基于開放式數控系統的CKJ6136A車床改造
2017-1-3 來源：廣州番禺職業技術學院機電學院 作者：竇凱 朱洪雷 鐘飛龍 廖傳輝曹甜學侯文峰
摘要：在分析數控車床改造要求的基礎上，描述了伺服電機的選擇、參考點的設定與調整、進給傳動鏈誤差補償的方法以及變頻調速器、數控系統參數的設置，改造后車床的加工精度滿足生產要求。
關鍵詞：車床；開放式數控系統；數控裝置參數
1. CKJ6136A簡介及改造要求
CKJ6136A數控車床是一臺簡易型數控車床，配置某公司早期的GSK928數控系統，X 軸、Z 軸采用步進電機驅動，主傳動采用異步電機、齒輪變速。由于機床原數控系統頻出故障且為已淘汰產品，無法維修，但該機床導軌、絲杠、主軸等精度保持較好，因此具有改造價值。為適應加工時能選擇更加合理的切削用量，從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量的加工要求，主傳動要能實現無級變速且具有較寬的調速范圍。為保證加工精度和增加伺服驅動能力，X 軸、Z 軸采用交流伺服電機驅動，數控系統選用HNC-21TD開放式數控系統。
2.電機的選擇與安裝
2.1 主軸電機
主電機的選擇采取類比法，經過與同類型數控車床的床身上最大回轉直徑、主軸轉速范圍、主電機功率等技術參數比較，結合主傳動系統的基本要求，選擇GM710三相交流伺服變頻電機為主軸電機。GM710電機功率為5.5 kW，額定轉速為2500 r/min。該電機結構緊湊，體積小，重量輕，功率密度高；電磁振動小，旋轉精度高，恒轉矩及恒功率調速范圍寬；轉子慣性小，響應速度快；氣隙均勻，平衡精度高，轉矩脈動小；性價比高.
2.2 進給伺服電機
X 軸與Z 軸進給電機的選擇采用類比和校核計算相結合的方法，即經過與同類型數控車床的X 軸、Z 軸快速進給速度、最小輸入單位、重復定位精度、快速空載轉矩、切削力矩、快速進給力矩、轉動慣量等技術參數比較，初步確定交流伺服電機型號，而后進行轉矩校核計算和轉動慣量匹配性校核計算，滿足要求即可。
下述為X 軸電機選擇流程，用類比法參照同類型數控車床初步選用GK6061交流伺服電機作為X 軸驅動電機（同理，Z 軸選用GK6062交流永磁伺服電機）。
2.2.1 切削力及絲杠的進給牽引力計算
依據主傳動功率計算法，主切削力為[2]：
車刀受到的車削抗力由拖板傳遞到導軌上，與進給絲杠的牽引力相平衡。對于綜合型導軌，絲杠的進給牽引力為：
2.2.2 轉動慣量匹配校核
拖板及絲杠等折算到電機軸的等效轉動慣量為：
2.2.4 電機的安裝
更換主軸電機與進給伺服電機后，新電機與機床原有電機的安裝尺寸不同，因此均采用過渡連接板的方式來實現電機的固定。
2.3 主軸脈沖發生器的安裝
脈沖發生器安裝在床頭箱的后端，并通過一對傳動比為1∶1的齒輪與主軸相聯，工作時，脈沖發生器與主軸同步旋轉，數控裝置控制進給伺服電機準確地配合主軸的旋轉而產生進給運動。從而保證主軸每轉1轉，螺紋車刀移動1個導程，同時還保證每次走刀都在工件的同一點切入，使螺紋不亂扣。
3. 控制系統的參數設置
3.1 主軸變頻裝置
選用日立SJ300 變頻器，多數參數保留默認值，部分參數根據需求進行設置。主要參數設置如表1所示。
表1 變頻器參數設置表
3.2 數控裝置
HNC-21TD數控裝置通電后經自檢進入主控界面，為保證改造后的數控機床能正常運行，必須進行參數優化。進入系統參數設置菜單，對照硬件檢查系統參數是否正確，同時按表2所示數據核查設置參數[1]。
表2 HNC-21TD參數設置表
3.3 PLC參數
在PLC 程序中機床輸入的開關量信號定義為X，即各接口中的I 信號；輸出到機床的開關量信號定義為Y，即各接口中的O 信號。將各個接口HNC-21 本地遠程I/O 端子板中的I/O（輸入/輸出）開關量分別定義為系統程序中的X 、Y 變量，需要通過設置硬件配置參數和PMC 系統參數來實現，主要參數如表3所示。
表3 PLC參數設置表
4. 機電聯調
4.1 參考點的設定與調整
隨滑板一起運動的減速擋塊釋放參考點開關觸頭使其由通轉為斷，機床滑板減速并以設定的速度繼續移動，減速可使參考點停留位置準確。采用脈沖編碼器上的格柵信號來確定參考點，當減速擋塊釋放參考點開關觸頭使其觸點狀態由斷再轉為通后，數控系統將等待碼盤上的第1個格柵信號，該信號一出現，滑板立刻停止運動，此時的位置是電氣原點。數控裝置會記憶該點，調整時一般難于做到電氣原點與機床參考點位置完全一致，會存有一定誤差，實際調整中是通過測量這一誤差值，采取對參考點補償的方法進行校正。
即滑板到達電氣原點后會再移動一個補償量，從而準確到達機械參考點。數控系統啟動后進入主界面，按主菜單F1（參數索引）鍵→選擇F3（坐標軸參數）→選擇軸2（Z 軸）→選擇“參考點開關偏差”，輸入參考點補償量即可。
4.2 進給傳動誤差補償
機床長期使用后，進給傳動鏈運動部件會磨損并存在一定間隙，為恢復其加工精度，需進行間隙補償，即對數控裝置內的補償參數（Z 向參數地址、X 向參數地址）進行重新設定。補償量的具體測量方法是：使刀架從停留位置向-Z 方向快速移動50 mm，將百分表觸頭對準滑板的+Z側，適當壓緊觸頭并調整表針對零；讓刀架從當前停留位置再向-Z方向快速移動50 mm，刀架停穩后使其從停留位置向+Z 方向快速移動50 mm，讀出此時百分表的數值并記錄下來，重復進行5~10次，取算術平均值作為間隙補償量。X方向間隙補償量的測定參照進行。
5. 結束語
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