美國 HAAS 機床國產化數控系統(tǒng)的改造
2018-9-28 來源：中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限責任公司 作者：劉天冬，李 林，白云鵬
[ 摘要 ] 美國 HAAS 公司的 VF-7 數控銑床原配置 HAAS 數控系統(tǒng)，改造為沈陽高精 GJ401 國產數控系統(tǒng)。文中介紹了電氣系統(tǒng)改造方案、沈陽高精 GJS 系列伺服器的調整和伺服參數的優(yōu)化方法。
關鍵詞：沈陽高精 GJ401 數控系統(tǒng)；GJS-015 系列伺服；GJM 系列伺服電機
國內數控機床的數控系統(tǒng)大部分配置進口系統(tǒng)。隨著中國經濟的高速發(fā)展，國內數控機床產業(yè)有了快速提升，國產化數控系統(tǒng)逐漸形成規(guī)模。國產數控系統(tǒng)在功能性、穩(wěn)定性等方面都有了大幅的提高，與進口數控系統(tǒng)差距逐漸縮小，基本可以滿足國內用戶的需求。
美國 HAAS 廠家的 VF-7 數控銑床原配置是美國HAAS 系統(tǒng)。十多年的使用造成了系統(tǒng)嚴重老化、故障率高、機床備件已經停產、維修困難等問題。但是，機床的機械部件和附屬部件依然完好，可以繼續(xù)使用。為了滿足生產需要，對美國 VF-7 數控銑床進行數控系統(tǒng)國產化改造，選擇沈陽高精數控有限公司的 GJ401 數控系統(tǒng)為電氣控制系統(tǒng)。
1 、 數控系統(tǒng)改造的方案
國產化數控系統(tǒng)選用沈陽高精自主研發(fā)的 GJ401數控系統(tǒng)， GJS 系列 A 型 S3 總線伺服，GJM 系列伺服電機（X,Y,Z 軸的額定回轉速度為 2000r/min，為防止 Z軸自重下滑，Z 軸電機具有制動器實現(xiàn)斷電后的抱閘制動）。主軸驅動采用蒙德 IMS-MF 系列交流伺服主軸驅動器，主軸最高轉速為 4900r/min。機械啟動撥叉換擋，低檔為 50~1000r/min，高檔為 1001~4500r/min。
沈陽高精 GJ401 國產數控系統(tǒng)采用先進的開放式體系結構，是一款通用性強、配置靈活的中高檔數控系統(tǒng)。可連接數字式、模擬量兩種類型的伺服驅動器，最多可支持 10 軸，它內置嵌入式工業(yè) CPU 板卡，配置 12 吋彩色液晶顯示屏和標準機床工程面板，集成軸控制接口，MPG 手持操作單元 I/O 接口，工業(yè)以太網SSBIII 總線接口、網絡接口和 USB 接口及總線功能擴展機箱單元，具有模塊化、開放、靈活的系統(tǒng)結構。沈陽高精 GJ401 數控系統(tǒng)的操作界面清晰明了，操作簡單易于上手。編程語言按照國際通用標準進行設計，具有高性能、高可靠性及配置靈活、結構緊湊、易操作等特點。
美國 HAAS 數控系統(tǒng)的 VF-7 數控銑床改造，選用沈陽高精 GJ-401 顯示終端，沈陽高精 CNC 機箱，蒙德主軸變頻器，LINCOLN 電機（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 系列伺服，3 個 GJM 系列伺服電機，3 個變壓器，6 個斷路器，10 個交流接觸器等多個元器件。改造時對原機床電氣控制柜重新設計，電源進線的尺寸選擇 6~10mm2，控制電線選用 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書指示，在電氣柜中留出充足的散熱空間。電氣控制如圖 1 所示。
圖1 電氣控制框圖
2 、沈陽高精 GJ401 系列數控系統(tǒng)伺服參數的調整與優(yōu)化
伺服控制分為 3 個環(huán)節(jié)：電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。最內環(huán)為電流環(huán)，直接控制電機的力矩輸出和速度輸出。其次為速度環(huán)，根據速度指令控制電機速度。最后為位置環(huán)，控制電機的實際位置。伺服響應的優(yōu)先級：電流環(huán)＞速度環(huán)＞位置環(huán)。沈陽高精 GJ401 系列數控系統(tǒng)的伺服控制，如圖 2 所示。
圖2 伺服控制框圖
（1）電流環(huán)的優(yōu)化：電流環(huán)是比例積分調節(jié)器組成的，VF-7 數控銑床改造使用沈陽高精數控配套的伺服和電機，因而系統(tǒng)在組態(tài)電動機時給出比較好的優(yōu)化參數，一般不需要進行手動優(yōu)化。
（2）速度環(huán)的優(yōu)化：沈陽高精數控 GJS-015 系列伺服的速度控制模式是通過模擬量的輸入頻率作為指令速度的控制。速度環(huán)的參數調節(jié)在 GJS-015 伺服上實行，速度環(huán)控制器采用比例積分 (PI) 控制 , 主要就是對速度控制器的比例增益（Pn5）盡可能的大，這樣可以提高機床的響應速度和跟蹤精度，希望積分時間常數（Pn6）盡可能的小，這樣可以提高機床抗擾動能力。速度環(huán)的參數調整需要在GJS-015 系列伺服的數字操作器完成。數字操控器位于伺服主機，可顯示狀態(tài)、輸入數據。在數字操作器上有 MODE、INC、DEC、SET 4 個鍵。在按下 MODE 鍵后，可選擇狀態(tài)顯示模式、監(jiān)視模式、參數設定模式。選擇 SET 鍵可以顯示伺服的參數設定值，通過選擇 INC（+）鍵和 DEC(-) 鍵對伺服參數進行調整。速度環(huán)比例增益數值越大，增益和響應速度大。速度環(huán)積分增益值大，速度誤差積分和速度剛度大。要根據電機的特性及機械系統(tǒng)的剛性要求按比例成對適當調整，否則電機會有噪音、震動等問題。以 X軸為例，參數使用出廠值 300 時， X 軸電機在運行時出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。當把 Pn5 改為 350，Pn6 改為 190 時，X 軸電機出現(xiàn)很大噪音，發(fā)生震動現(xiàn)象。經過多次嘗試較為理想的狀態(tài)參數是 Pn5 為 323，Pn6 為 215 如表 1所示。
表1 沈陽高精GJ401數控系統(tǒng)部分參數的調整與電機參數配置表
（3）位置環(huán)的優(yōu)化：速度環(huán)優(yōu)化后進行位置環(huán)的參數優(yōu)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，跟隨效果越差。該值越大，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，根據數控銑床的機械特性合理調節(jié)。以 X 軸為例，X 軸伺服器的 Pn15 設為 720 時，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。通過多此嘗試將 Pn15 值設置為 742 時，X 軸工作狀態(tài)較為理想。
3 、 蒙德主軸變頻器調節(jié)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、提供的各項輔助功能及后續(xù)備件的通用性和經濟性等多方面因素，選定使用蒙德 IMS-MF 系列交流伺服主軸驅動器。該變頻器適用 VF-7 機床的 7.5k W 的林肯（LINCOLN）牌主軸電機，額定輸出功率 10k VA，額定輸出電流 30A，變頻范圍：0.01~400Hz，輸入電壓 380V，具有自學習模式、轉矩補償、節(jié)能控制、過熱保護、失速保護、過載保護等多項功能，該變頻器能夠提高主軸電機的運轉精度和所需的各種功能。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數字操作器位于小型操作面板上，可以顯示狀態(tài)、輸入數據。在數字操作器上有按鍵和指示燈。L1、L2 和 L3 3 個燈為監(jiān)視燈，F(xiàn)WD 燈亮顯示主軸正轉，REV 燈亮顯示主軸反轉。通過按MENU 鍵就可以進入菜單選擇，有顯示模式，監(jiān)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( ▼ ) 鍵對伺服參數進行調整，如表 2所示。
圖3 蒙德主軸變頻器電氣接線圖
表2 蒙德主軸變頻器部分參數的調整
經過調整主軸變頻器參數后，主軸沒有噪音和震動，可以正常平穩(wěn)的旋轉。VF-7 銑床數控系統(tǒng)改造后，使用激光干涉儀進行測量和補償后，定位精度和重復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；各位置值的總偏差不超過±0.03 mm ；主軸徑向跳動不超過 ±0.02mm，完全符合三坐標機床驗收的試切標準。
4 、 結論
美國 HAAS 廠家 VF-7 數控銑床控制系統(tǒng)改造為沈陽高精 GJ401 數控系統(tǒng)，經過伺服參數調整后，數控銑床運行穩(wěn)定可靠，有效提高了加工效率。數控機床的質量和生產效率與電氣控制能力及控制系統(tǒng)的形式密切相關。通過此次改造和研究，熟悉了沈陽高精 GJ401數控系統(tǒng)伺服參數的調整，對國產化數控系統(tǒng)的改造具一定的實踐指導意義。
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