CNC 數控機床改造技術分析
2020-10-26 來源： 河南中鋁裝備有限公司 作者：李念周
摘要：本文主要敘述 C650 車床采用華中數控 HNC 世紀星系統對其進行改造的方案論述，改造的機械及電氣技術分析，對機械部分進行改造的內容及參數；電氣部分改造思路。
關鍵詞：CNC 數控改造
CNC 機床由于切削用量大、連續加工發熱量大等因素對加工精度有一定影響，切削動作自動控制，很難由人工進行調整、補償，設計制造要求比普通切削機床更嚴格，需采取加強剛性、減小熱變形、提高精度等方面措施。數控技術是數字控制（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制技術。數控技術是綜合機械加工技術、自動化技術、計算機技術、測量技術和微電子技術而形成的一門邊緣學科。目前機械制造業的競爭，其實質是智能制造的競爭，衡量一個國家的機械發展水平，主要是看其數控機床的普及率。采用華中數控技術，對 C650 車床等設備逐步進行了改造，以較小的成本實現了機床的數控要求，既為節約了資金，又為企業創造了經濟效益。
1、 C650 車床改造的思路
C650 是一臺中型臥式車床，主要完成一些中等工件產品的加工任務。其最大加工直徑 1m。該設備使用中故障率高，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。為此，我們擬對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和改造，保留了床頭箱內的所有變速系統，對溜板箱進行全面改造更換，以保證適應伺服調速系統的需要。并對床身導軌進行加工保證其精度。
其次，運用全數字式直流調速裝置對花盤主回路及右刀架進給進行改造；為方便操作，在右刀架上加裝 X 軸和 Y軸兩套數顯裝置；運用“世紀星”數控系統對左刀架進行改造，其伺服驅動部分選用了某數控集團公司生產的 ZSS1系列直流伺服調速裝置；邏輯控制部分，選用日本三菱的PLC(FX2N-128MR) 取代原機床的交流繼電器控制。
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，使其在伺服系統控制下能穩定可靠的執行動作；對大拖板及小拖板進行更換，主要是改變其部分位置的尺寸，增加安裝伺服系統、數控顯屏的位置，并保證其平衡度及運行精度；床身導軌面進行重新加工，保證其粗糙度在 Ra1.6 以下，平面度在±0.01mm 以內并進行表面淬火，表面硬度達到 HRC56 以上。拖板與導軌進行充分研磨，達到完美配合。
2.2 花盤及右刀架直流調速系統的改造
在原有的直流調速控制系統下，機床的花盤經常出現帶不動負荷現象，生產效率低，而模擬系統的參數調節又比較困難，且其參數經常隨季節而變化，需要維修人員定期檢修和調試。右刀架進給系統的主要問題在于其低速不穩定性，當“吃”刀量很小時，轉速表呈明顯抖動。這主要是由于原系統的速度調節器的核心元件放大器存在阻尼振蕩造成的，走刀系統的不穩定嚴重影響了機床的加工精度，為此，將原來落后的模擬系統改造為目前較為先進的歐陸全數字式直流調速系統。根據 C650 車床主電機及進給電機參數的要求，選用歐陸 360 系列SSD-360120A 控制花盤傳動， 用 SSD-
36035A 控制走刀。在參數設定中，依據車床的特點，對歐陸360 進行以下靈活運用。
（1）合理調整花盤停車時間。車床的花盤反轉是刀具的一大殺手，因此在設定花盤停車時間 ( 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）增加花盤點動的“慢點”、“快點”功能。車床的工件對刀一直是操作工人的難點，以往的花盤點動就只有一個速度，靠電柜內部的電位器進行設定，往往很難兼顧，慢了，花盤轉一圈花費時間太長；快了，花盤到目標點停不住，造成效率低下。為此，在 360 中利用其數字輸入點 C6( 正點 )、C7( 反點 )、C8( 復位 ) 以及其內部軟件模塊實現快、慢速點動，速度大小由操作者摁點動按鈕的時間長短決定。釋放按鈕，則花盤速度歸零。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）對走刀電機啟動斜坡進行調整。走刀電機啟動之前，首先剎車電磁鐵要吸合，松開抱閘，所以走刀電機要考慮電磁線圈的吸合時間，延時一段時間再升速，避免電機因背力而過流。
在公司的多項設備改造中，直流調速系統都用到全數字式直流調速裝置，可靠性還是性價比較高，尤其是其液晶顯示的人機操作界面使參數設置變得簡單易行。360 系列控制器采用標準 Windows 菜單樹形結構，簡單方便，容易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，首先要進行參數設定 (SETUPPARAMETERS)，其中“ 斜坡 ”(RAMPS)、“ 上升 /下降”(RAISE/LOWER)主要針對花盤或刀架啟動、停止的過程控制；“輔助輸入 / 輸 出”(AUXI/O) 用 來 設 定 對 象 的 給 定；“ 勵磁控制”(FIELDCONTROL) 決定了系統的勵磁方式，是內磁場，或是外磁場，以及磁場的限幅大小；“電流環”(CURRENTLOOP)、“速度環”(SPEEDLOOP) 則調節系統的動態特性，例如穩定性、帶負載能力等。以上參數都要根據機床的實際逐一進行設定，當然，360 內部的自整定、自調諧功能也可以在調試中帶來很大的便利。
在傳動系統“菜單級”(MENULEVER) 中，有一欄為報警狀態 (ALARMSTATUS)，當系統發生故障時，前面板上的“正常”發光二極管熄滅，人機接口便會自動顯示報警，并且顯示器將顯示所有報警中的當前故障，以便維修人員進行診斷和處理。常見的故障報警有 :OVERSPEEDLEVER( 超速報警 )、SPEEDFBKALARM( 速反報警 )、FIELDFALL( 勵磁故障 ) 等，由此，可以方便地查找故障。
2.3 車床左刀架的數控改造
對于左刀架的數控改造，首先是基于左側刀架傳動機構的改造。原有的傳動機構是由 1 臺直流電機控制走刀，一臺交流電機控制快送，刀架運動方向由十字開關控制進刀箱內的電磁閥決定；現在的傳動機構則由 2 臺伺服電機分別帶動光桿和絲桿，各自控制一個方向，這樣兩軸聯動，從而走出型線。伺服電機與傳動軸之間通過 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 臺測速發電機和 1 臺編碼器 (LEC-200BM-G05P)，分別作速度環和位置環的反饋。HNC-21 系列數控裝置采用開放式體系結構，內置嵌入式工業PC 機、高性能 CPU，配置觸摸屏，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 接口于一體。
(1)4 軸聯動。
(2) 可選配各種類型的脈沖式、模擬式交流伺服驅動器或步進電機驅動器以及 HSV-11 系列串行式伺服單元。
(3) 配置標準機床工程面板，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、手持單元接口、模擬主軸控制接口與編碼器接口，以及遠程 I/O 板擴展接口。
(5) 采用 10 英寸觸摸器，全漢字操作界面，具有故障診斷與報警設置，多種圖形加工軌跡顯示和仿真功能。
(6) 采用國際標準 G 代碼編程，與各種流行的 CAD/CAM自動編程系統兼容，具有直線、圓弧、螺旋線插補，固定循環、旋轉、縮放、鏡像、刀具補償、宏程序等功能。
(7) 加工斷點保存恢復功能，為用戶安全、方便使用提供保證。
“世紀星”數控系統是開放式的數控系統軟件平臺，適宜二次開發，能靈活地組配不同類型的數控系統和擴充系統的功能，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者在該界面內對加工圖形進行編程，亦可由 USB 接口直接導入入經 CAD/CAM 編制的加工程序；“參數設置”用來對系統參數、通道參數、坐標軸參數、軸補償值參數、硬件配置參數、PMC 系統參數、PMC用戶參數、外部報警參數等進行設置，在修改或設置參數之前，必須輸入修改權限密碼，否則無法更改；“PLC 管理”是針對“世紀星”的內嵌式 PLC，其標準的 PLC 應用程序和配套的 PMC 用戶參數文件基本上可以滿足用戶的絕大部分需要。由于車床身較大，在數控裝置的連接過程中，要特別注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 車床改造后，帶負載能力明顯增強，加工精度也大為提高，并通過數控改造，使這臺車床順利完成了球面、橢圓面等外環型線的加工任務，滿足了生產需要，基本上達到了改造的預期目標.
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