電氣化設計在數控機床參數調試與日常維修（xiū）中的應用（yòng）
2020-12-21 來源：中國航發貴州黎陽航空發動機有限公司 作者：崔紅利，吳（wú）玉舫
摘要：使用基於微矩陣參數調試方（fāng）式，缺少對實際機床精度參數考慮，導致（zhì）參數調試結果並不精準。為了改善該情況，提（tí）出了電（diàn）氣化設計在（zài）數控機床參數調試與日常維（wéi）修中的應用。根據不同的控製要求設定CNC參數，確定主軸轉（zhuǎn）速（sù）和程序指令轉速之間零偏移和增益偏移誤差（chà），通過調整該誤差，維護CNC。把數控CNC輸入的仿真量轉化為用於主軸電機上的的實（shí）際轉速，以使得主軸（zhóu）的實際輸出速（sù）度可以保持與數控仿真（zhēn）量（liàng）相同，維護變頻器。觀察刀（dāo）具庫和刀架的碰撞，確定（dìng）角度偏差，調整位置編碼器方向停止位置和偏移方向停止位置，使其恢複到（dào）原來位置，維護主軸。通過修改（gǎi）No.1850（網格偏重）減速塊位置參數，維護機床。描述數控機（jī）床典型體及其相鄰低序幾何，確定坐標係中（zhōng）位置姿態，對於數控機床中參數調試誤差研究可以轉化為坐標（biāo）係行為研究，由（yóu）此修正參（cān）數調試誤差（chà）。由實驗結果可知，電氣化設計方法在靜態工作模式下，參數調試方式主軸（zhóu）工作電流與實際電流一致，實際位置跟蹤誤差為0A；在動態工作（zuò）模式下，轉（zhuǎn）速與實際轉速一致，實際（jì）位置跟蹤誤差為0轉/分，為數控機床（chuáng）穩定運行奠定（dìng）基礎。
關鍵詞（cí）：電氣化設計；數控機床；參數調試；日常維修
0、引言
人（rén）們對機械產品的（de）需求日益增長，要求也日益提高。常規（guī）加工設備已不適應這種發展需要，因此，數（shù）控機床的出現勢在必行。以往使用基於微矩陣（zhèn）參數（shù）調試方式（shì），需要計算每一參數（shù）的靈敏度，但（dàn）由於未考慮各種參數，如備（bèi）用電（diàn）池出現故障，數控係統操作員誤操作，電網瞬間斷電，造成部分參數丟失或變化，影響機（jī）床正常工作，導致實際機床參數調試結果不準確，影響了數控機（jī）床的加工精度。如果用戶能夠充分了解參數意義，將為故障診斷帶來極大便利，通過機（jī）器電（diàn）子控製係統實（shí）現對機床作業的模擬，為了使操作人（rén）員的工作效率變（biàn）得更加高效，盡心了數字化技術的結合。
CNC機床是一種結（jié）合了電、氣、機於一體的一體化機器（qì），其最為重要的組成部分是電控係統，一旦電（diàn）力係統出現任何的問題，機床的工作都會受（shòu）到影響，無法正常工作。因此在進行對數控機床的日常（cháng）調試和維護時，機器電子控製係統模擬機床的（de）工作過程，並結合數字技術來提高操（cāo）作者的工作效率。電控係統是保證CNC機床自（zì）動化運行的核心部分，一旦出現故障，將影響CNC機床的正常工作。因此在（zài）數控機床參數調試（shì）和日常維護中，電氣化設計十分必要。
1 、基於電（diàn）氣化設計數控機床參數調試與維護
數控機床參數調試主要包括主軸相關參數和信號調節結果，這對變頻器自（zì）身參數調試來說具有重要意義。通過調試（shì），確保數控機床能按要求發出（chū）正（zhèng）確的（de）模擬電壓信號，驅動主軸經（jīng）過變頻調速後能正（zhèng）常工作。
1.1 CNC參數調試與維護
在整個參數調控（kòng）過程（chéng）中，CNC參數是按照所（suǒ）需進行設定的，同時需要在（zài）主軸轉速上顯示控製的結果，保證參數與主軸轉速輸出結果一一對應。以數控車床主軸電氣設計（jì）為例，進行了仿真分析，設置轉速命令輸（shū）出（chū）限值（模擬量）為（wéi）10V，主軸檔位1～3對應的最高（gāo）轉速（sù）分別是1500r/min，3000r/min，4500r/min，在數控機床上設定（dìng）的主軸參數如表1所示。
在采用模（mó）擬輸（shū）出主軸的情況下，由於溫度和元件特性的變化（huà），實際主軸轉速和程序指令轉速之間可能存在較大誤差。當係統無編程工作時，CNC參數為輸出模擬量，此時電壓為0V。在完成表1中的（de）參數設置後，可以通過參數#1～#6進行調整。以下是調整的方法和步驟：Step1：測量CNC輸出的模擬電壓，輸入M03S0指令，用萬（wàn）用表測量逆變器兩端電壓值為-0.20V；Step2：輸入M03S4000指令，測得兩端電壓值為10V，記錄數據如表2所示。
Step3：輸入數字#1～#6，使該數（shù）字（zì）生效，並驗證該數字輸（shū）出的模擬電壓；Step4：重（chóng）複測試1的操作，分別測量速度為（wéi）0和最高速度的模擬電（diàn）壓（yā），完成參數調整。
1.2 變（biàn）頻（pín）器參（cān）數調試與維護
在調試變頻器參數時，主（zhǔ）軸（zhóu）電機的所需要的實際轉速是通過對CNC輸入（rù）的模擬量進行轉換得到的，變頻器參數（shù）調整如表3所（suǒ）示。
結合表3變頻器（qì）參數調整結果（guǒ），需要設定係統運行速度與電流，保證（zhèng）主軸實際輸出結果與數控模擬結果一致。
1.3 主軸參數（shù）調試與維（wéi）護
機器刀庫為滾筒刀庫，不需（xū）要機械手來換刀。一（yī）般（bān）工具更換過程如下：當機（jī）床收到工具更換指令後，主軸升至工具更（gèng）換（huàn）位置並停止時，“工具更換”程序就會從缸軸向前，並將（jiāng）空鼓的工具（jù）位置插入（rù）主軸工具箱。在把（bǎ）手凹槽處，用（yòng）夾緊彈簧夾（jiá）住滾筒，主軸工具自動夾緊釋放機構，鬆開切（qiē）削刀，主軸（zhóu）上移，完成（chéng）切削刀的提取過程；畫好切削刀，旋轉選（xuǎn）擇工具[4]。對刀庫和刀架進行
了碰撞實驗，結果表明，位於刀架上的軸鍵槽和刀架的關鍵部分並不在一（yī）個位置，而且具有一定的角度偏差，從而引起碰撞。刀架上的鍵是和主軸的中心在一個水平線上。由此可以推論，刀架的鍵槽之所以沒有匹配刀（dāo）架的關鍵位置，是因為主軸的停止位置不在其原本（běn）應在的正常位置上，主心軸尚（shàng）未拆（chāi）開。因（yīn）此，對於主（zhǔ）軸維護（hù），需要調整（zhěng）主軸的定位位置，使其回到正（zhèng）常的位（wèi）置。因為方向位置是（shì）通過對4031號和4077號兩個任（rèn）何參數進行調整來恢（huī）複到之前原本的準確位置（zhì），也就是可以排除由於更換機床刀具引起的故（gù）障。
1.4 機床參數調整與維護
在（zài）CNC數控機床進行減速擋塊的調整時，偶爾會有回零的位置不一樣的情況。通過觀察發現，機床減速在進行（háng）參考點返回的時候，出現了一次結果為零的製動（dòng）過程，但是這往往會導致製動的位置或前或後的（de）出現一個螺距（jù）的位移，這也是機床位置編（biān）碼器發展（zhǎn）上的一次改革創新，這可（kě）能是因為柵格信號產生的減速信（xìn）號（hào）離開（kāi）開關太近所造成（chéng）的。因（yīn）為傳送錯誤等原因，柵格信（xìn）號正好漏掉了，必須等待下一個（gè）信號到達（dá）才能停止，這樣就會使停止（zhǐ）位置或前或後出現一個絲杠螺（luó）距的移動。這樣，可通（tōng）過修改No.1850（網格偏重）減速塊的位置或修改信號參數，使網格信（xìn）號產生時間從減速信號（hào）關閉到啟動時間，從而（ér）避免了這一問題出現。
2 、參數調試誤差修正
在參（cān）數調試方麵，除了用戶感覺到的是否達到精度要求外，還需通過模擬處理、誤差分析了（le）解使（shǐ）用數控機（jī）床調試電氣設計參（cān）數，以及數控機床主軸加工方向，對於參數均優和參數（shù）不優兩種情況，需對數控機床主軸加工方向展開分析，如圖1所（suǒ）示。
深入研究分析由Z字中選取“\”的筆畫，通過加工方（fāng）向圖可發現，X/Y在軸速度為正（zhèng）的時（shí）候接（jiē）收到了同步信號，然而實際模式則是出現（xiàn）在X軸（zhóu）方（fāng）向的（de）反應比較慢， 而出（chū）現在Y軸方向的反應卻是正常的，這也就使得開（kāi）始點與結束點都變成了拋物線形狀的斜（xié）線。由此可知，確定出口標誌的斜線段起點X軸的實際產生的位移值一（yī）直比出口標誌的斜線段低主要原因，所以需要通過增加X軸的度。
參調主（zhǔ）軸參數誤（wù）差分析時的主要工作是進行確認圓周半徑和（hé）角度誤差的精度是否在所需的範圍內，如果半徑誤差（chà）超過了所要求的精度範圍時，則需要增加X/Y軸伺服係統的剛度；如果角誤（wù）差超過精度要求範圍的時候，則需要對主刀的升刀（dāo）延遲時（shí）間和刀降的推進時間進行增加，該過程是通過（guò）插補控製器完成（chéng）的，進而使伺服（fú）係統位置跟（gēn）蹤精準（zhǔn）度得到一定的（de）提升。設數控機（jī）床典型體Bk
及其相鄰低序Bj，如圖2所（suǒ）示
描述了位置姿態變換關係（xì），即為相鄰體變換矩陣，對於數（shù）控（kòng）機床中參數調試誤差研究可以轉化為坐標係行為研究（jiū）。
在四個象限內分析軸心運動的輪廓誤差，如果存在（zài）於同一個象限上（shàng）同一（yī）起點的半（bàn）徑誤差和半徑誤差完（wán）全一致，而且半徑誤差在兩個不同（tóng）的象限內，那麽X/Y軸的PID參數值保持不變，主軸運（yùn）動輪廓如（rú）圖3所（suǒ）示。
從圖3可以得知，當半徑誤差同時滿足在第（dì）二象限而且在第一象限的起（qǐ）始點相同時，如果兩象限和半（bàn）徑誤差大於精度要求，X/Y軸的位置跟蹤性能應該進行一（yī）定的改善；如果第一象限和半徑誤差高於精度要求（qiú），那麽X/Y軸的（de）位置跟蹤性能需要進行一定程度上的完善；也（yě）可以根（gēn）據圓口（kǒu）曲線是內、外的圓口曲線還是外的圓口曲線，判斷軸（zhóu）伺服係統的（de）軟化（huà）特性，結合圖（tú）3中的輪廓輪廓可以（yǐ）看出，X軸的動態性能不良會出現一些偏（piān）差，但通過對上述內容進行（háng）修正，可以完成參數修正。
3 、實驗
針對電氣化設計在數控機床參數調試與日常（cháng）維修中的應用合理（lǐ）性，展開分析。
3.1 模擬主軸係統組成
數控係統模擬主軸控製係統電氣化原理圖如圖4 所示。
由圖4可（kě）以得出（chū），CNC數控（kòng）係統的JA40接口（kǒu）輸出電壓為0～15V的模擬電壓，E700變頻器上的兩個Q1、Q2子端接收模擬電壓信號，該模擬信號是通過JA40接口輸出的，由JD1A接（jiē）口輸出的轉向信號（hào）則由子端接（jiē）收，JA7A接入（rù）由主軸編碼器反饋得到的信（xìn）號。
3.2 數控（kòng）機床性能調試
對於數控機床性能調試，分別從靜態工作模式和動態工作模（mó）式兩個方麵展開。
3.2.1 靜態（tài）工（gōng）作模式
當數控機床在靜（jìng）態工作（zuò）模式下，主軸工作電流和位置跟蹤誤（wù）差如圖5所示。
由圖5可知，4個特征點下主軸工作電流分別為（wéi）1.1A、0.3A、0.25A、0.2A，針對這4個（gè）特征（zhēng）點的位置跟（gēn）蹤誤差電（diàn）流分別為（wéi）0A、0.8 A、0.85 A、0.2A。基於該內容，分別使用基於微矩陣參數調試方式（shì）和電氣化（huà）設計參數調試方式對該工作（zuò）模（mó）式下的實（shí）際主軸工作電流（liú）和位置跟蹤誤差展開分析，結果如表4所示。
由表4可知，使用基於微矩陣參數調試方式主軸工作電流與實際（jì）電流（liú）相差較大，其中實際（jì）位置跟蹤誤差最大為0.5A，而使用電氣化設計參數調試方式主軸工作電流與實際電流一致，實（shí）際位置跟蹤誤差為0A，由此說明，當數控機床在靜態工作模式下，電氣化設計參數調試方式合理。
3.2.2 動態工作模式
當數（shù）控機床在靜態工作模式下，實際轉速和位置（zhì）跟蹤誤差如（rú）圖6所（suǒ）示。
由圖6可知，5個特征點下實際轉速（sù）分別為700轉/分、750轉/分、740轉（zhuǎn）/分、680轉/分（fèn）、680轉/分，針（zhēn）對這5個特征點的位置（zhì）跟蹤誤差轉（zhuǎn）速均為（wéi）0轉/分。基於該內容，分（fèn）別使用基於微矩陣參數調試方式和（hé）電氣化（huà）設計參數調試方式對該工作模式下的實際（jì）轉速（sù）和位置跟蹤誤差展開分析，結果如表5所示。
由表5可知，使用基於微矩陣參數調試方（fāng）式轉速與實際轉速存在一定偏差（chà），其中實際位置跟蹤誤差最大為70轉/分（fèn），而使用電氣化設計參數調試（shì）方式（shì）轉速與實際轉速一致，實際位置跟蹤誤差為
0轉/分，由此說明，當數控機床在動態工作模式下，電氣化設計參數調試（shì）方式合理。
4 、結語
主軸控製係統的調試是數控機床調試的重點，若輸入的（de）指令和主軸的實際轉速不符（fú），且在進行零件（jiàn）加的時候誤差較（jiào）大，就需要對主軸進行調試。因為電（diàn）氣化設計在進行參數調試的時（shí）候主要側重於對主軸（zhóu）主軸控製係（xì）統（tǒng）的硬件組成（chéng）進行模擬和調試，缺乏分（fèn）析了解（jiě）數控機床（chuáng）軟（ruǎn）件的功能部分，所以今後可以在調試過程中總結和積累更加豐富的經驗，進而完善和提高在調試和（hé）維修方麵的技（jì）能。
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