數控車床升級改造

祁百學，盧建明，閆沛淵

蘭州航空職業(yè)技術學院 甘肅蘭州 730070

1 序言

學校原數控車床采用GSK981T系統(tǒng)，盡管在過去的教學中發(fā)揮了較大的作用，但系統(tǒng)年久失修，故障頻發(fā)，且功能單一，市場應用不廣泛，還存在偶然丟失系統(tǒng)數據的情況，已無法滿足教學的需求。經我校多方考證決定，自行升級改造該臺數控車床。

本次數控系統(tǒng)升級改造選用華中數控H N C-818D數控系統(tǒng)。此數控系統(tǒng)是武漢華中數控股份有限公司開發(fā)出的總線數控系統(tǒng)，它基于具有完全自主知識產權的NCUC工業(yè)現場總線技術，采用模塊化、開放式體系結構的高可靠性設計，具有高速、高精、多軸多通道及云數據等特點，具有極高的性價比[1]，能夠完全滿足我校近幾年的教學需要，也為我校其他早期數控系統(tǒng)的升級改造積累了一定的經驗。

2 整體改造方案

CK 6140數控車床升級改造總體設計如下。

（1）數控系統(tǒng) 選用華中數控HNC-818D數控系統(tǒng)替代GSK 981T，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、機床加工精度和加工效率，為以后進一步增加其他功能預留擴展功能。

（2）電氣線路 重新設計主電路及控制回路，但電氣柜及伺服變壓器仍然用原數控機床部件，以達到在滿足要求的情況下盡量節(jié)省改造費用的目的。

（3）進給系統(tǒng) 將原步進驅動及步進電動機全更換為總線式帶絕對位置記憶的伺服驅動器及伺服電動機，提高進給控制精度、運行的穩(wěn)定性及負載承載能力。

（4）主軸部分 保留原變頻主軸。主軸的正轉、反轉及停止，給定轉速及轉速的顯示均通過外置IO單元實現。

（5）IO輸入輸出單元 將原系統(tǒng)內置的PLC改為外置的IO單元。考慮改造成本，IO單元采用華中HIO-1200-M1，其總線是IO單元，共有24位輸入、16位輸出，其上還有DA接口（用于變頻主軸）和主軸編碼器接口[2]，完全能夠滿足升級改造的需要。

（6）機械部分 除操作單元部分由于系統(tǒng)及操作面板的尺寸有變化需重新設計外，其他機械部分仍用原機床部分，只是在選用伺服電動機時，注意在滿足驅動要求的前提下，安裝接口與機床一致即可。

（7）機床參數設置及PLC程序編制 根據控制線路及加工操作的要求，重新設置機床參數及編制機床的PLC控制程序。

（8）機床整體調試 優(yōu)化機床參數，設置機床的軟限位、螺距補償及反向間隙等，綜合驗證機床的各種功能是否正常，精度是否完全達到標準。

3 機床的具體升級改造

（1）數控系統(tǒng)的升級改造 HNC-818D數控系統(tǒng)的IPG集所有外部接口于一身，連接機床操作面板MCP、UPS電源、U盤、手搖脈沖發(fā)生器、CF卡、以太網、顯示器及鍵盤等外部設備，程序擴展、數據交換和接線都非常方便，具有極高的性價比。改造前后數控裝置規(guī)格部分對比見表1。

表1 改造前后數控裝置規(guī)格部分對比

（2）電氣線路的升級改造 HNC-818D數控強電部分原理如圖1所示。機床的強電部分通過機床電氣控制柜的總開關QF0將380V的動力電引入電柜，控制柜通過開關S Q0達到開門斷電的目的。通過QF3、QF4和QF5分別給液壓電動機、冷卻電動機和刀架電動機提供動力和過載及短路保護。QF2為伺服變壓器TC1提供動力，TC1將380V變換為220V，為X軸和Z軸的伺服放大器提供動力電源及放大器的工作電源；QF1為主軸變頻器提供電源。

圖1 HNC-818D數控強電部分原理

（3）機床控制部分 HNC-818D系統(tǒng)總線要求連接成環(huán)，其中系統(tǒng)與機床操作面板僅由系統(tǒng)總線連接，機床操作面板的工作電源完全由系統(tǒng)總線提供，無其他的獨立電源，外置手脈盒連接在機床操作面板上，同樣工作電源也由總線提供。總線從IPC單元的PORT0到機床操作面板MCP的XS6A，再從MCP的XS6B到IO單元的X2A，如圖2所示，最終到IPC單元的PORT3，構成一個完整的環(huán)，從而使數控系統(tǒng)能夠指揮和接收所有連接在總線上的部件的信息，構成一個有機的整體。

圖2 HNC-818D系統(tǒng)總線連接

（4）機床進給系統(tǒng)的改造 伺服采用華中數控新一代全數字交流伺服驅動器HSV-160u，其具有高速工業(yè)以太網總線接口，實現和數控裝置高速數據交換，具有高分辨率絕對式編碼器接口，位置反饋分辨率最高達到23位。伺服電動機均采用華中華大電動機，電動機編碼器均為23位絕對編碼器，額定轉速均為1500r/min，其中X軸伺服電動機的額定扭矩為5.4N·m，Z軸的額定扭矩為9.6N·m，各項指標均遠優(yōu)于原機床的配置，完全能夠滿足教學的需求。

（5）主軸部分的改造 由于主軸驅動保留了原機床的變頻器、變頻電動機及主軸編碼器，因此設計時只需要考慮給變頻器提供相應的運行指令，故本部分與IO單元的改造一并設計。

（6）IO輸入輸出單元的改造 IO單元采用華中HIO-1200-M1，其為總線式IO單元，共有24位輸入，16位輸出，其上還有DA接口（用于變頻主軸0～10V）和主軸編碼器接口。對于CKA6140數控車床，一塊HIO-1200-M1板完全滿足其控制需求，如以后要增加其他功能時IO點數不夠，可再購一塊，通過NCUC總線增加IO數量。圖3為本次IO分配地址及其邏輯控制線路。

圖3 IO分配地址及其邏輯控制線路

機床初次上電，若總線連接沒有問題，查看系統(tǒng)設備配置，就會出現圖4所示畫面，對H I O-1200-M1，其上有24位輸入、16位輸出，輸入可選PNP或NPN，同時其上還可接變頻器所需的0～10V輸出（可通過參數選擇－10～10V或0～10V）；還可接主軸編碼器，其輸入輸出可通過參數分配為兩部分，一部分為真實的IO輸入輸出，另一部分為模擬量輸出和主軸編碼器的轉速輸入占用的虛擬IO點，但兩者地址不能重疊，系統(tǒng)可通過參數偏置實現。

圖4 系統(tǒng)設備配置

（7）主軸及X軸、Z軸減速比的設定 主軸的減速比為2∶1，僅為一擋，主軸編碼器與主軸直連，擋內無級調速，考慮到電動機低頻力矩性能較差，因此將電動機的起始頻率設定為30Hz，最高頻率設定為100Hz，主軸電動機為4極變頻電動機，忽略電動機轉差率，從而實現主軸450～1500r/min的轉速。

X軸、Z軸均通過聯軸節(jié)與滾珠絲杠直連，螺距分別為4mm、6mm，伺服電動機的編碼器均為23位絕對編碼器，僅需在對應的參數100004、102004中輸入相應的螺距值4000、6000；在參數100005和102005中輸入8388608，而伺服放大器中位置指令脈沖分頻分子、分母設為1∶1即可[3]。

（8）機床設置 按照機床的使用及加工范圍，設定軟限位，防止機床發(fā)生碰障。利用百分表或千分表，編制相應的加工程序，機床往復運行測試螺距補償、反向間隙等，完成整體機床的設定工作。

4 結束語

通過本次數控車床升級改造，明顯感到華中數控系統(tǒng)的進步，硬件連接明顯簡化，一根總線連接所有關鍵設備，大大方便了用戶。調試畫面簡單有序，給用戶使用帶來了很大方便。這次升級改造積累了相關經驗，經過半年多的應用，證明升級改造是成功的。