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CNC 數控機床改造（zào）技術分析

2020-10-26 來源：河南中鋁裝備有限公司（sī）作者：李念周

摘要：本文（wén）主要敘述 C650 車床（chuáng）采用華中數控 HNC 世紀星係統（tǒng）對其進行改造的方案論述，改造的機械及電氣技術分析，對機械（xiè）部分進行改造的內容及參數；電氣部分改造（zào）思（sī）路。

關鍵詞：CNC 數（shù）控（kòng）改（gǎi）造

CNC 機（jī）床由於切削用量（liàng）大、連續加工發熱量大等因素對加（jiā）工精度有一定影響，切削（xuē）動作自動控製，很難（nán）由人（rén）工進行（háng）調整、補償，設計製造要求比普（pǔ）通切削機床更嚴格，需采取加強剛性、減小熱變形、提高精度等方麵措施。數控技（jì）術是數（shù）字控製（NC，Numerical Control）技術的簡稱，它是一種用數字化的信息（數字、字母和符號）對某一工作過程進行可編程的自動控製技術。數控（kòng）技術是綜（zōng）合機械加工技術、自動化技術、計算機技術、測量技術和（hé）微電子技術而（ér）形成的一（yī）門邊（biān）緣學科。目前（qián）機械製造業的競爭，其實質是（shì）智能製造的競爭（zhēng），衡量一（yī）個國（guó）家的（de）機械發展水平，主要是看其數控機床的普及率。采用華中數控技術，對 C650 車（chē）床等（děng）設備逐步進行了改造，以較小的成（chéng）本實現了機（jī）床的數控要求，既（jì）為節約了資金，又為企（qǐ）業（yè）創造了經濟效益。

1、 C650 車床改造的思路

C650 是一台中（zhōng）型臥式車床，主要完成一些中等工件產（chǎn）品的加工任務（wù）。其最大加工（gōng）直徑 1m。該設備使用中故障（zhàng）率高，維修不方便，且電氣元件參數受環境溫度影響，經常出現季節性故障（zhàng）。為此，我們擬對（duì）該設備進行徹底的電氣及機械大修改造。

首先，機械部分根據原有設備狀況進行部分修理（lǐ）和（hé）改造，保（bǎo）留了床頭箱內的所有變速係統，對溜板箱（xiāng）進行全麵（miàn）改造更換，以保證（zhèng）適應伺服調速係統的需要。並對（duì）床身（shēn）導軌進行加工保證其（qí）精（jīng）度（dù）。

其次，運用全數（shù）字式直（zhí）流調速裝置對花盤主回（huí）路及右刀架進（jìn）給進行改造（zào）；為方便操作，在右刀架上加裝 X 軸和 Y軸（zhóu）兩套數顯裝置；運用“世紀（jì）星”數控係統對左刀架進行改造（zào），其伺服驅動部分選用了某數控集團公司生（shēng）產的 ZSS1係列直（zhí）流伺服調速裝置；邏輯控製部分，選用（yòng）日本三菱的PLC(FX2N-128MR) 取（qǔ）代原機床的交流繼電器控製。

2、 C650 車床改造過程綜述

2.1 機械部分的改造

拆除原有老式的溜板箱，采用簡單調速箱，使其在伺服係統控製（zhì）下能（néng）穩定可靠的執行動作；對大拖板及小拖（tuō）板進行更換，主要是改變其部分位置的尺（chǐ）寸，增加安裝伺服係統、數控顯屏的位置，並保（bǎo）證其平衡度及運行精度；床身導（dǎo）軌麵進行重新（xīn）加工，保證其粗糙度在 Ra1.6 以下，平麵度在±0.01mm 以內並進行表麵淬火，表麵硬度達到 HRC56 以上。拖板與導軌進行充分研（yán）磨，達到完美（měi）配合。

2.2 花盤及右刀（dāo）架直流調速係統的改造

在原有的直流調速控製係（xì）統下，機床的花盤經常出現帶不動負荷現象，生產效率低，而模擬係統（tǒng）的參數調（diào）節又比較困難，且其參（cān）數經常隨季節而變化，需要維修人（rén）員定期檢修和調試。右刀架進給係統的主（zhǔ）要問題在於其低速（sù）不穩定性，當“吃”刀量很小時，轉速表呈明顯抖動。這主要是由於（yú）原（yuán）係統的速度調（diào）節器（qì）的核心元件放（fàng）大器存在阻尼（ní）振蕩造成的，走刀（dāo）係統的不穩定嚴重影（yǐng）響了（le）機床的加工精度，為此，將原來落後的模擬係統改造為目前較為先進的歐陸全數字式直流調速係統。根據 C650 車床主電機及進給電機參數的（de）要求（qiú），選用歐陸 360 係列SSD-360120A 控製花盤傳動（dòng），用 SSD-

36035A 控製走刀（dāo）。在參數設定中，依（yī）據車床的特點，對歐陸（lù）360 進行以下靈（líng）活運用。

（1）合理調整花盤停車時間。車床的花盤反轉是刀（dāo）具的（de）一大（dà）殺手，因此在設（shè）定花盤停車（chē）時間 ( 下降時間 ) 時，要嚴格以花盤無反轉 ( 停車時，花盤朝相反方向回轉 ) 為限度。

（2）增加（jiā）花盤點動的“慢（màn）點”、“快點”功能。車床的工件對刀一直是操（cāo）作工人的（de）難點，以（yǐ）往的花盤點動就隻有一（yī）個速度，靠（kào）電櫃內部的電位器進行設定，往往很（hěn）難兼顧，慢了，花盤轉一圈花費時（shí）間太長；快了，花盤到目標點停不住，造成（chéng）效率低下。為此，在 360 中利用其數字輸入點 C6( 正點 )、C7( 反點 )、C8( 複（fù）位 ) 以（yǐ）及其內部軟（ruǎn）件模塊實現快、慢速點（diǎn）動，速度大小（xiǎo）由操作（zuò）者摁（èn）點動按鈕（niǔ）的時間（jiān）長短決定（dìng）。釋放按（àn）鈕，則花盤速（sù）度歸零。這樣可以做到快速靠近，低速到達。

（3）設定電壓限幅值要考慮電壓波動。

（4）對走刀電機（jī）啟動斜坡進行調整。走刀（dāo）電機啟動之前，首先刹車電磁鐵要吸合，鬆開抱閘，所以走刀電機要考慮電磁線（xiàn）圈的吸合時間，延時一段時間再升速，避免電機因背力而（ér）過（guò）流。

在公司的多項設備改造中，直流調速係統都用到全（quán）數字式直流調速裝置，可靠性還是性（xìng）價比較（jiào）高（gāo），尤其是其液晶顯示的人機操（cāo）作界麵使參數（shù）設置變得簡單易行。360 係列控製器采（cǎi）用標準 Windows 菜單樹形結（jié）構，簡單方便（biàn），容易（yì）讀取和設定傳動參數。顯示出的數值可觀察或改變。在調試之初，首先（xiān）要進行參數設定 (SETUPPARAMETERS)，其中“ 斜坡 ”(RAMPS)、“ 上升 /下（xià）降（jiàng）”(RAISE/LOWER)主（zhǔ）要針對花盤或刀架啟動、停止的過程控製；“輔助輸入（rù） / 輸出”(AUXI/O) 用（yòng）來設定對象的給定；“ 勵磁控製”(FIELDCONTROL) 決定（dìng）了係統的（de）勵磁方式，是內磁場，或是外磁場，以（yǐ）及磁場的限幅大小；“電流環”(CURRENTLOOP)、“速度環”(SPEEDLOOP) 則調節係統的動態特性，例如（rú）穩定性（xìng）、帶負載能力等。以上參數都要根據機床的（de）實際逐一進行設定，當然，360 內部的自整定（dìng）、自調諧功能也可以在調試中帶來很（hěn）大（dà）的便利。

在傳動係統（tǒng）“菜單級”(MENULEVER) 中，有一欄為報警狀態 (ALARMSTATUS)，當係統發生故障時，前麵板上的“正（zhèng）常”發光二極管熄滅，人機接口便會自動顯示報警，並且顯示器將顯示所有報警中的當前（qián）故障（zhàng），以便（biàn）維修人員（yuán）進行診斷和處理。常見的故（gù）障報警有 :OVERSPEEDLEVER( 超速報（bào）警 )、SPEEDFBKALARM( 速反報（bào）警 )、FIELDFALL( 勵磁故障 ) 等，由此（cǐ），可（kě）以方便地查找故障。

2.3 車（chē）床左刀架的數控改造

對於左刀架的數（shù）控改造，首先是（shì）基於左側（cè）刀架傳（chuán）動機構的改造。原有的傳動機構是由 1 台直流電機控製走刀（dāo），一台交流電機控製（zhì）快（kuài）送，刀架運動方向由十字開關控製進刀箱內的電磁閥（fá）決（jué）定；現在的傳動機構則由 2 台伺服電機分別帶動光杆和絲杆，各自控製一個方向，這樣兩軸聯動，從而走出型線。伺服電機（jī）與傳動軸之間通過 4:1 的齒輪箱進行減速。伺服電機型號為 S-CZK250，額定轉矩 75N·m，最高轉速 1000r/min。伺服電機尾部安裝 1 台測速發電機和（hé） 1 台編碼器（qì） (LEC-200BM-G05P)，分別（bié）作速度環（huán）和位置環的反饋（kuì）。HNC-21 係列數控裝置（zhì）采用開放式體係結構（gòu），內置嵌（qiàn）入式工業PC 機、高性能 CPU，配（pèi）置觸摸屏，集成進給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內嵌式 PLC 接口、遠程 I/O 接（jiē）口於一體（tǐ）。

(1)4 軸聯動。

(2) 可（kě）選配各種類型的（de）脈衝式、模擬式交流（liú）伺服驅動器或步進電機驅動器以及 HSV-11 係列（liè）串（chuàn）行式伺服單元。

(3) 配置（zhì）標準機床工程麵（miàn）板，不占用 PLC 的輸入 / 輸出接口。

(4) 配置 40 路輸入接口和 32 路功率放大光電隔離開關量輸出接口、手持（chí）單元接口、模擬主軸控製接口與編碼器接口，以及遠（yuǎn）程 I/O 板擴展接（jiē）口。

(5) 采用 10 英寸觸摸器，全漢字操作界麵，具有故障診斷與報警設置，多種圖形加工軌跡顯（xiǎn）示和仿真功能。

(6) 采用國際標準 G 代碼編程，與各種流行的 CAD/CAM自（zì）動編程係統兼容，具有直線、圓弧、螺（luó）旋線插補，固定循環、旋轉、縮放、鏡（jìng）像、刀具（jù）補償、宏程（chéng）序等功能。

(7) 加工斷（duàn）點保存恢複功能，為用戶安全、方便使用提供保證。

“世紀星”數（shù）控係統（tǒng）是開放式的數控係統軟件平台，適宜二次開發，能靈活地組配不同類型（xíng）的（de）數控係統和擴充係統（tǒng）的功能（néng），因此這種結構具有良好的開放性和可維護性。其中，“編輯程序”可以由工藝人員或操作（zuò）者在該界麵內對加工圖形進行編程，亦可由 USB 接口直接導入入經 CAD/CAM 編製的加工（gōng）程序；“參數設置”用來（lái）對係統參數、通道參數、坐標軸參數、軸補償值參數、硬件配置參數、PMC 係統參數、PMC用戶參數、外部報（bào）警參數等進（jìn）行設置，在修改（gǎi）或設置（zhì）參數之前（qián），必須輸入（rù）修改權限密碼，否則無法更改；“PLC 管（guǎn）理”是針對“世紀星”的內嵌式 PLC，其標準的 PLC 應用程序和（hé）配套的（de） PMC 用戶參數文件基本上可以滿足用戶的絕大部分需要。由於車床身較大，在數控裝置的（de）連接過程中，要特別注（zhù）意盡量減少信號的衰減，信號線全部采用屏蔽線，兩頭用電烙鐵焊牢，中間不要有過渡。

3 、 C650 車床改造的使用效果

C650 車床改造後，帶負載能力明顯增強，加工精度（dù）也大為提高（gāo），並通過數控改造（zào），使（shǐ）這（zhè）台車床（chuáng）順利完成了球麵、橢圓麵等外環型線的加工任務，滿足了生產需（xū）要，基本上達到（dào）了改（gǎi）造的預（yù）期目標.

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