基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的簡式數(shù)控車床機(jī)電一體化升級改造的研究

王麗潔，呼剛義，徐德凱，梅小寧

（西安理工大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710082）

由于我國數(shù)控化起步比較晚，20世紀(jì)90年代開始積極推進(jìn)數(shù)控化進(jìn)程。在20世紀(jì)90年代和2000年初期，普通機(jī)床改造成數(shù)控機(jī)床曾經(jīng)有過一個小高潮；在新世紀(jì)的十幾年中，數(shù)控機(jī)床改造主要是將原有的數(shù)控機(jī)床升級換代。由于越來越多的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)老化，備件支持匱乏，電氣維修成本高，采用數(shù)控系統(tǒng)升級可以解決上述困惑，恢復(fù)原機(jī)床功能，基本實(shí)現(xiàn)原機(jī)床的可利用價值，使老機(jī)床經(jīng)改造之后上一個檔次。本文對CJK6032A簡式數(shù)控車床進(jìn)行了全面的系統(tǒng)、電氣和機(jī)械升級改造，改造后的機(jī)床性能穩(wěn)定、可靠性和加工效率高、能廣泛滿足各種加工要求。

1 數(shù)控機(jī)床改造的要求與步驟

對于舊數(shù)控機(jī)床的升級改造，首先要有針對性，改造方案是針對原機(jī)床中存在的問題提出的，應(yīng)做到與生產(chǎn)緊密結(jié)合；其次要提高精度、效率和穩(wěn)定性，舊機(jī)床改造，可根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)及科技水平，選擇先進(jìn)的控制系統(tǒng)，從而提高機(jī)床的自動化水平和效率；最后數(shù)控機(jī)床改造要充分發(fā)揮現(xiàn)有技術(shù)力量，調(diào)動技術(shù)人員的積極性與創(chuàng)造性，培養(yǎng)鍛煉隊(duì)伍，提高了技術(shù)水平。

舊數(shù)控機(jī)床的升級改造一般分為3個階段。

（1）改造前技術(shù)準(zhǔn)備。首先要調(diào)研及系統(tǒng)選型，數(shù)控系統(tǒng)選型主要考慮在原機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)限制下，達(dá)到或超過原機(jī)床的功能，要綜合考慮機(jī)床狀況、用戶對功能的要求、改造經(jīng)費(fèi)及各種數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)。其次進(jìn)行機(jī)械部分準(zhǔn)備、新系統(tǒng)資料消化、新舊系統(tǒng)接口的設(shè)計(jì)等。

（2）改造的具體實(shí)施。包括原機(jī)床的全面保養(yǎng)及其精度測量；優(yōu)化調(diào)整的電氣系統(tǒng)部分；原系統(tǒng)拆除及新系統(tǒng)固定及布線；非標(biāo)件設(shè)計(jì)加工、參數(shù)設(shè)置等。

（3）調(diào)試與驗(yàn)收。調(diào)試驗(yàn)收中注意防止人身、設(shè)備事故發(fā)生，按照先空載后加載、先模擬后實(shí)動、先手動后自動的原則進(jìn)行調(diào)試與驗(yàn)收。

2 改造總體技術(shù)方案

CJK6032A數(shù)控車床是外配通用PC機(jī)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，數(shù)控系統(tǒng)采用華中I型系統(tǒng)，系上個世紀(jì)90年代初期產(chǎn)品；X、Z軸進(jìn)給驅(qū)動采用步進(jìn)電機(jī)；主軸電機(jī)采用普通異步電動機(jī)驅(qū)動，機(jī)械變速；整個系統(tǒng)需外配計(jì)算機(jī)，結(jié)構(gòu)不緊湊；系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，經(jīng)常出現(xiàn)故障。

綜上所述，本次改造總體技術(shù)方案如下：

（1）將原電腦控制系統(tǒng)和NC板控制取消，更換為華中數(shù)控“世紀(jì)星”HNC-180XP/T3數(shù)控系統(tǒng)，提高機(jī)床系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

（2）將進(jìn)給軸步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制更換為交流伺服驅(qū)動的半閉環(huán)控制，提高進(jìn)給驅(qū)動部分的帶載能力、控制精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和裝備水平；

（3）原主軸機(jī)械式變速系統(tǒng)保留，主軸驅(qū)動電機(jī)改為變頻器控制，實(shí)現(xiàn)電控?zé)o級變速+手動機(jī)械變速，提高主軸驅(qū)動控制水平，擴(kuò)展主軸變速范圍；

（4）重新設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)和電氣柜，以滿足新裝系統(tǒng)的控制要求；

（5）進(jìn)給驅(qū)動部分相應(yīng)的連接機(jī)構(gòu)、減速傳動機(jī)構(gòu)等做相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計(jì)改造；

（6）數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)安裝于防護(hù)門上，主機(jī)采用嵌入式安裝，單獨(dú)加工主機(jī)箱并與防護(hù)滑門固定連接；

（7）增加手搖單元，完善機(jī)床外觀設(shè)計(jì)。

3 改造的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)控系統(tǒng)升級

數(shù)控系統(tǒng)升級采用華中“世紀(jì)星”HNC-180XP/T3車床數(shù)控裝置，該數(shù)控系統(tǒng)具有高性能、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、易于使用、價格低等特點(diǎn)，采用先進(jìn)的開放式數(shù)控體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè)PC機(jī)、高性能32位中央處理器，配置7"彩色液晶顯示屏和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床工程面板，集成了進(jìn)給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內(nèi)嵌式PLC接口于一體，以及USB程序讀取功能，主要適用于數(shù)控車床控制。

3.2 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)包括電源電路、繼電器控制電路、系統(tǒng)開關(guān)量輸入輸出信號連接設(shè)計(jì)等三大部分。其中對于系統(tǒng)開關(guān)量輸入輸出控制電路和系統(tǒng)內(nèi)PLC控制程序相關(guān)，而系統(tǒng)生產(chǎn)商已在系統(tǒng)內(nèi)安裝了標(biāo)準(zhǔn)的車床控制梯形圖，所以實(shí)際的輸入輸出電路設(shè)計(jì)是結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)梯形圖將機(jī)床相關(guān)信號和對應(yīng)端子連接即可，在設(shè)計(jì)時需注意急停信號鏈和超程解除信號鏈為多個元件組成的關(guān)聯(lián)信號，需進(jìn)行相關(guān)的外圍電路設(shè)計(jì)。

圖1 機(jī)床強(qiáng)電電氣回路原理圖

本機(jī)床的電源電路設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)信號輸入輸出電路如圖2所示。在對電控柜的元件安裝及布局時，應(yīng)注意各元件的安裝空間和間距要求，并在元件排列時弱電信號和強(qiáng)電電路分開布置，強(qiáng)弱電走線盡量遠(yuǎn)離以防止干擾。體積較大、重量較重的元件應(yīng)靠近電控柜內(nèi)下部分安裝以降低重心。

圖2 系統(tǒng)信號輸入輸出電路

3.3 進(jìn)給系統(tǒng)的連接和調(diào)試

本機(jī)床改造中，進(jìn)給系統(tǒng)是將步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制更換為交流伺服驅(qū)動的半閉環(huán)控制，伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用的是武漢華中數(shù)控股份有限公司的HSV-162A-020雙軸交流伺服驅(qū)動器及武漢華大電機(jī)的110ST-M04030LFB交流伺服電機(jī)。HSV-162A-020雙軸交流伺服驅(qū)動器是經(jīng)濟(jì)型全數(shù)字雙軸交流伺服驅(qū)動單元，采用運(yùn)動控制專用數(shù)字信號處理器（DSP）、復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）和新一代智能功率模塊（IPM）等元器件設(shè)計(jì)，易于安裝，調(diào)試方便，操作簡單。一臺驅(qū)動單元可以同時控制兩臺交流永磁同步伺服電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)小巧、使用方便、高性價比等特點(diǎn)。圖3所示為改造后的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)連線圖。

3.4 主軸單元

原主軸單元采用的機(jī)械式變速系統(tǒng)仍保留，主軸驅(qū)動電機(jī)改為變頻器控制，實(shí)現(xiàn)電控?zé)o級變速+手動機(jī)械變速。主軸變頻調(diào)速采用日立SJ100-037變頻器，根據(jù)輸入的速度指令和運(yùn)行狀態(tài)指令輸出相應(yīng)頻率和幅值的交變電流來控制電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，速度指令為0～10 V的模擬電壓，旋轉(zhuǎn)方向由PLC輸出的開關(guān)量信號決定。主軸變頻器與電動機(jī)及控制器連接如圖4所示。

3.5 機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要包括進(jìn)給驅(qū)動部分相應(yīng)的連接機(jī)構(gòu)、減速傳動機(jī)構(gòu)等，在進(jìn)給軸結(jié)構(gòu)改造中，伺服電機(jī)通過1:1的齒形帶輪帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工作臺的運(yùn)動，替換了原有的梯形螺紋絲杠，提高了機(jī)床的精度和快速響應(yīng)性。

3.6 機(jī)床參數(shù)設(shè)置

數(shù)控機(jī)床的參數(shù)設(shè)置正確與否，直接影響數(shù)控機(jī)床的使用及其性能的發(fā)揮。在機(jī)床硬件安裝完成后、試運(yùn)行開始前，需對機(jī)床各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。機(jī)床參數(shù)設(shè)置實(shí)際上是對系統(tǒng)內(nèi)部所有硬件設(shè)備進(jìn)行登記，包括功能配置參數(shù)、輸入輸出模塊接口參數(shù)、控制方式和所對應(yīng)的接口的設(shè)置參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息相互傳遞。

圖3 進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)連接圖

華中數(shù)控“世紀(jì)星”HNC-180XP/T3數(shù)控系統(tǒng)常用參數(shù)的類型有：系統(tǒng)類參數(shù)、通道類參數(shù)、軸控制類參數(shù)、PLC（PMC）參數(shù)、DNC參數(shù)、參考點(diǎn)類參數(shù)、伺服類參數(shù)、主軸類參數(shù)和誤差補(bǔ)償類參數(shù)等。其主要參數(shù)關(guān)系如圖5所示。

圖4 主軸控制單元電路

圖5 主要參數(shù)關(guān)系圖

4 總結(jié)

機(jī)床數(shù)控升級改造中，在機(jī)床安裝、系統(tǒng)各參數(shù)按要求設(shè)置完成之后，首先對機(jī)床主軸、坐標(biāo)軸各個部分進(jìn)行功能測試，然后進(jìn)行機(jī)電整機(jī)聯(lián)調(diào)以及加工精度檢測。從實(shí)際加工使用情況來看，改造后的機(jī)床功能豐富、性能穩(wěn)定可靠、操作方便，加工精度和效率明顯提高，能適應(yīng)更廣泛的加工要求，與購買同檔次的全新數(shù)控機(jī)床相比，所用成本大大降低。

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