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美國(guó) HAAS 機(jī)床國(guó)產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)的改造

2018-9-28 來(lái)源：中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司作者：劉天冬，李林，白云鵬

[ 摘要 ] 美國(guó) HAAS 公司的 VF-7 數(shù)控銑床原配置 HAAS 數(shù)控系統(tǒng)，改造為沈陽(yáng)高精 GJ401 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)。文中介紹了電氣系統(tǒng)改造方案、沈陽(yáng)高精 GJS 系列伺服器的調(diào)整和伺服參數(shù)的優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：沈陽(yáng)高精 GJ401 數(shù)控系統(tǒng)；GJS-015 系列伺服；GJM 系列伺服電機(jī)

國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)大部分配置進(jìn)口系統(tǒng)。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)有了快速提升，國(guó)產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)逐漸形成規(guī)模。國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在功能性、穩(wěn)定性等方面都有了大幅的提高，與進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)差距逐漸縮小，基本可以滿足國(guó)內(nèi)用戶的需求。

美國(guó) HAAS 廠家的 VF-7 數(shù)控銑床原配置是美國(guó)HAAS 系統(tǒng)。十多年的使用造成了系統(tǒng)嚴(yán)重老化、故障率高、機(jī)床備件已經(jīng)停產(chǎn)、維修困難等問(wèn)題。但是，機(jī)床的機(jī)械部件和附屬部件依然完好，可以繼續(xù)使用。為了滿足生產(chǎn)需要，對(duì)美國(guó) VF-7 數(shù)控銑床進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造，選擇沈陽(yáng)高精數(shù)控有限公司的 GJ401 數(shù)控系統(tǒng)為電氣控制系統(tǒng)。

1 、數(shù)控系統(tǒng)改造的方案

國(guó)產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)選用沈陽(yáng)高精自主研發(fā)的 GJ401數(shù)控系統(tǒng)， GJS 系列 A 型 S3 總線伺服，GJM 系列伺服電機(jī)（X,Y,Z 軸的額定回轉(zhuǎn)速度為 2000r/min，為防止 Z軸自重下滑，Z 軸電機(jī)具有制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)斷電后的抱閘制動(dòng)）。主軸驅(qū)動(dòng)采用蒙德 IMS-MF 系列交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)器，主軸最高轉(zhuǎn)速為 4900r/min。機(jī)械啟動(dòng)撥叉換擋，低檔為 50~1000r/min，高檔為 1001~4500r/min。

沈陽(yáng)高精 GJ401 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)采用先進(jìn)的開放式體系結(jié)構(gòu)，是一款通用性強(qiáng)、配置靈活的中高檔數(shù)控系統(tǒng)?？蛇B接數(shù)字式、模擬量?jī)煞N類型的伺服驅(qū)動(dòng)器，最多可支持 10 軸，它內(nèi)置嵌入式工業(yè) CPU 板卡，配置 12 吋彩色液晶顯示屏和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床工程面板，集成軸控制接口，MPG 手持操作單元 I/O 接口，工業(yè)以太網(wǎng)SSBIII 總線接口、網(wǎng)絡(luò)接口和 USB 接口及總線功能擴(kuò)展機(jī)箱單元，具有模塊化、開放、靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。沈陽(yáng)高精 GJ401 數(shù)控系統(tǒng)的操作界面清晰明了，操作簡(jiǎn)單易于上手。編程語(yǔ)言按照國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有高性能、高可靠性及配置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、易操作等特點(diǎn)。

美國(guó) HAAS 數(shù)控系統(tǒng)的 VF-7 數(shù)控銑床改造，選用沈陽(yáng)高精 GJ-401 顯示終端，沈陽(yáng)高精 CNC 機(jī)箱，蒙德主軸變頻器，LINCOLN 電機(jī)（額定輸出 7.5k W，額定電流 30A，額定扭矩 10N·m，額定功率 60Hz），GJS-015 系列伺服，3 個(gè) GJM 系列伺服電機(jī)，3 個(gè)變壓器，6 個(gè)斷路器，10 個(gè)交流接觸器等多個(gè)元器件。改造時(shí)對(duì)原機(jī)床電氣控制柜重新設(shè)計(jì)，電源進(jìn)線的尺寸選擇 6~10mm2，控制電線選用 1.5~2.5mm2，將新的電氣部件和電器元件進(jìn)行安裝連接，根據(jù)電氣設(shè)計(jì)的說(shuō)明書指示，在電氣柜中留出充足的散熱空間。電氣控制如圖 1 所示。

圖1 電氣控制框圖

2 、沈陽(yáng)高精 GJ401 系列數(shù)控系統(tǒng)伺服參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化

伺服控制分為 3 個(gè)環(huán)節(jié)：電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。最內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，直接控制電機(jī)的力矩輸出和速度輸出。其次為速度環(huán)，根據(jù)速度指令控制電機(jī)速度。最后為位置環(huán)，控制電機(jī)的實(shí)際位置。伺服響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)：電流環(huán)＞速度環(huán)＞位置環(huán)。沈陽(yáng)高精 GJ401 系列數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制，如圖 2 所示。

圖2 伺服控制框圖

（1）電流環(huán)的優(yōu)化：電流環(huán)是比例積分調(diào)節(jié)器組成的，VF-7 數(shù)控銑床改造使用沈陽(yáng)高精數(shù)控配套的伺服和電機(jī)，因而系統(tǒng)在組態(tài)電動(dòng)機(jī)時(shí)給出比較好的優(yōu)化參數(shù)，一般不需要進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化。

（2）速度環(huán)的優(yōu)化：沈陽(yáng)高精數(shù)控 GJS-015 系列伺服的速度控制模式是通過(guò)模擬量的輸入頻率作為指令速度的控制。速度環(huán)的參數(shù)調(diào)節(jié)在 GJS-015 伺服上實(shí)行，速度環(huán)控制器采用比例積分 (PI) 控制 , 主要就是對(duì)速度控制器的比例增益（Pn5）盡可能的大，這樣可以提高機(jī)床的響應(yīng)速度和跟蹤精度，希望積分時(shí)間常數(shù)（Pn6）盡可能的小，這樣可以提高機(jī)床抗擾動(dòng)能力。速度環(huán)的參數(shù)調(diào)整需要在GJS-015 系列伺服的數(shù)字操作器完成。數(shù)字操控器位于伺服主機(jī)，可顯示狀態(tài)、輸入數(shù)據(jù)。在數(shù)字操作器上有 MODE、INC、DEC、SET 4 個(gè)鍵。在按下 MODE 鍵后，可選擇狀態(tài)顯示模式、監(jiān)視模式、參數(shù)設(shè)定模式。選擇 SET 鍵可以顯示伺服的參數(shù)設(shè)定值，通過(guò)選擇 INC（+）鍵和 DEC(-) 鍵對(duì)伺服參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。速度環(huán)比例增益數(shù)值越大，增益和響應(yīng)速度大。速度環(huán)積分增益值大，速度誤差積分和速度剛度大。要根據(jù)電機(jī)的特性及機(jī)械系統(tǒng)的剛性要求按比例成對(duì)適當(dāng)調(diào)整，否則電機(jī)會(huì)有噪音、震動(dòng)等問(wèn)題。以 X軸為例，參數(shù)使用出廠值 300 時(shí)， X 軸電機(jī)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)把 Pn5 改為 350，Pn6 改為 190 時(shí)，X 軸電機(jī)出現(xiàn)很大噪音，發(fā)生震動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)多次嘗試較為理想的狀態(tài)參數(shù)是 Pn5 為 323，Pn6 為 215 如表 1所示。

表1 沈陽(yáng)高精GJ401數(shù)控系統(tǒng)部分參數(shù)的調(diào)整與電機(jī)參數(shù)配置表

（3）位置環(huán)的優(yōu)化：速度環(huán)優(yōu)化后進(jìn)行位置環(huán)的參數(shù)優(yōu)化。位置環(huán)增益參數(shù)是 PN15。PN15 參數(shù)的出廠設(shè)定值是 750，該值越小，伺服響應(yīng)越慢，跟隨效果越差。該值越大，伺服響應(yīng)越快，跟隨效果越好，但數(shù)值太大會(huì)引起機(jī)床震動(dòng)和位置超調(diào)。所以，根據(jù)數(shù)控銑床的機(jī)械特性合理調(diào)節(jié)。以 X 軸為例，X 軸伺服器的 Pn15 設(shè)為 720 時(shí)，機(jī)床的跟隨效果很差。當(dāng) Pn15 設(shè)為 760 時(shí)，機(jī)床 Er12 號(hào)報(bào)警，X軸位置超差。通過(guò)多此嘗試將 Pn15 值設(shè)置為 742 時(shí)，X 軸工作狀態(tài)較為理想。

3 、蒙德主軸變頻器調(diào)節(jié)和主軸參數(shù)設(shè)定

根據(jù)主軸電機(jī)的功率、相關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)、外形尺寸、提供的各項(xiàng)輔助功能及后續(xù)備件的通用性和經(jīng)濟(jì)性等多方面因素，選定使用蒙德 IMS-MF 系列交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)器。該變頻器適用 VF-7 機(jī)床的 7.5k W 的林肯（LINCOLN）牌主軸電機(jī)，額定輸出功率 10k VA，額定輸出電流 30A，變頻范圍：0.01~400Hz，輸入電壓 380V，具有自學(xué)習(xí)模式、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、節(jié)能控制、過(guò)熱保護(hù)、失速保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等多項(xiàng)功能，該變頻器能夠提高主軸電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和所需的各種功能。蒙德主軸變頻器電氣接線圖，如圖 3 所示。蒙德主軸變頻器上有數(shù)字操作器位于小型操作面板上，可以顯示狀態(tài)、輸入數(shù)據(jù)。在數(shù)字操作器上有按鍵和指示燈。L1、L2 和 L3 3 個(gè)燈為監(jiān)視燈，F(xiàn)WD 燈亮顯示主軸正轉(zhuǎn)，REV 燈亮顯示主軸反轉(zhuǎn)。通過(guò)按MENU 鍵就可以進(jìn)入菜單選擇，有顯示模式，監(jiān)視模式，參數(shù)設(shè)定模式。選擇伺服的參數(shù)設(shè)定值，可以通過(guò)選擇（▲）鍵和 DEC( ▼ ) 鍵對(duì)伺服參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如表 2所示。

圖3 蒙德主軸變頻器電氣接線圖

表2 蒙德主軸變頻器部分參數(shù)的調(diào)整

經(jīng)過(guò)調(diào)整主軸變頻器參數(shù)后，主軸沒(méi)有噪音和震動(dòng)，可以正常平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)。VF-7 銑床數(shù)控系統(tǒng)改造后，使用激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償后，定位精度和重復(fù)定位精度誤差不超過(guò)±0.01 mm ；通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) NAS 件試切，平行度、垂直度和圓度的精度在 ±0.02 mm 以內(nèi)；各位置值的總偏差不超過(guò)±0.03 mm ；主軸徑向跳動(dòng)不超過(guò) ±0.02mm，完全符合三坐標(biāo)機(jī)床驗(yàn)收的試切標(biāo)準(zhǔn)。

4 、結(jié)論

美國(guó) HAAS 廠家 VF-7 數(shù)控銑床控制系統(tǒng)改造為沈陽(yáng)高精 GJ401 數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)伺服參數(shù)調(diào)整后，數(shù)控銑床運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有效提高了加工效率。數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量和生產(chǎn)效率與電氣控制能力及控制系統(tǒng)的形式密切相關(guān)。通過(guò)此次改造和研究，熟悉了沈陽(yáng)高精 GJ401數(shù)控系統(tǒng)伺服參數(shù)的調(diào)整，對(duì)國(guó)產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)的改造具一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

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