■廈工(三明）重型機(jī)器有限公司 （福建三明 365500）

張國(guó)新

我公司是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工程機(jī)械壓路機(jī)及平地機(jī)的主要生產(chǎn)廠家之一。壓路機(jī)及平地機(jī)的鉸接座生產(chǎn)加工技術(shù)，也是關(guān)鍵的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，生產(chǎn)的效率及加工質(zhì)量高低直接影響著壓路機(jī)和平地機(jī)的生產(chǎn)進(jìn)度和安裝質(zhì)量。

對(duì)此，公司決定開(kāi)發(fā)制造加工鉸接座的鏜孔專機(jī)，著手研究鉸接座鏜孔專機(jī)的數(shù)控化加工系統(tǒng)，解決鉸接座由T612落地鏜床加工效率低及加工精度差的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)鉸接座的自動(dòng)化加工，確保提高鉸接座的質(zhì)量和加工效率。

1. 鏜孔專機(jī)結(jié)構(gòu)原理

設(shè)計(jì)鉸接座鏜孔專機(jī)的出發(fā)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高加工效率，降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，考慮到鉸接座的孔圓度加工精度要求較高，以及各孔和面間都有很高的形位精度要求。根據(jù)加工工件的外形特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)最大效率，及達(dá)到更好的同軸度要求，最終采用雙銑削頭的設(shè)備組成方案。如圖1所示。

圖1 鏜孔專機(jī)平面示意圖

2. 電氣系統(tǒng)控制要求

（1）主軸（回轉(zhuǎn)盤(pán)）：點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)，點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)，連動(dòng)。

（2）軸向進(jìn)給（由滑臺(tái)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)）：①軸向進(jìn)給徑向刀桿必須在原始位置時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作（工進(jìn)、工退、快進(jìn)、快退及手執(zhí)操作單元由數(shù)控系統(tǒng)控制）。②徑向刀桿在原位置之外的任何位置時(shí)，只能點(diǎn)動(dòng)工退。③軸向移動(dòng)時(shí)（包括工進(jìn)、工退、快進(jìn)、快退及手執(zhí)操作單元），徑向刀桿所有動(dòng)作不起作用。

（3）徑向進(jìn)給（包括液壓系統(tǒng)閥和電動(dòng)機(jī)的控制）：①?gòu)较虻稐U。點(diǎn)動(dòng)快進(jìn)、快退，點(diǎn)動(dòng)工進(jìn)、工退，自動(dòng)進(jìn)給。主軸轉(zhuǎn)或不轉(zhuǎn)徑向走刀都可以進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)（快進(jìn)、快退、工進(jìn)，工退），自動(dòng)進(jìn)給。②徑向刀桿處在原始位置時(shí)用綠燈，原位置之外的任何位置時(shí)用紅燈。

3. 鉸接座鏜孔專機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)的主要要求為：

根據(jù)專機(jī)結(jié)構(gòu)原理和控制要求，選擇配置一套全新的電氣系統(tǒng)，包括數(shù)控系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、伺服變壓器以及電纜和外圍電路等。

主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用變頻器控制，選用變頻電動(dòng)機(jī)。

軸向進(jìn)給（Z軸滑臺(tái)）機(jī)構(gòu)采用精度較高的滾珠絲杠，并選用伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠副直連。

徑向刀桿運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓油缸副控制。

需加裝手搖脈沖發(fā)生器。設(shè)計(jì)、制作Z軸方向伺服電動(dòng)機(jī)、主軸電動(dòng)機(jī)與鏜孔專機(jī)傳動(dòng)的機(jī)械連接、機(jī)床操作面板等。

通過(guò)對(duì)各種不同數(shù)控系統(tǒng)的性能、特點(diǎn)、價(jià)格 的對(duì)比，并結(jié)合本機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制的主要要求，最后選用廣數(shù)GSK990MA數(shù)控系統(tǒng)作為對(duì)本機(jī)床數(shù)控化設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)。

4. 數(shù)控系統(tǒng)單元

GSK990MA數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品具有如下特點(diǎn)：

（1） 采用3 2 位高性能的C P U 和超大規(guī)?？删幊唐骷﨔PGA，實(shí)時(shí)控制和硬件插補(bǔ)技術(shù)保證了系統(tǒng)μm級(jí)精度下的高效率。

（2）內(nèi)置式P L C，可實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)刀架、主軸自動(dòng)換擋等控制，梯形圖可編輯、上傳、下載；具有攻螺紋功能，可車(chē)削米制、英米/英寸制單頭、多頭直螺紋、錐螺紋、端面螺紋及變螺距螺紋，螺紋退尾長(zhǎng)度、角度和速度特性可設(shè)定，高速退尾處理。

（3）支持CNC與PC、CNC與CNC間雙向通訊。

（4）具有螺距誤差補(bǔ)償、刀尖半徑補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償功能。

（5）零件程序全屏幕編輯。可存儲(chǔ)3 000kB、192個(gè)零件程序。

5. 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)及伺服放大器的選型。根據(jù)該鉸接座鏜孔專機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析Z軸伺服電動(dòng)機(jī)的最大負(fù)載扭矩T、負(fù)載恒量JL，按照數(shù)控機(jī)床慣量匹配條件1＜JM/JL＜5，選擇伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量查表知應(yīng)在JM=0.0027～0.0068kg·m2,再根據(jù)最大負(fù)載扭矩應(yīng)小于伺服電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，定位加速時(shí)的最大扭矩應(yīng)小于伺服電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，最終確定Z軸伺服電動(dòng)機(jī)選用廣數(shù)175 SJT-M220B系列交流伺服電動(dòng)機(jī)。該種伺服電動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo)為額定轉(zhuǎn)速1500r/min,額定輸出功率3.5kW，采用分辨率2 500p/rev的增量式編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)速反饋。伺服放大器采用與伺服電動(dòng)機(jī)配套的DAT2075系列全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)。

（2）主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的選型。為了既要方便主軸變速，又要滿足車(chē)床恒線速功能以提高加工件的表面質(zhì)量，選用了日本三菱公司A540變頻調(diào)速器進(jìn)行主軸電動(dòng)機(jī)控制；由于該專機(jī)不加工螺紋，因此主傳動(dòng)的軸上無(wú)需安裝主軸編碼器等反饋裝置。與之匹配的電動(dòng)機(jī)則選用型號(hào)為YVP200L2-6的變頻電動(dòng)機(jī)，它的主要性能指標(biāo)為額定輸出功率22kW，額定電流44.5A，恒轉(zhuǎn)矩216.6N·m, 調(diào)頻范圍：5～50Hz。

（3）數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)床的電氣控制要求，設(shè)計(jì)繪制數(shù)控系統(tǒng)總體互連接線原理圖，如圖2所示 。注意在連接伺服運(yùn)動(dòng)控制和主軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)要認(rèn)真對(duì)照隨機(jī)說(shuō)明書(shū)的原理圖進(jìn)行連接。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)互連原理圖

本次機(jī)床的設(shè)計(jì)使用了以下I/O信號(hào): ESP急停信號(hào)使用帶自鎖式的機(jī)床觸點(diǎn)式的常閉觸點(diǎn)；系統(tǒng)啟/停采用不帶自鎖的常開(kāi)觸點(diǎn)按鈕；機(jī)械式的Z軸正負(fù)向限位及回零限位； 通過(guò)參數(shù)設(shè)置選擇返回機(jī)床零點(diǎn)方向?yàn)檎?減速信號(hào)低電平有效。其他控制信號(hào)由系統(tǒng)的操作面板給定。然后根據(jù)定義好的系統(tǒng)I/O信號(hào), 設(shè)計(jì)（P MC）的程序。通過(guò)設(shè)計(jì)（PM C）梯形程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制邏輯，還可根據(jù)需要修改控制程序。機(jī)床開(kāi)關(guān)量I/O接口信號(hào)的連接原理圖如圖3所示。

圖3 機(jī)床I/O信號(hào)原理圖

6. 數(shù)控機(jī)床的調(diào)試

系統(tǒng)上電前，應(yīng)檢查機(jī)床狀態(tài)是否正常、急停開(kāi)關(guān)與限位開(kāi)關(guān)是否已正確連接、接線是否正確、系統(tǒng)的電源電壓是否符合要求、有無(wú)短路等。數(shù)控機(jī)床上電后的調(diào)試工作包括以下幾部分：①主軸功能的調(diào)整：針對(duì)變頻電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的主軸應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)速模擬電壓控制。②對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化。③Z軸參數(shù)的調(diào)整：加減速特性調(diào)整、反向間隙補(bǔ)償。④操作面板(功能按鍵、手輪等)的調(diào)整。⑤機(jī)械回零點(diǎn)可選擇設(shè)置與否。

數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置。一般讓機(jī)床“動(dòng)”起來(lái)的基本參數(shù)都不多,只須對(duì)以下兩部分系統(tǒng)配置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置就可以了。①軸參數(shù)，即交流伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)置參數(shù)。②系統(tǒng)參數(shù)，包括狀態(tài)（功能）參數(shù)、數(shù)據(jù)參數(shù)，具體調(diào)試參數(shù)如附表所示。

在設(shè)定電子齒輪時(shí)要特別注意，當(dāng)電子齒輪比分子大于分母時(shí)，系統(tǒng)允許的最高速度會(huì)下降；當(dāng)電子齒輪比分子與分母不相等時(shí)，系統(tǒng)的定位精度可能會(huì)下降。因此建議將系統(tǒng)的電子齒輪比設(shè)置為1∶1，將計(jì)算出的電子齒輪比設(shè)置到數(shù)字伺服中。

另外進(jìn)給伺服系統(tǒng)速度的正確調(diào)節(jié)是最重要的，應(yīng)該在位置開(kāi)環(huán)的條件下作最佳調(diào)節(jié)，既不過(guò)沖又要保持一定的硬特性。一旦導(dǎo)軌和機(jī)械傳動(dòng)副的松緊狀態(tài)發(fā)生變化，就需要重調(diào)速度環(huán)參數(shù)，并做優(yōu)化，避免Z軸發(fā)生振蕩和過(guò)脈沖報(bào)警。

7. 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)此次采用廣數(shù)G S K 990M A數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用在鉸接鏜孔專機(jī)上后，不但提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度,還減少了輔助加工時(shí)間、降低了對(duì)工人技術(shù)等級(jí)的要求，加工效率和精度方面也得到顯著提升。原先機(jī)加工在T612落地鏜上加工一臺(tái)壓路機(jī)的鉸接座實(shí)際加工時(shí)間需要100m i n（1.667h），使用鉸接座鏜孔專機(jī)后只需要60min（1h）。按年產(chǎn)1 445臺(tái)壓路機(jī)、367臺(tái)平地機(jī)計(jì)算?，F(xiàn)在：總工時(shí)為1.667×（1 445+367）=3 020.6h，使用后工時(shí)為1×（1 445+367）=1 812h，T612每臺(tái)時(shí)100元，鉸接座鏜孔專機(jī)每臺(tái)時(shí)50元?？晒?jié)約金額：3 020.6×100－1 812×50=211 460（元)。此次的專機(jī)設(shè)計(jì)制造各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是成功的。

參數(shù)設(shè)置表

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