基于开放式数控系统的CKJ6136A车床改造

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      摘要：在分析数控车床改造要求的基础上，描述了伺服电机的选择、参考点的设定与调整、进给传动链误差补偿的方法以及变频调速器、数控系统参数的设置，改造后车床的加工精度满足生产要求。


      关键词：车床；开放式数控系统；数控装置参数


      1. CKJ6136A简介及改造要求


      CKJ6136A数控车床是一台简易型数控车床，配置某公司早期的GSK928数控系统，X 轴、Z 轴采用步进电机驱动，主传动采用异步电机、齿轮变速。由于机床原数控系统频出故障且为已淘汰产品，无法维修，但该机床导轨、丝杠、主轴等精度保持较好，因此具有改造价值。为适应加工时能选择更加合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量的加工要求，主传动要能实现无级变速且具有较宽的调速范围。为保证加工精度和增加伺服驱动能力，X 轴、Z 轴采用交流伺服电机驱动，数控系统选用HNC-21TD开放式数控系统。


      2.电机的选择与安装


      2.1 主轴电机


      主电机的选择采取类比法，经过与同类型数控车床的床身上最大回转直径、主轴转速范围、主电机功率等技术参数比较，结合主传动系统的基本要求，选择GM710三相交流伺服变频电机为主轴电机。GM710电机功率为5.5 kW，额定转速为2500 r/min。该电机结构紧凑，体积小，重量轻，功率密度高；电磁振动小，旋转精度高，恒转矩及恒功率调速范围宽；转子惯性小，响应速度快；气隙均匀，平衡精度高，转矩脉动小；性价比高.


      2.2 进给伺服电机


      X 轴与Z 轴进给电机的选择采用类比和校核计算相结合的方法，即经过与同类型数控车床的X 轴、Z 轴快速进给速度、最小输入单位、重复定位精度、快速空载转矩、切削力矩、快速进给力矩、转动惯量等技术参数比较，初步确定交流伺服电机型号，而后进行转矩校核计算和转动惯量匹配性校核计算，满足要求即可。


      下述为X 轴电机选择流程，用类比法参照同类型数控车床初步选用GK6061交流伺服电机作为X 轴驱动电机（同理，Z 轴选用GK6062交流永磁伺服电机）。


      2.2.1 切削力及丝杠的进给牵引力计算


      依据主传动功率计算法，主切削力为[2]：





车刀受到的车削抗力由拖板传递到导轨上，与进给丝杠的牵引力相平衡。对于综合型导轨，丝杠的进给牵引力为：





      2.2.2 转动惯量匹配校核


      拖板及丝杠等折算到电机轴的等效转动惯量为：












      2.2.4 电机的安装


      更换主轴电机与进给伺服电机后，新电机与机床原有电机的安装尺寸不同，因此均采用过渡连接板的方式来实现电机的固定。


      2.3 主轴脉冲发生器的安装


      脉冲发生器安装在床头箱的后端，并通过一对传动比为1∶1的齿轮与主轴相联，工作时，脉冲发生器与主轴同步旋转，数控装置控制进给伺服电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动。从而保证主轴每转1转，螺纹车刀移动1个导程，同时还保证每次走刀都在工件的同一点切入，使螺纹不乱扣。


      3. 控制系统的参数设置


      3.1 主轴变频装置


      选用日立SJ300 变频器，多数参数保留默认值，部分参数根据需求进行设置。主要参数设置如表1所示。

表1 变频器参数设置表

      3.2 数控装置


      HNC-21TD数控装置通电后经自检进入主控界面，为保证改造后的数控机床能正常运行，必须进行参数优化。进入系统参数设置菜单，对照硬件检查系统参数是否正确，同时按表2所示数据核查设置参数[1]。

表2 HNC-21TD参数设置表

      3.3 PLC参数


      在PLC 程序中机床输入的开关量信号定义为X，即各接口中的I 信号；输出到机床的开关量信号定义为Y，即各接口中的O 信号。将各个接口HNC-21 本地远程I/O 端子板中的I/O（输入/输出）开关量分别定义为系统程序中的X 、Y 变量，需要通过设置硬件配置参数和PMC 系统参数来实现，主要参数如表3所示。

表3 PLC参数设置表

      4. 机电联调


      4.1 参考点的设定与调整


      随滑板一起运动的减速挡块释放参考点开关触头使其由通转为断，机床滑板减速并以设定的速度继续移动，减速可使参考点停留位置准确。采用脉冲编码器上的格栅信号来确定参考点，当减速挡块释放参考点开关触头使其触点状态由断再转为通后，数控系统将等待码盘上的第1个格栅信号，该信号一出现，滑板立刻停止运动，此时的位置是电气原点。数控装置会记忆该点，调整时一般难于做到电气原点与机床参考点位置完全一致，会存有一定误差，实际调整中是通过测量这一误差值，采取对参考点补偿的方法进行校正。


      即滑板到达电气原点后会再移动一个补偿量，从而准确到达机械参考点。数控系统启动后进入主界面，按主菜单F1（参数索引）键→选择F3（坐标轴参数）→选择轴2（Z 轴）→选择“参考点开关偏差”，输入参考点补偿量即可。


      4.2 进给传动误差补偿


      机床长期使用后，进给传动链运动部件会磨损并存在一定间隙，为恢复其加工精度，需进行间隙补偿，即对数控装置内的补偿参数（Z 向参数地址、X 向参数地址）进行重新设定。补偿量的具体测量方法是：使刀架从停留位置向-Z 方向快速移动50 mm，将百分表触头对准滑板的+Z侧，适当压紧触头并调整表针对零；让刀架从当前停留位置再向-Z方向快速移动50 mm，刀架停稳后使其从停留位置向+Z 方向快速移动50 mm，读出此时百分表的数值并记录下来，重复进行5~10次，取算术平均值作为间隙补偿量。X方向间隙补偿量的测定参照进行。


      5. 结束语