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美國 HAAS 機床國產化數控係統的改造

2018-9-28 來源：中航工業沈陽飛機工業（集團）有限責任公司作者：劉天（tiān）冬（dōng），李林，白雲鵬

[ 摘要 ] 美國 HAAS 公司的 VF-7 數控銑床原配置 HAAS 數控（kòng）係統，改造為沈陽高精 GJ401 國產數控係統。文中介紹了電氣係統改造方（fāng）案、沈陽高精 GJS 係列（liè）伺服（fú）器的調整和伺服參數的優化方（fāng）法。

關鍵詞：沈陽高精 GJ401 數控係統；GJS-015 係列伺服；GJM 係列伺服電機

國內數控機床的數控係統大部分（fèn）配（pèi）置進口（kǒu）係統。隨（suí）著中（zhōng）國經濟（jì）的高速發展，國內數控機（jī）床產（chǎn）業有了快速提升，國產化數控係（xì）統逐漸形成規模。國產數控係統在功能性、穩定性等方麵都（dōu）有了大幅的提高，與進口數控（kòng）係（xì）統差距逐漸縮小，基本可以（yǐ）滿足國內用戶的（de）需求（qiú）。

美國 HAAS 廠家的 VF-7 數控銑床（chuáng）原配置是美國HAAS 係（xì）統。十多年的使用造成了係統嚴重老（lǎo）化、故障率高、機床備件已經停產、維修困難等問題（tí）。但是，機床的機械部件（jiàn）和附屬（shǔ）部件依然完好，可以繼續使用（yòng）。為了滿（mǎn）足生產需要，對（duì）美國 VF-7 數控銑床進行數控係統國產化改造，選擇沈陽（yáng）高精數控有限公司的 GJ401 數控（kòng）係統為（wéi）電（diàn）氣控（kòng）製係（xì）統。

1 、數控係統改造的方案

國（guó）產化數控係（xì）統選用沈陽高精自主研發的 GJ401數控係統， GJS 係列 A 型 S3 總線伺服，GJM 係列（liè）伺服電機（X,Y,Z 軸的額定（dìng）回（huí）轉速度為 2000r/min，為防止（zhǐ） Z軸自重下滑，Z 軸電機具（jù）有製動器實（shí）現斷電後的抱閘製動）。主軸驅動采用蒙德 IMS-MF 係列交流（liú）伺服主軸驅動器，主軸最高轉速為 4900r/min。機械啟動撥叉（chā）換擋，低檔（dàng）為 50~1000r/min，高檔為 1001~4500r/min。

沈陽高精 GJ401 國產數控係統采用先進的（de）開放式體係結構（gòu），是一款（kuǎn）通用性強、配置（zhì）靈活的中高檔數控係（xì）統。可連接（jiē）數字式、模（mó）擬量兩種類（lèi）型的（de）伺服驅動器，最多可支持 10 軸，它內置嵌入式（shì）工（gōng）業 CPU 板（bǎn）卡，配置 12 吋彩色（sè）液（yè）晶（jīng）顯示屏和標準機床工程麵板，集成軸控製接口，MPG 手持操作（zuò）單（dān）元 I/O 接口，工業以太網SSBIII 總線接口、網絡接口和（hé） USB 接口及總線功能擴展機箱（xiāng）單元，具有模塊（kuài）化、開放、靈活的係統結構（gòu）。沈陽高精 GJ401 數控係統（tǒng）的操作界麵清晰明（míng）了，操作簡單易於上手。編程語（yǔ）言按照國際通用標（biāo）準進行設計，具有高性能、高可靠性及配置靈活、結構緊湊、易操作等特（tè）點。

美（měi）國 HAAS 數控係統的 VF-7 數（shù）控銑床改造，選（xuǎn）用沈陽高精 GJ-401 顯示終端，沈陽高精 CNC 機箱，蒙德主軸變頻器（qì），LINCOLN 電（diàn）機（額定輸出 7.5k W，額定電流 30A，額定扭矩 10N·m，額定功率 60Hz），GJS-015 係（xì）列伺服（fú），3 個 GJM 係（xì）列伺服電機，3 個變（biàn）壓（yā）器，6 個斷路器，10 個交（jiāo）流接（jiē）觸器等多個元器（qì）件（jiàn）。改造時對原機（jī）床電氣控製櫃重新設計（jì），電源進線的尺寸（cùn）選擇 6~10mm2，控製電線選用 1.5~2.5mm2，將新的電氣部件和電器元件進行安裝連接，根據電氣設計的說明（míng）書指（zhǐ）示，在電氣櫃中留出充足的散熱空間（jiān）。電氣控製如圖 1 所示。

圖1 電氣控製框圖

2 、沈陽（yáng）高精 GJ401 係（xì）列數控係統（tǒng）伺服（fú）參數的調整與優（yōu）化

伺服控製分為 3 個環節：電（diàn）流環、速度（dù）環和（hé）位置環。最內環為電流環，直接控製電機的力矩輸出和速度輸出。其次為速度環，根據速度指令控製（zhì）電機速度。最後為位置環，控製電機的實際位置。伺服響應（yīng）的優先級：電流環＞速度環＞位置環。沈陽高精（jīng） GJ401 係列數（shù）控係統的伺服控製，如圖（tú） 2 所示。

圖2 伺服控製框（kuàng）圖（tú）

（1）電流環（huán）的優化：電流環是比例積（jī）分調節器組（zǔ）成的，VF-7 數控銑床改造使用沈（shěn）陽高精數控配套的伺服（fú）和電（diàn）機，因而係統在組態電動機時給出比較好的優化參數，一（yī）般不需（xū）要（yào）進行手動優化。

（2）速度環的優（yōu）化：沈陽高精（jīng）數控 GJS-015 係列伺服的速度控製模式（shì）是通過模擬量的（de）輸入頻率作為指令速度的控製。速度環的（de）參數調節在 GJS-015 伺服上實行，速度環控（kòng）製器采用比例積分 (PI) 控（kòng）製 , 主要就是對速度控（kòng）製器的比例增益（Pn5）盡（jìn）可能的大，這樣可以提（tí）高機床（chuáng）的響應速度和跟蹤精（jīng）度，希望積分時間常數（Pn6）盡可能的小，這（zhè）樣可以提高（gāo）機床抗擾動（dòng）能力。速度環的參數調整需要在GJS-015 係列伺（sì）服的數字操（cāo）作器完成。數（shù）字操控器位（wèi）於伺服主機（jī），可顯示狀態、輸入數據（jù）。在數字操作器上有 MODE、INC、DEC、SET 4 個鍵。在按（àn）下 MODE 鍵後，可選擇狀態顯示模式（shì）、監視模式、參數設（shè）定模式。選擇 SET 鍵可以顯示伺服的參數設定值，通過選擇 INC（+）鍵（jiàn）和 DEC(-) 鍵對伺服參（cān）數進行調整。速度環比例增益數值越大，增益和響（xiǎng）應速度大。速度環積（jī）分增益（yì）值大，速度（dù）誤差積分和速度剛度大。要根據電機的特性及機械係統的剛性要求按比例成對適當調整，否則電機會（huì）有噪音（yīn）、震動等問題。以 X軸（zhóu）為例，參數使用出廠值 300 時， X 軸電機在運行（háng）時出現抖動現象。當把 Pn5 改為 350，Pn6 改為 190 時，X 軸（zhóu）電機出現很大噪音，發生震動現象。經過多次（cì）嚐試（shì）較為（wéi）理想的狀態參數是 Pn5 為 323，Pn6 為 215 如表 1所示。

表1 沈陽高精GJ401數控係統部（bù）分（fèn）參數的調整與電機參數配置表（biǎo）

（3）位置環的優化：速度環優化後進行位（wèi）置環的參數優化。位置環（huán）增益參數是 PN15。PN15 參數的出廠設定值是 750，該值越小，伺服響應越慢（màn），跟隨效果（guǒ）越差。該值越（yuè）大，伺服響應越快，跟隨效果越好，但數值太大會引起機床震動和位置超調。所以，根據數控（kòng）銑（xǐ）床的機械特性合理調節。以 X 軸為例，X 軸伺服器的 Pn15 設為 720 時（shí），機床的跟隨效果很差。當 Pn15 設為 760 時，機床 Er12 號報警，X軸位置超差。通過多此嚐試將 Pn15 值設置為（wéi） 742 時，X 軸工作（zuò）狀態較為理想。

3 、蒙德主軸變（biàn）頻器調節和主軸參數設定

根據主軸電機的功率、相關的技術數據、外形尺寸、提供的（de）各項輔助功能及後續備件的通用性和經濟性等多（duō）方（fāng）麵（miàn）因素，選定使用蒙德 IMS-MF 係列交流伺服主軸驅（qū）動器。該變頻器適用 VF-7 機床的（de） 7.5k W 的林（lín）肯（kěn）（LINCOLN）牌主軸電機，額定輸出功率 10k VA，額定輸出電流 30A，變頻範圍：0.01~400Hz，輸入電壓 380V，具有自學習模式、轉矩補償、節能控製、過熱保護（hù）、失速保護、過載保護等多項功能，該（gāi）變頻器（qì）能夠提高主軸電機的運轉精度和（hé）所需的各種功能。蒙德主軸變頻器電氣接線圖，如圖 3 所示。蒙德主軸變頻器上有（yǒu）數字操作器位於小型操作（zuò）麵板上，可以顯示狀態、輸入數據。在數字操作器上有按鍵和指示燈。L1、L2 和（hé） L3 3 個燈為（wéi）監視燈，FWD 燈亮顯示主軸正轉，REV 燈亮顯示主軸反轉（zhuǎn）。通（tōng）過按MENU 鍵就可以進入菜單選擇，有（yǒu）顯示模式，監視模式，參數設定模式。選擇伺服的參數設定值，可以通過選擇（▲）鍵和 DEC( ▼ ) 鍵對伺服（fú）參數進行調整，如表 2所示。

圖3 蒙德主軸變（biàn）頻器電氣接線圖

表2 蒙德（dé）主軸變頻器部分參數的調整

經過調（diào）整主軸變頻器參數後，主軸沒有噪音和（hé）震動（dòng），可以正常平穩（wěn）的旋轉。VF-7 銑床數控係統改造後，使（shǐ）用激光（guāng）幹涉儀（yí）進行測（cè）量和補償後，定位精度和重（chóng）複定位精度誤差不超過±0.01 mm ；通過標準 NAS 件試切，平行度、垂直度和圓度的精度在 ±0.02 mm 以內（nèi）；各位置值的總偏差不超過±0.03 mm ；主軸徑向跳動（dòng）不超過 ±0.02mm，完全符合三坐標機床驗收的試（shì）切標準。

4 、結論

美國 HAAS 廠家 VF-7 數控銑床控製係統改造為沈陽高精 GJ401 數控係統，經過伺服參數調（diào）整後，數（shù）控銑（xǐ）床運行穩定可靠，有（yǒu）效提高了加（jiā）工效率。數控機床的質量和生產效率與電氣控製能力及控製係（xì）統的形式密切相關（guān）。通過此次改造和（hé）研（yán）究，熟悉了沈陽（yáng）高精 GJ401數控係統伺（sì）服參數的調整，對國產化（huà）數控係統的改造（zào）具一（yī）定的實踐指導意義。

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