CNC 數(shù)控機(jī)床改造技術(shù)分析
2020-10-26 來(lái)源： 河南中鋁裝備有限公司 作者：李念周
摘要：本文主要敘述 C650 車床采用華中數(shù)控 HNC 世紀(jì)星系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行改造的方案論述，改造的機(jī)械及電氣技術(shù)分析，對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行改造的內(nèi)容及參數(shù)；電氣部分改造思路。
關(guān)鍵詞：CNC 數(shù)控改造
CNC 機(jī)床由于切削用量大、連續(xù)加工發(fā)熱量大等因素對(duì)加工精度有一定影響，切削動(dòng)作自動(dòng)控制，很難由人工進(jìn)行調(diào)整、補(bǔ)償，設(shè)計(jì)制造要求比普通切削機(jī)床更嚴(yán)格，需采取加強(qiáng)剛性、減小熱變形、提高精度等方面措施。數(shù)控技術(shù)是數(shù)字控制（NC，Numerical Control）技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它是一種用數(shù)字化的信息（數(shù)字、字母和符號(hào)）對(duì)某一工作過(guò)程進(jìn)行可編程的自動(dòng)控制技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是綜合機(jī)械加工技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和微電子技術(shù)而形成的一門邊緣學(xué)科。目前機(jī)械制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，其實(shí)質(zhì)是智能制造的競(jìng)爭(zhēng)，衡量一個(gè)國(guó)家的機(jī)械發(fā)展水平，主要是看其數(shù)控機(jī)床的普及率。采用華中數(shù)控技術(shù)，對(duì) C650 車床等設(shè)備逐步進(jìn)行了改造，以較小的成本實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的數(shù)控要求，既為節(jié)約了資金，又為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。
1、 C650 車床改造的思路
C650 是一臺(tái)中型臥式車床，主要完成一些中等工件產(chǎn)品的加工任務(wù)。其最大加工直徑 1m。該設(shè)備使用中故障率高，維修不方便，且電氣元件參數(shù)受環(huán)境溫度影響，經(jīng)常出現(xiàn)季節(jié)性故障。為此，我們擬對(duì)該設(shè)備進(jìn)行徹底的電氣及機(jī)械大修改造。
首先，機(jī)械部分根據(jù)原有設(shè)備狀況進(jìn)行部分修理和改造，保留了床頭箱內(nèi)的所有變速系統(tǒng)，對(duì)溜板箱進(jìn)行全面改造更換，以保證適應(yīng)伺服調(diào)速系統(tǒng)的需要。并對(duì)床身導(dǎo)軌進(jìn)行加工保證其精度。
其次，運(yùn)用全數(shù)字式直流調(diào)速裝置對(duì)花盤主回路及右刀架進(jìn)給進(jìn)行改造；為方便操作，在右刀架上加裝 X 軸和 Y軸兩套數(shù)顯裝置；運(yùn)用“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)對(duì)左刀架進(jìn)行改造，其伺服驅(qū)動(dòng)部分選用了某數(shù)控集團(tuán)公司生產(chǎn)的 ZSS1系列直流伺服調(diào)速裝置；邏輯控制部分，選用日本三菱的PLC(FX2N-128MR) 取代原機(jī)床的交流繼電器控制。
2、 C650 車床改造過(guò)程綜述
2.1 機(jī)械部分的改造
拆除原有老式的溜板箱，采用簡(jiǎn)單調(diào)速箱，使其在伺服系統(tǒng)控制下能穩(wěn)定可靠的執(zhí)行動(dòng)作；對(duì)大拖板及小拖板進(jìn)行更換，主要是改變其部分位置的尺寸，增加安裝伺服系統(tǒng)、數(shù)控顯屏的位置，并保證其平衡度及運(yùn)行精度；床身導(dǎo)軌面進(jìn)行重新加工，保證其粗糙度在 Ra1.6 以下，平面度在±0.01mm 以內(nèi)并進(jìn)行表面淬火，表面硬度達(dá)到 HRC56 以上。拖板與導(dǎo)軌進(jìn)行充分研磨，達(dá)到完美配合。
2.2 花盤及右刀架直流調(diào)速系統(tǒng)的改造
在原有的直流調(diào)速控制系統(tǒng)下，機(jī)床的花盤經(jīng)常出現(xiàn)帶不動(dòng)負(fù)荷現(xiàn)象，生產(chǎn)效率低，而模擬系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)又比較困難，且其參數(shù)經(jīng)常隨季節(jié)而變化，需要維修人員定期檢修和調(diào)試。右刀架進(jìn)給系統(tǒng)的主要問(wèn)題在于其低速不穩(wěn)定性，當(dāng)“吃”刀量很小時(shí)，轉(zhuǎn)速表呈明顯抖動(dòng)。這主要是由于原系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器的核心元件放大器存在阻尼振蕩造成的，走刀系統(tǒng)的不穩(wěn)定嚴(yán)重影響了機(jī)床的加工精度，為此，將原來(lái)落后的模擬系統(tǒng)改造為目前較為先進(jìn)的歐陸全數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù) C650 車床主電機(jī)及進(jìn)給電機(jī)參數(shù)的要求，選用歐陸 360 系列SSD-360120A 控制花盤傳動(dòng)， 用 SSD-
36035A 控制走刀。在參數(shù)設(shè)定中，依據(jù)車床的特點(diǎn)，對(duì)歐陸360 進(jìn)行以下靈活運(yùn)用。
（1）合理調(diào)整花盤停車時(shí)間。車床的花盤反轉(zhuǎn)是刀具的一大殺手，因此在設(shè)定花盤停車時(shí)間 ( 下降時(shí)間 ) 時(shí)，要嚴(yán)格以花盤無(wú)反轉(zhuǎn) ( 停車時(shí)，花盤朝相反方向回轉(zhuǎn) ) 為限度。
（2）增加花盤點(diǎn)動(dòng)的“慢點(diǎn)”、“快點(diǎn)”功能。車床的工件對(duì)刀一直是操作工人的難點(diǎn)，以往的花盤點(diǎn)動(dòng)就只有一個(gè)速度，靠電柜內(nèi)部的電位器進(jìn)行設(shè)定，往往很難兼顧，慢了，花盤轉(zhuǎn)一圈花費(fèi)時(shí)間太長(zhǎng)；快了，花盤到目標(biāo)點(diǎn)停不住，造成效率低下。為此，在 360 中利用其數(shù)字輸入點(diǎn) C6( 正點(diǎn) )、C7( 反點(diǎn) )、C8( 復(fù)位 ) 以及其內(nèi)部軟件模塊實(shí)現(xiàn)快、慢速點(diǎn)動(dòng)，速度大小由操作者摁點(diǎn)動(dòng)按鈕的時(shí)間長(zhǎng)短決定。釋放按鈕，則花盤速度歸零。這樣可以做到快速靠近，低速到達(dá)。
（3）設(shè)定電壓限幅值要考慮電壓波動(dòng)。
（4）對(duì)走刀電機(jī)啟動(dòng)斜坡進(jìn)行調(diào)整。走刀電機(jī)啟動(dòng)之前，首先剎車電磁鐵要吸合，松開(kāi)抱閘，所以走刀電機(jī)要考慮電磁線圈的吸合時(shí)間，延時(shí)一段時(shí)間再升速，避免電機(jī)因背力而過(guò)流。
在公司的多項(xiàng)設(shè)備改造中，直流調(diào)速系統(tǒng)都用到全數(shù)字式直流調(diào)速裝置，可靠性還是性價(jià)比較高，尤其是其液晶顯示的人機(jī)操作界面使參數(shù)設(shè)置變得簡(jiǎn)單易行。360 系列控制器采用標(biāo)準(zhǔn) Windows 菜單樹(shù)形結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單方便，容易讀取和設(shè)定傳動(dòng)參數(shù)。顯示出的數(shù)值可觀察或改變。在調(diào)試之初，首先要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定 (SETUPPARAMETERS)，其中“ 斜坡 ”(RAMPS)、“ 上升 /下降”(RAISE/LOWER)主要針對(duì)花盤或刀架啟動(dòng)、停止的過(guò)程控制；“輔助輸入 / 輸 出”(AUXI/O) 用 來(lái) 設(shè) 定 對(duì) 象 的 給 定；“ 勵(lì)磁控制”(FIELDCONTROL) 決定了系統(tǒng)的勵(lì)磁方式，是內(nèi)磁場(chǎng)，或是外磁場(chǎng)，以及磁場(chǎng)的限幅大小；“電流環(huán)”(CURRENTLOOP)、“速度環(huán)”(SPEEDLOOP) 則調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，例如穩(wěn)定性、帶負(fù)載能力等。以上參數(shù)都要根據(jù)機(jī)床的實(shí)際逐一進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)然，360 內(nèi)部的自整定、自調(diào)諧功能也可以在調(diào)試中帶來(lái)很大的便利。
在傳動(dòng)系統(tǒng)“菜單級(jí)”(MENULEVER) 中，有一欄為報(bào)警狀態(tài) (ALARMSTATUS)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，前面板上的“正常”發(fā)光二極管熄滅，人機(jī)接口便會(huì)自動(dòng)顯示報(bào)警，并且顯示器將顯示所有報(bào)警中的當(dāng)前故障，以便維修人員進(jìn)行診斷和處理。常見(jiàn)的故障報(bào)警有 :OVERSPEEDLEVER( 超速報(bào)警 )、SPEEDFBKALARM( 速反報(bào)警 )、FIELDFALL( 勵(lì)磁故障 ) 等，由此，可以方便地查找故障。
2.3 車床左刀架的數(shù)控改造
對(duì)于左刀架的數(shù)控改造，首先是基于左側(cè)刀架傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的改造。原有的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是由 1 臺(tái)直流電機(jī)控制走刀，一臺(tái)交流電機(jī)控制快送，刀架運(yùn)動(dòng)方向由十字開(kāi)關(guān)控制進(jìn)刀箱內(nèi)的電磁閥決定；現(xiàn)在的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則由 2 臺(tái)伺服電機(jī)分別帶動(dòng)光桿和絲桿，各自控制一個(gè)方向，這樣兩軸聯(lián)動(dòng)，從而走出型線。伺服電機(jī)與傳動(dòng)軸之間通過(guò) 4:1 的齒輪箱進(jìn)行減速。伺服電機(jī)型號(hào)為 S-CZK250，額定轉(zhuǎn)矩 75N·m，最高轉(zhuǎn)速 1000r/min。伺服電機(jī)尾部安裝 1 臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)和 1 臺(tái)編碼器 (LEC-200BM-G05P)，分別作速度環(huán)和位置環(huán)的反饋。HNC-21 系列數(shù)控裝置采用開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè)PC 機(jī)、高性能 CPU，配置觸摸屏，集成進(jìn)給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內(nèi)嵌式 PLC 接口、遠(yuǎn)程 I/O 接口于一體。
(1)4 軸聯(lián)動(dòng)。
(2) 可選配各種類型的脈沖式、模擬式交流伺服驅(qū)動(dòng)器或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及 HSV-11 系列串行式伺服單元。
(3) 配置標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床工程面板，不占用 PLC 的輸入 / 輸出接口。
(4) 配置 40 路輸入接口和 32 路功率放大光電隔離開(kāi)關(guān)量輸出接口、手持單元接口、模擬主軸控制接口與編碼器接口，以及遠(yuǎn)程 I/O 板擴(kuò)展接口。
(5) 采用 10 英寸觸摸器，全漢字操作界面，具有故障診斷與報(bào)警設(shè)置，多種圖形加工軌跡顯示和仿真功能。
(6) 采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) G 代碼編程，與各種流行的 CAD/CAM自動(dòng)編程系統(tǒng)兼容，具有直線、圓弧、螺旋線插補(bǔ)，固定循環(huán)、旋轉(zhuǎn)、縮放、鏡像、刀具補(bǔ)償、宏程序等功能。
(7) 加工斷點(diǎn)保存恢復(fù)功能，為用戶安全、方便使用提供保證。
“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)是開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)，適宜二次開(kāi)發(fā)，能靈活地組配不同類型的數(shù)控系統(tǒng)和擴(kuò)充系統(tǒng)的功能，因此這種結(jié)構(gòu)具有良好的開(kāi)放性和可維護(hù)性。其中，“編輯程序”可以由工藝人員或操作者在該界面內(nèi)對(duì)加工圖形進(jìn)行編程，亦可由 USB 接口直接導(dǎo)入入經(jīng) CAD/CAM 編制的加工程序；“參數(shù)設(shè)置”用來(lái)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、通道參數(shù)、坐標(biāo)軸參數(shù)、軸補(bǔ)償值參數(shù)、硬件配置參數(shù)、PMC 系統(tǒng)參數(shù)、PMC用戶參數(shù)、外部報(bào)警參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，在修改或設(shè)置參數(shù)之前，必須輸入修改權(quán)限密碼，否則無(wú)法更改；“PLC 管理”是針對(duì)“世紀(jì)星”的內(nèi)嵌式 PLC，其標(biāo)準(zhǔn)的 PLC 應(yīng)用程序和配套的 PMC 用戶參數(shù)文件基本上可以滿足用戶的絕大部分需要。由于車床身較大，在數(shù)控裝置的連接過(guò)程中，要特別注意盡量減少信號(hào)的衰減，信號(hào)線全部采用屏蔽線，兩頭用電烙鐵焊牢，中間不要有過(guò)渡。
3 、 C650 車床改造的使用效果
C650 車床改造后，帶負(fù)載能力明顯增強(qiáng)，加工精度也大為提高，并通過(guò)數(shù)控改造，使這臺(tái)車床順利完成了球面、橢圓面等外環(huán)型線的加工任務(wù)，滿足了生產(chǎn)需要，基本上達(dá)到了改造的預(yù)期目標(biāo).
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