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華中8型數（shù）控係（xì）統在坐標磨床再製造中的應（yīng）用技術研究

2021-2-9 來（lái）源：江麓機電集團有限（xiàn）公司 .華中（zhōng）科技大學作者：秦友尹建華黃煒（wěi）

摘要：以江麓機電的某坐標磨床為研究對象，采用華中HNC-848CM型數控係統對其進行數控改造，根據原西門子電機選用同等配置的華中電機，搭建（jiàn）測試（shì）平（píng）台，用以測試在改（gǎi）造完成後坐標磨床是（shì）否可以完成（chéng）其實（shí）際加工任務中的多種工作，包括同時進行套筒運與磨削插（chā）補運動、切線跟隨功能（法向跟蹤）、U軸控製等，最後達到了滿足工作需求的精度要求。

關鍵詞：坐標磨（mó）床（chuáng）；華中HNC-848CM數控係統；改造；測試

0 引言

坐標磨床多用以消除（chú）材料的熱處理變形，因其設有精密坐標機構，可磨削孔距精度要求很高的（de）精（jīng）密孔，能獲（huò）得高加（jiā）工（gōng）精度及低表麵粗糙度，滿足（zú）坐標孔的加工要求（qiú），是現代超（chāo）精密加工中的有效（xiào）設備。如果給坐標磨床添（tiān）加上磨錐機構、其餘附件和（hé）數控技術，則其不僅（jǐn）可以（yǐ）用來磨削圓孔、平麵、圓弧、球麵（miàn）等（děng），其可磨削（xuē）的工件形狀幾乎無限製，特別適合加工（gōng）形（xíng）狀複（fù）雜且精度要求高的零件。當前，江麓機電的某坐標磨床因為零件及電機逐漸老化等因素，磨削尺寸不穩定，故障頻發，已逐漸不能完成既定加工任務，因此急需對其進行維修。由於數控機床改造（zào）所需的成本較低，故通（tōng）過數控改造對原有（yǒu）機床的結構進行創造性設計，最終使機床達到了較為理想的狀（zhuàng）態，恢複了產能。

1 、改造方（fāng）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（chuáng）身等必須有足（zú）夠的剛性，以確保改造後機床的加工精度和工件的表麵品質。

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

根據機床現有技術狀況和條件，確定（dìng）了改造的總思路：通過創造性（xìng）的二次設（shè）計彌補原有機床設計上（shàng）的一些欠缺；增加、提高、完善改造後機床的數控功能；從經濟實用的角度出（chū）發，合理選擇數控係統與驅（qū）動單元。數控係統是數控機床的核（hé）心部件，而驅動（dòng）單（dān）元決定了機床加工（gōng）精度，機床的性能檔次取（qǔ）決於這二者的功能檔次（cì）。

首先，本次（cì）改造選用了HNC-8型數控係統，HNC-8型是武漢華中數控股份有限（xiàn）公司高（gāo）端產品，係統采用（yòng）32位微處（chù）理器，能（néng）實現高速、高精度控製，尤其是其10 000條（tiáo）/18 s的處理速度，可實現高速連續小線段加工（gōng）。

其次，驅動單元選擇華中數控自主研發的（de）180係統驅動器，該驅動器具有體（tǐ）積小、性能好、調試方便等優（yōu）點，可以通過數字設定的（de）方式優化電流環、速度環和位置環的參數，以提高（gāo）伺服係統性能，並可在上位機顯示電（diàn）流、扭矩波形，便（biàn）於觀察、了解負載的實時動態情況，以利及時調整切削參（cān）數，最大限度地提高（gāo）使用效率。華中（zhōng）伺（sì）服電機帶（dài）有內置式編（biān）碼器檢測元件，與數控係（xì）統構成負反饋半閉環控製（zhì），可以確保伺服控製的精度（dù）。華中數控係統和驅動單元所具備的以上功能，可以完全滿足機床改造的（de）技（jì）術要求。

2 、改造方案（àn）實施（shī）

在確認了改造的方案後，利用華中8型對坐標磨床（chuáng）進行具體改造。對坐（zuò）標磨床（chuáng）進行電氣更（gèng）換：

（1）選用華中數控HNC-8型數控係統對機床進行數控改造（zào）；

（2）采用華（huá）中數控總線式PLC模塊；

（3）去掉原進給軸伺服驅動裝置，采用華中數控總線式HSV-180UD係列交流伺（sì）服（fú）驅動及110ST係列伺服（fú）電機代（dài）替原驅動裝置及電機；

（4）采用華中數控總線（xiàn）式HSV-180US係（xì）列主軸（zhóu）伺服驅動及110ST-M06415LMBB主軸伺服電機替代原主軸驅動裝置及電（diàn）機（jī）；

（5）更換原移動手持單元；

（6）保（bǎo）留機床原操作箱體支架及連接方式，采用成型操作箱（xiāng）體，重新製作操作麵板，麵板按鈕滿足機床功能要求；

（7）采用華中8型電櫃替換原有電（diàn）櫃，重（chóng）新設計、製作並配（pèi）置電盤；

（8）電櫃（guì）內所有控製類低壓電器（qì），如接觸器、斷路器、中間繼電器等均采用合資或（huò）知（zhī）名品（pǐn）牌廠（chǎng）家產品，確保改造質量，控製櫃內布線及電氣元件布置符（fú）合相（xiàng）關國家標準，符合電磁兼容性（EMC）原則，電氣元件編號、線（xiàn）號清晰持久，並與（yǔ）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，更換機床上所（suǒ）有（yǒu）控製類導（dǎo）線、電纜線；

（10）所（suǒ）有管線應盡（jìn）量暗裝，對不能暗裝的管線應（yīng）穿拖鏈或金屬軟管保護並（bìng）固定，同（tóng）時檢修拖鏈，保證拖鏈運動平穩、順暢；

（11）檢修（xiū）機床上原限位開關（guān）、檢測開關、安全開關等元件，不能修複的予以更換，各軸分別具有回零功能（néng）及保護功能；

（12）遵循國家機床電氣標準及機床動（dòng）作原理，重新進（jìn）行電（diàn）氣技術（shù）設計，繪製新的（de）電氣原理圖，編寫PLC程序（xù），並（bìng）編寫完善的報警信息；

（13）對機（jī）床進給軸進行激光螺距補償，提高（gāo）機床精（jīng）度。

完成機床電氣部（bù）分的改造替換後，對其部分機械部件進行改造：

（1）重新（xīn）設計、製作各軸電機連接件、支撐件。

（2）潤滑係統：檢查、清洗、保養機床潤（rùn）滑係統，更換易損件、密封件（jiàn），使機床潤滑充（chōng）分。

（3）冷卻係（xì）統：檢查、清洗、保養機床（chuáng）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；清洗或更換濾芯；清洗疏通油管，更換損壞的密封（fēng）件（jiàn），使液壓係統無滲漏；更換損壞的（de）閥組。

（5）參照國家相關技術標準，對機床進行修理，恢複機床幾何精度。

（6）磨削各軸導軌麵並貼塑後人工配刮各條（tiáo）導軌貼合麵（miàn），恢複導軌（guǐ）幾何精度和表麵（miàn）粗糙度（dù）。

（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）更換滾珠絲杠軸承。

（9）更換主軸軸承。

（10）調整各傳動機構的傳動間隙。

（11）檢修機（jī）床排屑器，使排屑器運轉順（shùn）暢、穩定。

（12）檢修機床防護罩，並校正變形部位。

3、改（gǎi）造（zào）結果驗證

3.1 測試環境（jìng）及配置

為避免直接加（jiā）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（zhì）如表1所（suǒ）示。

表1 測試環境

測試台采用標準848C係（xì）統硬件，安裝標準V1.26.08軟件包，配（pèi）置伺服（fú）及電機組建測試台。華中HNC-848總線式數（shù）控係統，最多能控製8個通道、64個進給軸；每通道最大（dà）聯動軸數：9軸，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（zì）主開發的現場總線通信NCUC協議及Ether CAT總線協議。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（dìng）位精度0.005 mm，重複（fù）定位0.003 mm。技術方案：為實現上述定位精（jīng）度和重複定位精度要求，針對半閉環的（de）軸（zhóu），電機選用（yòng）高（gāo）精度絕對值分辨率的編碼器（qì）；針（zhēn）對全閉環的軸，選用高分辨率的（de）絕對值（zhí）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，搭建的測（cè）試台Z軸伺服（fú）電機也采用西門子CD碼19位電機。按螺距10 mm計算，係統的控製分辨率能達到0.000 02 mm，本測試編寫G代碼程序按（àn）步距0.000 1 mm走（zǒu），經測（cè）試係統能保證步距0.000 1 mm運行，達到（dào）了技術要求（qiú）的控製定位及重複定位精（jīng）度。測試用的（de）西門子電（diàn）機型號為1FK7063-5AF71-1AG0。按步距0.000 1 mm編寫的G代碼程序如下（xià）所示：

3.2.2 U軸和Z軸實現插補運動

功能描述（shù）：U軸和Z軸實現（xiàn）插補運動，磨削錐孔。技術方案：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（zhóu）插補（bǔ）運（yùn）動，磨削錐孔。測試結果：U軸與Z軸（zhóu）插補功能正常。

編寫程序采用G118移動（dòng）軸同步插補指令，Z軸在振蕩運動過程中，實現U軸與Z軸插補運動，U軸的編程位置通過（guò）G118指令R參數控製，可以實現不同比例的同步插補運動。在（zài）Z軸運行過程中，U軸跟隨Z軸做插補運動。U、Z軸插（chā）補測試程序如下：

3.2.3 切線跟隨功能

功能（néng）描述：X、Y、C軸（zhóu）實現法向跟蹤功能，滿足C軸跟蹤XY曲線（xiàn）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，設置C軸跟隨XY曲（qǔ）線的法向參數，編寫開啟和關閉法向跟隨的PLC邏輯動作，實現C軸（zhóu）跟（gēn）蹤XY曲線的法向要求。切線跟隨功能（néng）在上海航天（tiān）八院149廠的攪拌摩（mó）擦焊機床上已有（yǒu）使用。

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

在數控係統參數設置中設（shè）置（zhì）切線跟隨參數（shù），切線控（kòng）製隨動軸軸號2（Z軸），切線控製偏（piān）移角-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。法向跟蹤測試程序如下：

經測試，改造後的坐標磨床（chuáng）各功能（néng）如雙通道協同運（yùn）動、U軸控製、U軸（zhóu）和Z軸實現插補控製等均滿足實際工作要求。

4 、結語

經對測試台模（mó）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磨（mó）床所需要的技術功能要求（qiú）。國產數控（kòng）係統在機床改（gǎi）造升級中具有良好的效果，這次坐標（biāo）磨床的改造升級（jí），對於推廣應用國產數控係統可以起到示範作用，形成（chéng）自主（zhǔ）可（kě）控（kòng）的國產（chǎn）坐標磨床基礎製造裝備的配套能力，滿足（zú）相關行業（yè）需求。

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