電氣化設(shè)計(jì)在數(shù)控機(jī)床參數(shù)調(diào)試與日常維修中的應(yīng)用

（中國航發(fā)貴州黎陽航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，貴陽 550014）

0 引言

人們對機(jī)械產(chǎn)品的需求日益增長，要求也日益提高。常規(guī)加工設(shè)備已不適應(yīng)這種發(fā)展需要，因此，數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)勢在必行[1]。以往使用基于微矩陣參數(shù)調(diào)試方式，需要計(jì)算每一參數(shù)的靈敏度，但由于未考慮各種參數(shù)，如備用電池出現(xiàn)故障，數(shù)控系統(tǒng)操作員誤操作，電網(wǎng)瞬間斷電，造成部分參數(shù)丟失或變化，影響機(jī)床正常工作，導(dǎo)致實(shí)際機(jī)床參數(shù)調(diào)試結(jié)果不準(zhǔn)確，影響了數(shù)控機(jī)床的加工精度。如果用戶能夠充分了解參數(shù)意義，將為故障診斷帶來極大便利，通過機(jī)器電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對機(jī)床作業(yè)的模擬，為了使操作人員的工作效率變得更加高效，盡心了數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合。CNC機(jī)床是一種結(jié)合了電、氣、機(jī)于一體的一體化機(jī)器，其最為重要的組成部分是電控系統(tǒng)，一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)任何的問題，機(jī)床的工作都會(huì)受到影響，無法正常工作。因此在進(jìn)行對數(shù)控機(jī)床的日常調(diào)試和維護(hù)時(shí)，機(jī)器電子控制系統(tǒng)模擬機(jī)床的工作過程，并結(jié)合數(shù)字技術(shù)來提高操作者的工作效率。電控系統(tǒng)是保證 CNC機(jī)床自動(dòng)化運(yùn)行的核心部分，一旦出現(xiàn)故障，將影響CNC機(jī)床的正常工作。因此在數(shù)控機(jī)床參數(shù)調(diào)試和日常維護(hù)中，電氣化設(shè)計(jì)十分必要。

1 基于電氣化設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床參數(shù)調(diào)試與維護(hù)

數(shù)控機(jī)床參數(shù)調(diào)試主要包括主軸相關(guān)參數(shù)和信號調(diào)節(jié)結(jié)果，這對變頻器自身參數(shù)調(diào)試來說具有重要意義。通過調(diào)試，確保數(shù)控機(jī)床能按要求發(fā)出正確的模擬電壓信號，驅(qū)動(dòng)主軸經(jīng)過變頻調(diào)速后能正常工作。

1.1 CNC參數(shù)調(diào)試與維護(hù)

在整個(gè)參數(shù)調(diào)控過程中，CNC參數(shù)是按照所需進(jìn)行設(shè)定的，同時(shí)需要在主軸轉(zhuǎn)速上顯示控制的結(jié)果，保證參數(shù)與主軸轉(zhuǎn)速輸出結(jié)果一一對應(yīng)[2]。以數(shù)控車床主軸電氣設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行了仿真分析，設(shè)置轉(zhuǎn)速命令輸出限值（模擬量）為10V，主軸檔位1～3對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速分別是1500r/min，3000r/min，4500r/min，在數(shù)控機(jī)床上設(shè)定的主軸參數(shù)如表1所示。

在采用模擬輸出主軸的情況下，由于溫度和元件特性的變化，實(shí)際主軸轉(zhuǎn)速和程序指令轉(zhuǎn)速之間可能存在較大誤差[3]。當(dāng)系統(tǒng)無編程工作時(shí)，CNC參數(shù)為輸出模擬量，此時(shí)電壓為0V。

在完成表1中的參數(shù)設(shè)置后，可以通過參數(shù)#1～#6進(jìn)行調(diào)整。以下是調(diào)整的方法和步驟：

Step1：測量CNC輸出的模擬電壓，輸入M03S0指令，用萬用表測量逆變器兩端電壓值為-0.20V；

表1 CNC主軸參數(shù)

Step2：輸入M03S4000指令，測得兩端電壓值為10V，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 增益偏差與零點(diǎn)漂移設(shè)置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Step3：輸入數(shù)字#1～#6，使該數(shù)字生效，并驗(yàn)證該數(shù)字輸出的模擬電壓；

Step4：重復(fù)測試1的操作，分別測量速度為0和最高速度的模擬電壓，完成參數(shù)調(diào)整。

1.2 變頻器參數(shù)調(diào)試與維護(hù)

在調(diào)試變頻器參數(shù)時(shí)，主軸電機(jī)的所需要的實(shí)際轉(zhuǎn)速是通過對CNC輸入的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到的，變頻器參數(shù)調(diào)整如表3所示。

表3 變頻器參數(shù)調(diào)整

結(jié)合表3變頻器參數(shù)調(diào)整結(jié)果，需要設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行速度與電流，保證主軸實(shí)際輸出結(jié)果與數(shù)控模擬結(jié)果一致。

1.3 主軸參數(shù)調(diào)試與維護(hù)

機(jī)器刀庫為滾筒刀庫，不需要機(jī)械手來換刀。一般工具更換過程如下：當(dāng)機(jī)床收到工具更換指令后，主軸升至工具更換位置并停止時(shí)，“工具更換”程序就會(huì)從缸軸向前，并將空鼓的工具位置插入主軸工具箱。在把手凹槽處，用夾緊彈簧夾住滾筒，主軸工具自動(dòng)夾緊釋放機(jī)構(gòu)，松開切削刀，主軸上移，完成切削刀的提取過程；畫好切削刀，旋轉(zhuǎn)選擇工具[4]。對刀庫和刀架進(jìn)行了碰撞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，位于刀架上的軸鍵槽和刀架的關(guān)鍵部分并不在一個(gè)位置，而且具有一定的角度偏差，從而引起碰撞。刀架上的鍵是和主軸的中心在一個(gè)水平線上。由此可以推論，刀架的鍵槽之所以沒有匹配刀架的關(guān)鍵位置，是因?yàn)橹鬏S的停止位置不在其原本應(yīng)在的正常位置上，主心軸尚未拆開。因此，對于主軸維護(hù)，需要調(diào)整主軸的定位位置，使其回到正常的位置。

因?yàn)榉较蛭恢檬峭ㄟ^對4031號和4077號兩個(gè)任何參數(shù)進(jìn)行調(diào)整來恢復(fù)到之前原本的準(zhǔn)確位置，也就是可以排除由于更換機(jī)床刀具引起的故障。

1.4 機(jī)床參數(shù)調(diào)整與維護(hù)

在CNC數(shù)控機(jī)床進(jìn)行減速擋塊的調(diào)整時(shí)，偶爾會(huì)有回零的位置不一樣的情況。通過觀察發(fā)現(xiàn)，機(jī)床減速在進(jìn)行參考點(diǎn)返回的時(shí)候，出現(xiàn)了一次結(jié)果為零的制動(dòng)過程，但是這往往會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)的位置或前或后的出現(xiàn)一個(gè)螺距的位移，這也是機(jī)床位置編碼器發(fā)展上的一次改革創(chuàng)新，這可能是因?yàn)闁鸥裥盘柈a(chǎn)生的減速信號離開開關(guān)太近所造成的。因?yàn)閭魉湾e(cuò)誤等原因，柵格信號正好漏掉了，必須等待下一個(gè)信號到達(dá)才能停止，這樣就會(huì)使停止位置或前或后出現(xiàn)一個(gè)絲杠螺距的移動(dòng)。

這樣，可通過修改No.1850（網(wǎng)格偏重）減速塊的位置或修改信號參數(shù)，使網(wǎng)格信號產(chǎn)生時(shí)間從減速信號關(guān)閉到啟動(dòng)時(shí)間，從而避免了這一問題出現(xiàn)。

2 參數(shù)調(diào)試誤差修正

在參數(shù)調(diào)試方面，除了用戶感覺到的是否達(dá)到精度要求外，還需通過模擬處理、誤差分析了解使用數(shù)控機(jī)床調(diào)試電氣設(shè)計(jì)參數(shù)，以及數(shù)控機(jī)床主軸加工方向，對于參數(shù)均優(yōu)和參數(shù)不優(yōu)兩種情況，需對數(shù)控機(jī)床主軸加工方向展開分析，如圖1所示。

深入研究分析由Z字中選取“”的筆畫，通過加工方向圖可發(fā)現(xiàn)，X/Y在軸速度為正的時(shí)候接收到了同步信號，然而實(shí)際模式則是出現(xiàn)在X軸方向的反應(yīng)比較慢，而出現(xiàn)在Y軸方向的反應(yīng)卻是正常的，這也就使得開始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)都變成了拋物線形狀的斜線。由此可知，確定出口標(biāo)志的斜線段起點(diǎn)X軸的實(shí)際產(chǎn)生的位移值一直比出口標(biāo)志的斜線段低主要原因，所以需要通過增加X軸的剛度。

圖1 數(shù)控機(jī)床主軸加工方向

參調(diào)主軸參數(shù)誤差分析時(shí)的主要工作是進(jìn)行確認(rèn)圓周半徑和角度誤差的精度是否在所需的范圍內(nèi)，如果半徑誤差超過了所要求的精度范圍時(shí)，則需要增加X/Y軸伺服系統(tǒng)的剛度；如果角誤差超過精度要求范圍的時(shí)候，則需要對主刀的升刀延遲時(shí)間和刀降的推進(jìn)時(shí)間進(jìn)行增加，該過程是通過插補(bǔ)控制器完成的，進(jìn)而使伺服系統(tǒng)位置跟蹤精準(zhǔn)度得到一定的提升。

設(shè)數(shù)控機(jī)床典型體Bk及其相鄰低序Bj，如圖2所示。

圖2 數(shù)控機(jī)床典型體及其相鄰低序幾何描述

構(gòu)建坐標(biāo)系，確定靜坐標(biāo)系R（O0-x0y0z0）和動(dòng)坐標(biāo)系Rk（Ok-xkykzk）、Rj（Oj-xjyjzj）、Qj（Ok-xkykzk）。在上述坐標(biāo)系中，分別使用（nk1，nk2，nk3）、（nj1，nj2，nj3）、表示典型體Bk及其相鄰低序Bj所處坐標(biāo)軸的不同方向正交基矢量組。典型體Bk轉(zhuǎn)動(dòng)情況可由（nk1，nk2，nk3）相較于（nj1，nj2，nj3）姿態(tài)變化表示。因此，典型體Bk與相鄰低序Bj位置姿態(tài)與Rk（Ok-xkykzk）相較于Rj（Oj-xjyjzj）位置姿態(tài)是一致的。

設(shè)W為上述位置姿態(tài)變換矩陣，則（nk1，nk2，nk3）相較于（nj1，nj2，nj3）姿態(tài)變化關(guān)系式為：

W描述了位置姿態(tài)變換關(guān)系，即為相鄰體變換矩陣，對于數(shù)控機(jī)床中參數(shù)調(diào)試誤差研究可以轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)系行為研究。

在四個(gè)象限內(nèi)分析軸心運(yùn)動(dòng)的輪廓誤差，如果存在于同一個(gè)象限上同一起點(diǎn)的半徑誤差和半徑誤差完全一致，而且半徑誤差在兩個(gè)不同的象限內(nèi)，那么X/Y軸的PID參數(shù)值保持不變，主軸運(yùn)動(dòng)輪廓如圖3所示。

圖3 主軸運(yùn)動(dòng)輪廓

從圖3可以得知，當(dāng)半徑誤差同時(shí)滿足在第二象限而且在第一象限的起始點(diǎn)相同時(shí)，如果兩象限和半徑誤差大于精度要求，X/Y軸的位置跟蹤性能應(yīng)該進(jìn)行一定的改善；如果第一象限和半徑誤差高于精度要求，那么X/Y軸的位置跟蹤性能需要進(jìn)行一定程度上的完善；也可以根據(jù)圓口曲線是內(nèi)、外的圓口曲線還是外的圓口曲線，判斷軸伺服系統(tǒng)的軟化特性，結(jié)合圖3中的輪廓輪廓可以看出，X軸的動(dòng)態(tài)性能不良會(huì)出現(xiàn)一些偏差，但通過對上述內(nèi)容進(jìn)行修正，可以完成參數(shù)修正。

3 實(shí)驗(yàn)

針對電氣化設(shè)計(jì)在數(shù)控機(jī)床參數(shù)調(diào)試與日常維修中的應(yīng)用合理性，展開分析。

3.1 模擬主軸系統(tǒng)組成

數(shù)控系統(tǒng)模擬主軸控制系統(tǒng)電氣化原理圖如圖4所示。

圖4 模擬主軸控制電氣化原理圖

由圖4可以得出，CNC數(shù)控系統(tǒng)的JA40接口輸出電壓為0～15V的模擬電壓，E700變頻器上的兩個(gè)Q1、Q2子端接收模擬電壓信號，該模擬信號是通過JA40接口輸出的，由JD1A接口輸出的轉(zhuǎn)向信號則由子端接收，JA7A接入由主軸編碼器反饋得到的信號。

3.2 數(shù)控機(jī)床性能調(diào)試

對于數(shù)控機(jī)床性能調(diào)試，分別從靜態(tài)工作模式和動(dòng)態(tài)工作模式兩個(gè)方面展開。

3.2.1 靜態(tài)工作模式

當(dāng)數(shù)控機(jī)床在靜態(tài)工作模式下，主軸工作電流和位置跟蹤誤差如圖5所示。

圖5 主軸工作電流和位置跟蹤誤差

由圖5可知，4個(gè)特征點(diǎn)下主軸工作電流分別為1.1A、0.3A、0.25A、0.2A，針對這4個(gè)特征點(diǎn)的位置跟蹤誤差電流分別為0A、0.8 A、0.85 A、0.2A。基于該內(nèi)容，分別使用基于微矩陣參數(shù)調(diào)試方式和電氣化設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)試方式對該工作模式下的實(shí)際主軸工作電流和位置跟蹤誤差展開分析，結(jié)果如表4所示。

表4 靜態(tài)工作模式下兩種方法主軸工作電流和位置跟蹤誤差對比分析

由表4可知，使用基于微矩陣參數(shù)調(diào)試方式主軸工作電流與實(shí)際電流相差較大，其中實(shí)際位置跟蹤誤差最大為0.5A，而使用電氣化設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)試方式主軸工作電流與實(shí)際電流一致，實(shí)際位置跟蹤誤差為0A，由此說明，當(dāng)數(shù)控機(jī)床在靜態(tài)工作模式下，電氣化設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)試方式合理。

3.2.2 動(dòng)態(tài)工作模式

當(dāng)數(shù)控機(jī)床在靜態(tài)工作模式下，實(shí)際轉(zhuǎn)速和位置跟蹤誤差如圖6所示。

圖6 實(shí)際轉(zhuǎn)速和位置跟蹤誤差

由圖6可知，5個(gè)特征點(diǎn)下實(shí)際轉(zhuǎn)速分別為700轉(zhuǎn)/分、750轉(zhuǎn)/分、740轉(zhuǎn)/分、680轉(zhuǎn)/分、680轉(zhuǎn)/分，針對這5個(gè)特征點(diǎn)的位置跟蹤誤差轉(zhuǎn)速均為0轉(zhuǎn)/分?；谠搩?nèi)容，分別使用基于微矩陣參數(shù)調(diào)試方式和電氣化設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)試方式對該工作模式下的實(shí)際轉(zhuǎn)速和位置跟蹤誤差展開分析，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，使用基于微矩陣參數(shù)調(diào)試方式轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速存在一定偏差，其中實(shí)際位置跟蹤誤差最大為70轉(zhuǎn)/分，而使用電氣化設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)試方式轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速一致，實(shí)際位置跟蹤誤差為0轉(zhuǎn)/分，由此說明，當(dāng)數(shù)控機(jī)床在動(dòng)態(tài)工作模式下，電氣化設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)試方式合理。

表5 動(dòng)態(tài)工作模式下兩種方法實(shí)際轉(zhuǎn)速和位置跟蹤誤差對比分析

4 結(jié)語

主軸控制系統(tǒng)的調(diào)試是數(shù)控機(jī)床調(diào)試的重點(diǎn)，若輸入的指令和主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速不符，且在進(jìn)行零件加的時(shí)候誤差較大，就需要對主軸進(jìn)行調(diào)試。因?yàn)殡姎饣O(shè)計(jì)在進(jìn)行參數(shù)調(diào)試的時(shí)候主要側(cè)重于對主軸主軸控制系統(tǒng)的硬件組成進(jìn)行模擬和調(diào)試，缺乏分析了解數(shù)控機(jī)床軟件的功能部分，所以今后可以在調(diào)試過程中總結(jié)和積累更加豐富的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而完善和提高在調(diào)試和維修方面的技能。