基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的CKJCKJ6136A車床改造
2017-7-24 來源： 廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：竇 凱 朱洪雷 鐘飛龍 廖傳輝 曹甜學(xué)
摘要：在分析數(shù)控車床改造要求的基礎(chǔ)上，描述了伺服電機(jī)的選擇、參考點(diǎn)的設(shè)定與調(diào)整、進(jìn)給傳動(dòng)鏈誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ约白冾l調(diào)速器、數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，改造后車床的加工精度滿足生產(chǎn)要求。
關(guān)鍵詞：車床；開放式數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控裝置參數(shù)
1.CKJ6136A簡介及改造要求
CKJ6136A數(shù)控車床是一臺(tái)簡易型數(shù)控車床，配置某公司早期的GSK928數(shù)控系統(tǒng)，X軸、Z軸采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主傳動(dòng)采用異步電機(jī)、齒輪變速。由于機(jī)床原數(shù)控系統(tǒng)頻出故障且為已淘汰產(chǎn)品，無法維修，但該機(jī)床導(dǎo)軌、絲杠、主軸等精度保持較好，因此具有改造價(jià)值。為適應(yīng)加工時(shí)能選擇更加合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量的加工要求，主傳動(dòng)要能實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速且具有較寬的調(diào)速范圍。為保證加工精度和增加伺服驅(qū)動(dòng)能力，X 軸、Z 軸采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，數(shù)控系統(tǒng)選用 HNC-21TD 開放式數(shù)控系統(tǒng)。
2 電機(jī)的選擇與安裝
2.1 主軸電機(jī)
主電機(jī)的選擇采取類比法，經(jīng)過與同類型數(shù)控車床的床身上最大回轉(zhuǎn)直徑、主軸轉(zhuǎn)速范圍、主電機(jī)功率等技術(shù)參數(shù)比較，結(jié)合主傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求，選擇GM710三相交流伺服變頻電機(jī)為主軸電機(jī)。GM710 電機(jī)功率為 5.5 k W，額定轉(zhuǎn)速為2500 r/min。該電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，功率密度高；電磁振動(dòng)小，旋轉(zhuǎn)精度高，恒轉(zhuǎn)矩及恒功率調(diào)速范圍寬；轉(zhuǎn)子慣性小，響應(yīng)速度快；氣隙均勻，平衡精度高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?。恍詢r(jià)比高。
2.2 進(jìn)給伺服電機(jī)
X 軸與 Z 軸進(jìn)給電機(jī)的選擇采用類比和校核計(jì)算相結(jié)合的方法，即經(jīng)過與同類型數(shù)控車床的X軸、Z軸快速進(jìn)給速度、最小輸入單位、重復(fù)定位精度、快速空載轉(zhuǎn)矩、切削力矩、快速進(jìn)給力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等技術(shù)參數(shù)比較，初步確定交流伺服電機(jī)型號(hào)，而后進(jìn)行轉(zhuǎn)矩校核計(jì)算和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配性校核計(jì)算，滿足要求即可。下述為 X 軸電機(jī)選擇流程，用類比法參照同類型數(shù)控車床初步選用 GK6061 交流伺服電機(jī)作為 X 軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)（同理，Z 軸選用 GK6062 交流永磁伺服電機(jī)）。
2.2.1 切削力及絲杠的進(jìn)給牽引力計(jì)算
依據(jù)主傳動(dòng)功率計(jì)算法，主切削力為[2]：
車刀受到的車削抗力由拖板傳遞到導(dǎo)軌上，與進(jìn)給絲杠的牽引力相平衡。對(duì)于綜合型導(dǎo)軌，絲杠的進(jìn)給牽引力為：
2.2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配校核
拖板及絲杠等折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
2.2.3 轉(zhuǎn)矩校核
1）快速空載啟動(dòng)時(shí)的等效轉(zhuǎn)矩 Teq1
2.2.4 電機(jī)的安裝
更換主軸電機(jī)與進(jìn)給伺服電機(jī)后，新電機(jī)與機(jī)床原有電機(jī)的安裝尺寸不同，因此均采用過渡連接板的方式來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的固定。
2.3 主軸脈沖發(fā)生器的安裝
脈沖發(fā)生器安裝在床頭箱的后端，并通過一對(duì)傳動(dòng)比為1∶1的齒輪與主軸相聯(lián)，工作時(shí)，脈沖發(fā)生器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，數(shù)控裝置控制進(jìn)給伺服電機(jī)準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。從而保證主軸每轉(zhuǎn) 1 轉(zhuǎn)，螺紋車刀移動(dòng) 1 個(gè)導(dǎo)程，同時(shí)還保證每次走刀都在工件的同一點(diǎn)切入，使螺紋不亂扣。
3.控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置
3.1 主軸變頻裝置
選用日立 SJ300 變頻器，多數(shù)參數(shù)保留默認(rèn)值，部分參數(shù)根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置。主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 變頻器參數(shù)設(shè)置表
3.2 數(shù)控裝置
HNC-21TD數(shù)控裝置通電后經(jīng)自檢進(jìn)入主控界面，為保證改造后的數(shù)控機(jī)床能正常運(yùn)行，必須進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。進(jìn)入系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置菜單，對(duì)照硬件檢查系統(tǒng)參數(shù)是否正確，同時(shí)按表 2 所示數(shù)據(jù)核查設(shè)置參數(shù)[1]。
表2 HNC-HNC-21TD參數(shù)設(shè)置表
3.3 PLC參數(shù)
在PLC 程序中機(jī)床輸入的開關(guān)量信號(hào)定義為X，即各接口中的 I 信號(hào)；輸出到機(jī)床的開關(guān)量信號(hào)定義為 Y，即各接口中的 O 信號(hào)。將各個(gè)接口HNC-21 本地遠(yuǎn)程 I/O 端子板中的 I/O（輸入/輸出）開關(guān)量分別定義為系統(tǒng)程序中的 X 、Y 變量，需要通過設(shè)置硬件配置參數(shù)和 PMC 系統(tǒng)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，主要參數(shù)如表3所示。
表3 PLC參數(shù)設(shè)置表
4.機(jī)電聯(lián)調(diào)
4.1 參考點(diǎn)的設(shè)定與調(diào)整
隨滑板一起運(yùn)動(dòng)的減速擋塊釋放參考點(diǎn)開關(guān)觸頭使其由通轉(zhuǎn)為斷，機(jī)床滑板減速并以設(shè)定的速度繼續(xù)移動(dòng)，減速可使參考點(diǎn)停留位置準(zhǔn)確。采用脈沖編碼器上的格柵信號(hào)來確定參考點(diǎn)，當(dāng)減速擋塊釋放參考點(diǎn)開關(guān)觸頭使其觸點(diǎn)狀態(tài)由斷再轉(zhuǎn)為通后，數(shù)控系統(tǒng)將等待碼盤上的第 1 個(gè)格柵信號(hào)，該信號(hào)一出現(xiàn)，滑板立刻停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的位置是電氣原點(diǎn)。數(shù)控裝置會(huì)記憶該點(diǎn)，調(diào)整時(shí)一般難于做到電氣原點(diǎn)與機(jī)床參考點(diǎn)位置完全一致，會(huì)存有一定誤差，實(shí)際調(diào)整中是通過測(cè)量這一誤差值，采取對(duì)參考點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行校正。即滑板到達(dá)電氣原點(diǎn)后會(huì)再移動(dòng)一個(gè)補(bǔ)償量，從而準(zhǔn)確到達(dá)機(jī)械參考點(diǎn)。數(shù)控系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入主界面，按主菜單 F1（參數(shù)索引）鍵→選擇 F3（坐標(biāo)軸參數(shù)）→選擇軸 2（Z 軸）→選擇“參考點(diǎn)開關(guān)偏差”，輸入?yún)⒖键c(diǎn)補(bǔ)償量即可。
4.2 進(jìn)給傳動(dòng)誤差補(bǔ)償
機(jī)床長期使用后，進(jìn)給傳動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)部件會(huì)磨損并存在一定間隙，為恢復(fù)其加工精度，需進(jìn)行間隙補(bǔ)償，即對(duì)數(shù)控裝置內(nèi)的補(bǔ)償參數(shù)（Z向參數(shù)地址、X向參數(shù)地址）進(jìn)行重新設(shè)定。補(bǔ)償量的具體測(cè)量方法是：使刀架從停留位置向-Z 方向快速移動(dòng) 50 mm，將百分表觸頭對(duì)準(zhǔn)滑板的+Z側(cè)，適當(dāng)壓緊觸頭并調(diào)整表針對(duì)零；讓刀架從當(dāng)前停留位置再向-Z 方向快速移動(dòng) 50 mm，刀架停穩(wěn)后使其從停留位置向+Z 方向快速移動(dòng)50 mm，讀出此時(shí)百分表的數(shù)值并記錄下來，重復(fù)進(jìn)行 5~10 次，取算術(shù)平均值作為間隙補(bǔ)償量。X方向間隙補(bǔ)償量的測(cè)定參照進(jìn)行。
5.結(jié)束語
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