(shè)有精密坐標(biāo)機(jī)構(gòu)，可磨削孔距精度要求很高的精密孔，能獲得高加工精度及低表面粗糙度，滿足坐標(biāo)孔的加工要求，是現(xiàn)代超精密加工中的有效設(shè)備。如果給坐標(biāo)磨床添加上磨錐機(jī)構(gòu)、其余附件和數(shù)控技術(shù)，則其不僅可以用來(lái)磨削圓孔、平面、圓弧、球面等，其可磨削的工件形狀幾乎無(wú)限制，特別適合加工形狀復(fù)雜且精度要求高的零件。當(dāng)前，江麓機(jī)電的某坐標(biāo)磨床因?yàn)榱慵半姍C(jī)逐漸老化等因素，磨削尺寸不穩(wěn)定，故障頻發(fā)，已逐漸不能完成既定加工任務(wù)，因此急需對(duì)其進(jìn)行維修。由于數(shù)控機(jī)床改造所需的成本較低，故通過(guò)數(shù)控改造對(duì)原有機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，最終使機(jī)床達(dá)到了較為理想的狀態(tài)，恢復(fù)了產(chǎn)能。
1 、改造方案
機(jī)床的改造主要應(yīng)該具備兩個(gè)基本條件：
（1）原機(jī)床基礎(chǔ)件如床身等必須有足夠的剛性，以確保改造后機(jī)床的加工精度和工件的表面品質(zhì)。
（2）改造后機(jī)床精度跟原有精度持平。對(duì)于改裝后的機(jī)床，能加工工件的最大尺寸及主電動(dòng)機(jī)功率等一般都不會(huì)改變；加工工件的平面度、直線度以及粗糙度等，基本上仍決定于機(jī)床本身原有水平。
根據(jù)機(jī)床現(xiàn)有技術(shù)狀況和條件，確定了改造的總思路：通過(guò)創(chuàng)造性的二次設(shè)計(jì)彌補(bǔ)原有機(jī)床設(shè)計(jì)上的一些欠缺；增加、提高、完善改造后機(jī)床的數(shù)控功能；從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，合理選擇數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)單元。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心部件，而驅(qū)動(dòng)單元決定了機(jī)床加工精度，機(jī)床的性能檔次取決于這二者的功能檔次。
首先，本次改造選用了HNC-8型數(shù)控系統(tǒng)，HNC-8型是武漢華中數(shù)控股份有限公司高端產(chǎn)品，系統(tǒng)采用32位微處理器，能實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制，尤其是其10 000條/18 s的處理速度，可實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)小線段加工。
其次，驅(qū)動(dòng)單元選擇華中數(shù)控自主研發(fā)的180系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具有體積小、性能好、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)數(shù)字設(shè)定的方式優(yōu)化電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的參數(shù)，以提高伺服系統(tǒng)性能，并可在上位機(jī)顯示電流、扭矩波形，便于觀察、了解負(fù)載的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)情況，以利及時(shí)調(diào)整切削參數(shù)，最大限度地提高使用效率。華中伺服電機(jī)帶有內(nèi)置式編碼器檢測(cè)元件，與數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋半閉環(huán)控制，可以確保伺服控制的精度。華中數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)單元所具備的以上功能，可以完全滿足機(jī)床改造的技術(shù)要求。
2 、改造方案實(shí)施
在確認(rèn)了改造的方案后，利用華中8型對(duì)坐標(biāo)磨床進(jìn)行具體改造。對(duì)坐標(biāo)磨床進(jìn)行電氣更換：
（1）選用華中數(shù)控HNC-8型數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造；
（2）采用華中數(shù)控總線式PLC模塊；
（3）去掉原進(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置，采用華中數(shù)控總線式HSV-180UD系列交流伺服驅(qū)動(dòng)及110ST系列伺服電機(jī)代替原驅(qū)動(dòng)裝置及電機(jī)；
（4）采用華中數(shù)控總線式HSV-180US系列主軸伺服驅(qū)動(dòng)及110ST-M06415LMBB主軸伺服電機(jī)替代原主軸驅(qū)動(dòng)裝置及電機(jī)；
（5）更換原移動(dòng)手持單元；
（6）保留機(jī)床原操作箱體支架及連接方式，采用成型操作箱體，重新制作操作面板，面板按鈕滿足機(jī)床功能要求；
（7）采用華中8型電柜替換原有電柜，重新設(shè)計(jì)、制作并配置電盤；
（8）電柜內(nèi)所有控制類低壓電器，如接觸器、斷路器、中間繼電器等均采用合資或知名品牌廠家產(chǎn)品，確保改造質(zhì)量，控制柜內(nèi)布線及電氣元件布置符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，符合電磁兼容性（EMC）原則，電氣元件編號(hào)、線號(hào)清晰持久，并與電氣設(shè)計(jì)圖紙上編號(hào)相對(duì)應(yīng)；
（9）保留原機(jī)床上的輔助異步電動(dòng)機(jī)，更換機(jī)床上所有控制類導(dǎo)線、電纜線；
（10）所有管線應(yīng)盡量暗裝，對(duì)不能暗裝的管線應(yīng)穿拖鏈或金屬軟管保護(hù)并固定，同時(shí)檢修拖鏈，保證拖鏈運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、順暢；
（11）檢修機(jī)床上原限位開關(guān)、檢測(cè)開關(guān)、安全開關(guān)等元件，不能修復(fù)的予以更換，各軸分別具有回零功能及保護(hù)功能；
（12）遵循國(guó)家機(jī)床電氣標(biāo)準(zhǔn)及機(jī)床動(dòng)作原理，重新進(jìn)行電氣技術(shù)設(shè)計(jì)，繪制新的電氣原理圖，編寫PLC程序，并編寫完善的報(bào)警信息；
（13）對(duì)機(jī)床進(jìn)給軸進(jìn)行激光螺距補(bǔ)償，提高機(jī)床精度。
完成機(jī)床電氣部分的改造替換后，對(duì)其部分機(jī)械部件進(jìn)行改造：
（1）重新設(shè)計(jì)、制作各軸電機(jī)連接件、支撐件。
（2）潤(rùn)滑系統(tǒng)：檢查、清洗、保養(yǎng)機(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)，更換易損件、密封件，使機(jī)床潤(rùn)滑充分。
（3）冷卻系統(tǒng)：檢查、清洗、保養(yǎng)機(jī)床冷卻系統(tǒng)，更換易損件及損壞件。
（4）清洗液壓站油箱，更換液壓油；清洗或更換濾芯；清洗疏通油管，更換損壞的密封件，使液壓系統(tǒng)無(wú)滲漏；更換損壞的閥組。
（5）參照國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)床進(jìn)行修理，恢復(fù)機(jī)床幾何精度。
（6）磨削各軸導(dǎo)軌面并貼塑后人工配刮各條導(dǎo)軌貼合面，恢復(fù)導(dǎo)軌幾何精度和表面粗糙度。
（7）機(jī)床各軸的滾珠絲杠都有相應(yīng)無(wú)法修復(fù)的損傷，需進(jìn)行更換。
（8）更換滾珠絲杠軸承。
（9）更換主軸軸承。
（10）調(diào)整各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)間隙。
（11）檢修機(jī)床排屑器，使排屑器運(yùn)轉(zhuǎn)順暢、穩(wěn)定。
（12）檢修機(jī)床防護(hù)罩，并校正變形部位。
3、 改造結(jié)果驗(yàn)證
3.1 測(cè)試環(huán)境及配置
為避免直接加工對(duì)機(jī)床造成損傷，搭建測(cè)試臺(tái)對(duì)改造結(jié)果進(jìn)行初步驗(yàn)證。測(cè)試臺(tái)配置如表1所示。
表1 測(cè)試環(huán)境
測(cè)試臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)848C系統(tǒng)硬件，安裝標(biāo)準(zhǔn)V1.26.08軟件包，配置伺服及電機(jī)組建測(cè)試臺(tái)。華中HNC-848總線式數(shù)控系統(tǒng)，最多能控制8個(gè)通道、64個(gè)進(jìn)給軸；每通道最大聯(lián)動(dòng)軸數(shù)：9軸，最小插補(bǔ)周期：0.125 ms，最小分辨率：1 nm；兩種總線接口：支持自主開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線通信NCUC協(xié)議及Ether CAT總線協(xié)議。測(cè)試工具：溫度測(cè)試儀、萬(wàn)用表。
3.2 測(cè)試內(nèi)容
3.2.1 精度測(cè)試
技術(shù)要求：定位精度0.005 mm，重復(fù)定位0.003 mm。技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述定位精度和重復(fù)定位精度要求，針對(duì)半閉環(huán)的軸，電機(jī)選用高精度絕對(duì)值分辨率的編碼器；針對(duì)全閉環(huán)的軸，選用高分辨率的絕對(duì)值光柵。選用高分辨率的反饋元件能保證數(shù)控系統(tǒng)控制在技術(shù)要求的精度范圍內(nèi)。測(cè)試結(jié)果：該項(xiàng)目采用西門子CD碼19位電機(jī)，搭建的測(cè)試臺(tái)Z軸伺服電機(jī)也采用西門子CD碼19位電機(jī)。按螺距10 mm計(jì)算，系統(tǒng)的控制分辨率能達(dá)到0.000 02 mm，本測(cè)試編寫G代碼程序按步距0.000 1 mm走，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)能保證步距0.000 1 mm運(yùn)行，達(dá)到了技術(shù)要求的控制定位及重復(fù)定位精度。測(cè)試用的西門子電機(jī)型號(hào)為1FK7063-5AF71-1AG0。按步距0.000 1 mm編寫的G代碼程序如下所示：
3.2.2 U軸和Z軸實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)
功能描述：U軸和Z軸實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，磨削錐孔。技術(shù)方案：控制系統(tǒng)采用華中848數(shù)控系統(tǒng)，具備5軸3聯(lián)動(dòng)功能，能實(shí)現(xiàn)U軸和Z軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，磨削錐孔。測(cè)試結(jié)果：U軸與Z軸插補(bǔ)功能正常。
編寫程序采用G118移動(dòng)軸同步插補(bǔ)指令，Z軸在振蕩運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)U軸與Z軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，U軸的編程位置通過(guò)G118指令R參數(shù)控制，可以實(shí)現(xiàn)不同比例的同步插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。在Z軸運(yùn)行過(guò)程中，U軸跟隨Z軸做插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。U、Z軸插補(bǔ)測(cè)試程序如下：
3.2.3 切線跟隨功能
功能描述：X、Y、C軸實(shí)現(xiàn)法向跟蹤功能，滿足C軸跟蹤XY曲線法向要求；動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)畫圓0.004 mm。
技術(shù)方案：通過(guò)華中848系統(tǒng)自帶的切線跟隨功能，設(shè)置C軸跟隨XY曲線的法向參數(shù)，編寫開啟和關(guān)閉法向跟隨的PLC邏輯動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)C軸跟蹤XY曲線的法向要求。切線跟隨功能在上海航天八院149廠的攪拌摩擦焊機(jī)床上已有使用。
測(cè)試結(jié)果：法向跟蹤功能運(yùn)動(dòng)正常。編寫法向跟隨程序，開啟C跟隨XY法向運(yùn)動(dòng)指令，運(yùn)行法向跟隨功能正常。
在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中設(shè)置切線跟隨參數(shù)，切線控制隨動(dòng)軸軸號(hào)2（Z軸），切線控制偏移角-90（代表法向跟隨）。編寫開啟法向跟的M代碼，通過(guò)M56、M57開啟和關(guān)閉法向跟隨。法向跟蹤測(cè)試程序如下：
經(jīng)測(cè)試，改造后的坐標(biāo)磨床各功能如雙通道協(xié)同運(yùn)動(dòng)、U軸控制、U軸和Z軸實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)控制等均滿足實(shí)際工作要求。
4 、結(jié)語(yǔ)
經(jīng)對(duì)測(cè)試臺(tái)模擬實(shí)際工況的功能進(jìn)行測(cè)試，華中848型數(shù)控系統(tǒng)能滿足坐標(biāo)磨床所需要的技術(shù)功能要求。國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)床改造升級(jí)中具有良好的效果，這次坐標(biāo)磨床的改造升級(jí)，對(duì)于推廣應(yīng)用國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)可以起到示范作用，形成自主可控的國(guó)產(chǎn)坐標(biāo)磨床基礎(chǔ)制造裝備的配套能力，滿足相關(guān)行業(yè)需求。
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