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華中8型數控係統在坐標磨床再製造中的應用技術研究

2021-2-9 來源：江麓機電集團有限公司（sī） .華中科（kē）技大學作者：秦（qín）友尹建華（huá）黃煒

摘要：以江麓機電的（de）某坐（zuò）標磨床為研究對（duì）象（xiàng），采用華中HNC-848CM型數控係統對其進行數（shù）控改造，根據原（yuán）西門子電機選用同等配置的華中（zhōng）電機，搭建測試平台，用以測（cè）試（shì）在改造完成後坐標磨床是否可以完成其實際加工任務中的多種工作，包括同時進行套筒運與（yǔ）磨削插補運動、切線跟隨（suí）功能（法向跟蹤）、U軸控製等，最（zuì）後（hòu）達到了滿足工作需求的精度要求。

關鍵詞：坐標磨床（chuáng）；華中（zhōng）HNC-848CM數控係（xì）統；改造；測試

0 引言

坐標磨床多（duō）用以消除材料的熱處理變形（xíng），因其設有精密坐標機構，可磨削孔距精度要求很高的精密孔，能獲得高（gāo）加工精度及低表麵粗（cū）糙度，滿足（zú）坐標（biāo）孔的（de）加（jiā）工要求，是現代超精密加工中的有效設備。如果給坐標磨（mó）床添加上（shàng）磨錐機（jī）構、其餘（yú）附件和數控技（jì）術，則其不僅可以用來磨（mó）削圓（yuán）孔（kǒng）、平麵、圓弧、球麵等，其可磨削的工件形狀幾乎無限（xiàn）製，特別適合加工形狀複雜且精度要（yào）求（qiú）高的零件（jiàn）。當前，江麓機電的某坐標磨床因為零件及電機（jī）逐漸老化等因素，磨削尺（chǐ）寸不穩定，故障頻發，已逐漸不能完成（chéng）既定加工任（rèn）務，因（yīn）此急需對其進行維修。由於數（shù）控機床改造所需的成本較低，故（gù）通過數控改造對原有機床的結構進行創（chuàng）造性設（shè）計，最終使機床達到了較為理想的狀態，恢（huī）複了產能。

1 、改造方案

機床的改造主要應該具備兩個基本條件：

（1）原機床基礎件如床身等必須有足夠的剛性，以確保（bǎo）改造後機床的加工精度（dù）和工件的表麵品質。

（2）改造後機床精度跟原有精度持平。對於改裝後（hòu）的機床，能加工工件的（de）最大尺寸及主電動機功率等一般都不會（huì）改變；加工工件的平麵度、直線度以及粗糙度等，基本上仍決定於機床本身原有水平。

根據機床（chuáng）現有技術狀（zhuàng）況（kuàng）和條件，確定了改造的總思路：通過創造性的（de）二（èr）次設計彌補原有機床設計上的（de）一些欠缺；增加、提高、完善改造後機床的數控功能；從經濟實（shí）用的角度出發，合理選擇數控係（xì）統與驅動單元。數（shù）控係統是數控機床（chuáng）的核心部件，而（ér）驅動單元決定了機（jī）床加工精度，機床的性能檔次取決於這二者的功能檔次。

首先，本次改造選（xuǎn）用了HNC-8型數控係統，HNC-8型（xíng）是武漢（hàn）華中數控股份有（yǒu）限公司高（gāo）端產品，係統采用32位微處理器（qì），能實現高速、高精度控製，尤其是其10 000條/18 s的處理速（sù）度（dù），可實現高速連續小線段加工。

其次，驅動單元選擇華中數控自主研發的180係統驅（qū）動（dòng）器，該驅動器具（jù）有體積小、性能（néng）好、調試方便等優點，可以通過（guò）數字（zì）設（shè）定（dìng）的方式優（yōu）化電流環、速度環和位置環（huán）的（de）參數，以提（tí）高伺服係統（tǒng）性能，並可在上位機顯示電流、扭矩波（bō）形，便於觀察、了（le）解負載的實時動（dòng）態情況，以（yǐ）利及時調整切削參數，最（zuì）大限度地提高（gāo）使用效率。華中伺服電機帶有內（nèi）置式編碼器檢測元件，與數控係統構成負（fù）反饋半（bàn）閉環控製，可以確保伺服控製的精度。華中數控係統和驅動單元所具（jù）備的以上功能，可以完全（quán）滿（mǎn）足機床改造的技術要求（qiú）。

2 、改造方案實施

在確認了改造的方案（àn）後，利用華中8型對坐標磨床進行具體改（gǎi）造。對坐標磨床進行電氣更換：

（1）選用華中數控HNC-8型數控（kòng）係統對機床進行數控改造；

（2）采用華（huá）中數（shù）控總線式PLC模塊；

（3）去掉原進給軸伺服驅動裝置，采用華中數（shù）控總線式HSV-180UD係（xì）列交流伺服驅動及110ST係列伺服電機代替（tì）原驅動裝置及（jí）電（diàn）機；

（4）采用華（huá）中數控總線式HSV-180US係（xì）列主軸伺服驅動及110ST-M06415LMBB主軸伺服電機替代原主軸（zhóu）驅動（dòng）裝置及電機；

（5）更換原移動手持單元；

（6）保留機床原操作箱體支架及連接方式，采用成型（xíng）操作箱體，重新製作操作麵板，麵板按鈕滿足機（jī）床功（gōng）能要求；

（7）采用華中8型（xíng）電櫃替換原有電櫃，重新設計、製作並配置電盤；

（8）電櫃內所有控製類低壓電器，如接（jiē）觸（chù）器、斷路器、中間繼電器等均（jun1）采用合（hé）資或知名品牌廠家產品，確保改造質量，控製櫃內布線及（jí）電氣元件（jiàn）布置符合相關國家標準，符合電磁兼容性（EMC）原則，電氣元件編號、線（xiàn）號清晰持（chí）久，並與電氣設計圖紙上編號相對應；

（9）保留原機床上的輔助異步電動機（jī），更換機床上所有控製類導線、電（diàn）纜線；

（10）所有管（guǎn）線應盡量暗裝，對不能暗裝的管線應穿拖鏈或（huò）金屬軟管保護並（bìng）固定，同時（shí）檢修拖鏈，保證拖鏈運動平穩（wěn）、順暢；

（11）檢修機床上原限位開關、檢測開關、安全（quán）開（kāi）關等元件，不能修複的予以更換，各軸分別具有（yǒu）回零功能及保護功能；

（12）遵循國家機床電氣標準及機床動作原理（lǐ），重新進行電（diàn）氣技術（shù）設計（jì），繪製新的電（diàn）氣原理圖，編寫PLC程序（xù），並編寫完善的報警信息；

（13）對（duì）機床進給軸進（jìn）行激光螺距補償，提高機床精度。

完成（chéng）機床電（diàn）氣部分的改造（zào）替換後，對其（qí）部分機械部（bù）件進行改造：

（1）重新設計、製作（zuò）各軸電機連接件、支撐件。

（2）潤滑係（xì）統：檢查、清洗、保（bǎo）養機床潤滑係統，更換易損件、密封件，使機床潤滑充分。

（3）冷卻係統：檢查、清洗、保養機床冷卻係統，更換易損件及損壞件。

（4）清洗液壓站油箱，更（gèng）換液壓油（yóu）；清洗或更換濾芯；清洗疏通（tōng）油管，更（gèng）換損壞的密封件，使液壓係統無滲漏；更換損壞的閥（fá）組。

（5）參照國家相關技術標（biāo）準，對機床進行修理，恢複機床幾何精度。

（6）磨削各（gè）軸導軌麵並貼塑後人工配刮（guā）各條導軌貼合麵，恢複導（dǎo）軌幾何精度和表麵（miàn）粗（cū）糙度。

（7）機床各軸的滾珠絲杠都有相應無法修複的損傷，需進行更換。

（8）更換（huàn）滾珠絲（sī）杠軸承。

（9）更換主軸軸承。

（10）調整（zhěng）各傳動機構（gòu）的傳動間隙。

（11）檢修機床排屑器（qì），使排屑器運轉順暢、穩定。

（12）檢修機（jī）床防護罩，並校正變（biàn）形部位。

3、改造結果驗證

3.1 測試環境及配置

為避免直接加工對機床造成損傷，搭建測試台對改造結果進行初步驗證。測試台配置如表1所示。

表1 測試環境

測試台采（cǎi）用標準848C係統硬件，安裝標準（zhǔn）V1.26.08軟件包，配置（zhì）伺服（fú）及（jí）電（diàn）機組建測試台。華中HNC-848總線式數控係統（tǒng），最多（duō）能控製8個通（tōng）道、64個進給軸；每通道最（zuì）大聯動軸數：9軸（zhóu），最小插補周期：0.125 ms，最小分辨率：1 nm；兩種總線接口：支持自主開發的現場總線通信NCUC協議及Ether CAT總（zǒng）線協議。測試工具：溫度測試儀、萬用表。

3.2 測試內容

3.2.1 精度測試

技術要求：定位（wèi）精度0.005 mm，重複定（dìng）位0.003 mm。技術方案：為實現上述定位精度和重複定位精（jīng）度要求，針對半閉環的軸，電機選用高精度絕對值分辨率（lǜ）的編碼器；針（zhēn）對全閉環的（de）軸，選用（yòng）高分辨率的絕對值光柵。選用高分辨率的反饋元件能保（bǎo）證數控係統（tǒng）控製在技術要求的精度範圍內。測試結果：該項目采用西門子CD碼19位電機，搭建（jiàn）的測試台Z軸伺服電機也采用西門子CD碼19位電機。按（àn）螺距10 mm計算（suàn），係統的控製分辨率能達（dá）到（dào）0.000 02 mm，本（běn）測試編寫G代碼（mǎ）程序按步距0.000 1 mm走，經測試係統能保證步距0.000 1 mm運行，達到了技術要求的（de）控製定位及重複定位精度。測試用的西門子電機型號為1FK7063-5AF71-1AG0。按步距0.000 1 mm編寫的G代碼程序如下所示：

3.2.2 U軸和Z軸實現插補（bǔ）運（yùn）動

功能描述：U軸和Z軸實現插（chā）補運（yùn）動，磨削錐孔。技術方（fāng）案：控製係統采用華中848數控係（xì）統，具備5軸3聯動功能，能實現U軸和Z軸插補運動，磨削（xuē）錐孔。測試結果：U軸與Z軸插補功能正常。

編寫程序采用G118移動軸同步插補指令（lìng），Z軸在振蕩運動過程中，實現U軸（zhóu）與Z軸插補（bǔ）運動，U軸的編程位置通（tōng）過G118指令R參數控製，可以實現不同（tóng）比例（lì）的同步插（chā）補運動。在Z軸運行過程中，U軸跟隨Z軸（zhóu）做插補運動。U、Z軸插補測試程序如下：

3.2.3 切線跟隨功能

功能描述：X、Y、C軸（zhóu）實現法（fǎ）向（xiàng）跟蹤功能，滿足（zú）C軸跟蹤XY曲（qǔ）線法向要求；動態聯動畫圓0.004 mm。

技術方案：通過華中848係統自帶的切線跟隨功能，設（shè）置C軸跟隨XY曲線的法向參數，編寫開啟和關（guān）閉法向跟隨的（de）PLC邏輯動作，實（shí）現C軸跟蹤XY曲線（xiàn）的法向要求。切線跟隨功能在上海航天八院149廠的攪拌摩擦焊機床上（shàng）已有使（shǐ）用。

測試結果：法（fǎ）向跟蹤功能運動正（zhèng）常。編寫法向跟隨（suí）程序，開啟C跟隨XY法向運動指令，運行法向跟隨功能正常。

在（zài）數（shù）控係統參數設置中設置切（qiē）線跟隨（suí）參數，切線控製（zhì）隨動軸軸號2（Z軸），切（qiē）線控製（zhì）偏移角（jiǎo）-90（代表法向跟隨）。編寫開啟法向跟的M代碼，通過M56、M57開啟和關閉法向跟隨。法向跟蹤測試程（chéng）序如下：

經（jīng）測試，改造後的坐標磨床各（gè）功能如雙通道協同運（yùn）動、U軸控製（zhì）、U軸和Z軸實現插補控製等（děng）均滿足實際工作要求。

4 、結語

經對測試台模擬實際工況的功能進行測試，華中848型數控係統能滿足坐標（biāo）磨床所需要的技（jì）術功能要求。國產（chǎn）數控係統在機床（chuáng）改（gǎi）造升（shēng）級中具（jù）有良好的效果，這次坐標磨床的改造升（shēng）級，對於推廣應用國（guó）產數控係統可以起（qǐ）到示範作用（yòng），形成（chéng）自（zì）主可控的國產坐標磨床基礎製（zhì）造裝備的配（pèi）套能（néng）力，滿足相關行業需求。

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