基于開放式數控系統的簡式數控車床機電一體化升級改造的研究

王麗潔，呼剛義，徐德凱，梅小寧

（西安理工大學高等技術學院，陜西西安 710082）

由于我國數控化起步比較晚，20世紀90年代開始積極推進數控化進程。在20世紀90年代和2000年初期，普通機床改造成數控機床曾經有過一個小高潮；在新世紀的十幾年中，數控機床改造主要是將原有的數控機床升級換代。由于越來越多的數控機床系統老化，備件支持匱乏，電氣維修成本高，采用數控系統升級可以解決上述困惑，恢復原機床功能，基本實現原機床的可利用價值，使老機床經改造之后上一個檔次。本文對CJK6032A簡式數控車床進行了全面的系統、電氣和機械升級改造，改造后的機床性能穩定、可靠性和加工效率高、能廣泛滿足各種加工要求。

1 數控機床改造的要求與步驟

對于舊數控機床的升級改造，首先要有針對性，改造方案是針對原機床中存在的問題提出的，應做到與生產緊密結合；其次要提高精度、效率和穩定性，舊機床改造，可根據生產技術及科技水平，選擇先進的控制系統，從而提高機床的自動化水平和效率；最后數控機床改造要充分發揮現有技術力量，調動技術人員的積極性與創造性，培養鍛煉隊伍，提高了技術水平。

舊數控機床的升級改造一般分為3個階段。

（1）改造前技術準備。首先要調研及系統選型，數控系統選型主要考慮在原機床的機械結構限制下，達到或超過原機床的功能，要綜合考慮機床狀況、用戶對功能的要求、改造經費及各種數控系統的特點。其次進行機械部分準備、新系統資料消化、新舊系統接口的設計等。

（2）改造的具體實施。包括原機床的全面保養及其精度測量；優化調整的電氣系統部分；原系統拆除及新系統固定及布線；非標件設計加工、參數設置等。

（3）調試與驗收。調試驗收中注意防止人身、設備事故發生，按照先空載后加載、先模擬后實動、先手動后自動的原則進行調試與驗收。

2 改造總體技術方案

CJK6032A數控車床是外配通用PC機的經濟型數控車床，數控系統采用華中I型系統，系上個世紀90年代初期產品；X、Z軸進給驅動采用步進電機；主軸電機采用普通異步電動機驅動，機械變速；整個系統需外配計算機，結構不緊湊；系統穩定性不好，經常出現故障。

綜上所述，本次改造總體技術方案如下：

（1）將原電腦控制系統和NC板控制取消，更換為華中數控“世紀星”HNC-180XP/T3數控系統，提高機床系統的穩定性；

（2）將進給軸步進電機開環控制更換為交流伺服驅動的半閉環控制，提高進給驅動部分的帶載能力、控制精度、運行穩定性和裝備水平；

（3）原主軸機械式變速系統保留，主軸驅動電機改為變頻器控制，實現電控無級變速+手動機械變速，提高主軸驅動控制水平，擴展主軸變速范圍；

（4）重新設計電控系統和電氣柜，以滿足新裝系統的控制要求；

（5）進給驅動部分相應的連接機構、減速傳動機構等做相應的機械設計改造；

（6）數控系統主機安裝于防護門上，主機采用嵌入式安裝，單獨加工主機箱并與防護滑門固定連接；

（7）增加手搖單元，完善機床外觀設計。

3 改造的設計與實現

3.1 數控系統升級

數控系統升級采用華中“世紀星”HNC-180XP/T3車床數控裝置，該數控系統具有高性能、結構緊湊、可靠性高、易于使用、價格低等特點，采用先進的開放式數控體系結構，內置嵌入式工業PC機、高性能32位中央處理器，配置7"彩色液晶顯示屏和標準機床工程面板，集成了進給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內嵌式PLC接口于一體，以及USB程序讀取功能，主要適用于數控車床控制。

3.2 數控機床電氣控制系統設計

數控機床電氣控制系統包括電源電路、繼電器控制電路、系統開關量輸入輸出信號連接設計等三大部分。其中對于系統開關量輸入輸出控制電路和系統內PLC控制程序相關，而系統生產商已在系統內安裝了標準的車床控制梯形圖，所以實際的輸入輸出電路設計是結合標準梯形圖將機床相關信號和對應端子連接即可，在設計時需注意急停信號鏈和超程解除信號鏈為多個元件組成的關聯信號，需進行相關的外圍電路設計。

圖1 機床強電電氣回路原理圖

本機床的電源電路設計如圖1所示，系統信號輸入輸出電路如圖2所示。在對電控柜的元件安裝及布局時，應注意各元件的安裝空間和間距要求，并在元件排列時弱電信號和強電電路分開布置，強弱電走線盡量遠離以防止干擾。體積較大、重量較重的元件應靠近電控柜內下部分安裝以降低重心。

圖2 系統信號輸入輸出電路

3.3 進給系統的連接和調試

本機床改造中，進給系統是將步進電機開環控制更換為交流伺服驅動的半閉環控制，伺服驅動系統采用的是武漢華中數控股份有限公司的HSV-162A-020雙軸交流伺服驅動器及武漢華大電機的110ST-M04030LFB交流伺服電機。HSV-162A-020雙軸交流伺服驅動器是經濟型全數字雙軸交流伺服驅動單元，采用運動控制專用數字信號處理器（DSP）、復雜可編程邏輯器件（CPLD）和新一代智能功率模塊（IPM）等元器件設計，易于安裝，調試方便，操作簡單。一臺驅動單元可以同時控制兩臺交流永磁同步伺服電機，具有結構小巧、使用方便、高性價比等特點。圖3所示為改造后的進給驅動系統連線圖。

3.4 主軸單元

原主軸單元采用的機械式變速系統仍保留，主軸驅動電機改為變頻器控制，實現電控無級變速+手動機械變速。主軸變頻調速采用日立SJ100-037變頻器，根據輸入的速度指令和運行狀態指令輸出相應頻率和幅值的交變電流來控制電動機旋轉，速度指令為0～10 V的模擬電壓，旋轉方向由PLC輸出的開關量信號決定。主軸變頻器與電動機及控制器連接如圖4所示。

3.5 機械結構的改進

機械結構的改進主要包括進給驅動部分相應的連接機構、減速傳動機構等，在進給軸結構改造中，伺服電機通過1:1的齒形帶輪帶動滾珠絲杠旋轉，實現工作臺的運動，替換了原有的梯形螺紋絲杠，提高了機床的精度和快速響應性。

3.6 機床參數設置

數控機床的參數設置正確與否，直接影響數控機床的使用及其性能的發揮。在機床硬件安裝完成后、試運行開始前，需對機床各參數進行設置。機床參數設置實際上是對系統內部所有硬件設備進行登記，包括功能配置參數、輸入輸出模塊接口參數、控制方式和所對應的接口的設置參數，以實現系統的信息相互傳遞。

圖3 進給驅動系統連接圖

華中數控“世紀星”HNC-180XP/T3數控系統常用參數的類型有：系統類參數、通道類參數、軸控制類參數、PLC（PMC）參數、DNC參數、參考點類參數、伺服類參數、主軸類參數和誤差補償類參數等。其主要參數關系如圖5所示。

圖4 主軸控制單元電路

圖5 主要參數關系圖

4 總結

機床數控升級改造中，在機床安裝、系統各參數按要求設置完成之后，首先對機床主軸、坐標軸各個部分進行功能測試，然后進行機電整機聯調以及加工精度檢測。從實際加工使用情況來看，改造后的機床功能豐富、性能穩定可靠、操作方便，加工精度和效率明顯提高，能適應更廣泛的加工要求，與購買同檔次的全新數控機床相比，所用成本大大降低。

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