國產數控系統在進口五坐標橋式高速龍門銑床上的應用

□ 周鳳坤 □ 于贏佳 □ 鄭 武 □ 陳 雨

1.沈陽飛機工業(集團)有限公司 沈陽 110034

2.沈陽華飛智能科技有限公司 沈陽 110034

3.武漢華中數控股份有限公司 武漢 430223

4.華中科技大學 武漢 430074

1 應用背景

航空企業是高端裝備的聚集地，目前加工航空結構件使用的數控系統基本上是國外品牌產品。而多數航空企業又是軍工企業，大量使用進口數控機床和數控系統，在功能和性能上受到國外技術的封鎖和限制，再加上企業本身的保密性需求，導致在加工裝備的采購、維修和技術升級等方面總是處于被動狀態。對國外技術的過度依賴還影響到航空企業的生產和國防安全，基于此，筆者改造項目中采用國產數控系統［1-3］。

MINUMAC-TH五坐標橋式高速龍門銑床于2000年從法國引進，長期用于加工壁板類航空復雜結構件。機床的控制系統是法國NUM1060系統，系統的元器件老化，性能和精度下降，穩定性差，功能落后，故障率高，給生產帶來了隱患［4］。考慮到該機床機械部分仍可以滿足使用需求，因此采用華中HNC-848數控系統進行電氣升級改造，以使其工作穩定，效率提升。

2 技術選型

五坐標橋式高速龍門銑床對動態特性要求較高，電機的選型是改造是否成功的關鍵因素，其中需重點考慮電機的扭矩、轉速、轉動慣量。原則上，新選擇的伺服電機在這三方面指標上應高于原有的伺服電機。

對比原有NUM伺服電機的各項參數，華中數控伺服電機的選型見表1。

華中GK8系列伺服電機是高動態響應永磁同步電機，各項指標均優于原有電機，改造后保證了機床的高動態響應特性。

表1 改造前后電機選型對比

3 電氣設計

針對元器件老化、故障率高的問題，對五坐標橋式高速龍門銑床電氣柜中的元器件采取全部更換的措施，并根據HNC-8系列數控系統的控制原理重新設計了電氣原理圖。

HNC-848數控系統電氣部分由 HPC-100 CNC單元、MCP操作面板單元、UPS-NC供電單元、HIO-1000A PLC單元、HSV-180UD伺服驅動單元、HSV-180US主軸驅動單元和相關輔助電路組成。系統各單元之間采用NCUC總線協議進行數據傳輸，數控系統與操作面板、PLC單元、伺服驅動單元的數據總線連接如圖1所示。

圖2所示為伺服驅動單元連接圖。該伺服驅動單元使用標準交流380 V電壓供電，除含有控制標準伺服電機的接口外，還具有XS6外置編碼器接口，支持ENDAT 2.1/2.2絕對值反饋、ABZ差動信號、1 Vpp信號，可滿足全閉環控制需求。

4 五軸RTCP標定

進行機電聯調，保證五坐標橋式高速龍門銑床各功能正常后，對機械部分進行檢修，確保各項機械幾何精度均在誤差允許范圍內，然后進行五軸RTCP標定[5-8]。

根據HNC-8系列數控系統通道參數表中需要填寫的數據，經過多次調整，總結出一套標定方法。

五坐標橋式高速龍門銑床是C軸、B軸雙擺頭結構五軸機床，主動軸為C軸，從動軸為B軸。HNC-8系列數控系統RTCP需要標定的參數包括主軸頭長度（H）、主軸軸線X偏置距離（Xs）、主軸軸線Y偏置距離（Ys）、B軸C軸軸線偏置距離（Xsc），如圖 3 所示。

4.1 主軸頭長度（H）

（1） 令B軸至 0°，C軸至 0°。

（2）如圖4所示，用百分表測主軸端面，并記錄讀數。

（3）在系統中使用相對清零功能對Z軸坐標清零，令Z=0。

（4） 令B軸至 90°，C軸至 0°。

（5）如圖5所示，在主軸上裝檢棒，用百分表測檢棒下母線，移動Z軸，移動到表的讀數與第（2）步相同為止。

（6）查看Z軸的相對坐標值，記錄為Z1，則主軸頭的長度為：

式中：d為檢棒直徑。

4.2 主軸軸線X偏置距離（Xs）

（1） 令B軸至 0°，C軸至 0°。

（2）如圖6所示，將百分表安裝在檢棒的X軸負方向位置，測檢棒側母線，記錄讀數，X軸相對坐標值清零。

（3） 令B軸至 0°，C軸至 180°。

（4）移動X軸，觀察百分表的數值變化，使百分表數值與第（2）步記錄的值相同。

▲圖1 數據總線連接

▲圖2 伺服驅動單元連接圖

（5）查看X軸的相對坐標值，記錄為X1，則主軸軸線X偏置距離為：

4.3 主軸軸線 Y偏置距離（Ys）

（1） 令B軸至 0°，C軸至 0°。

（2）如圖7所示，將百分表安裝在檢棒的Y軸負方向位置，測檢棒側母線，記錄讀數，Y軸相對坐標值清零。

（3） 令B軸至 0°，C軸至 180°。

（4）移動Y軸，觀察百分表的數值變化，使百分表的數值與第（2）步記錄的值相同。

（5）查看Y軸的相對坐標值，記錄為Y1，則主軸軸線Y偏置距離為：

4.4 B軸C軸軸線偏置距離（Xsc）

（1） 令B軸至 90°，C軸至 0°。

（2）如圖8所示，在主軸上安裝檢棒，百分表測檢棒下母線，記錄讀數，機床Z軸相對坐標值清零。

（3） 令B軸至-90°，C軸至 0°。

（4）如圖9所示，再次用百分表測檢棒下母線，記錄讀數，移動機床Z軸，使表的讀數與第（2）步記錄的值相同。

（5）查看Z軸的相對坐標值，記錄為Z1。

由于測得的Xs值是第一旋轉軸中心和第二旋轉軸中心與主軸中心的偏差之和，根據華中數控系統的參數填寫規則，需要分別填寫。

▲圖3 RTCP標定參數

B軸軸線相對于主軸軸線的偏移距離Xsb為：

B軸C軸軸線偏置距離為：

將上述標定計算的數值填入華中數控系統的通道參數中，見表2。

5 RTCP功能檢測

（1） 令B軸至 0°，C軸至 0°。

（2）如圖10所示，在主軸上安裝標準球，用百分表測標準球底部，找到最高點。

（3）采用五軸機床標準對刀方式對刀，刀具長度補償參數為主軸端面到球心的距離。

表2 華中數控系統通道參數

（4） 編寫五軸 G 代碼測試程序［9］：

（5）執行第（4）步的程序，觀察百分表變化情況，按照公差要求，檢測精度為-0.03～0.03 mm。

（6）如圖11所示，在主軸上安裝標準球，用百分表測標準球Y軸方向，找到最高點。

（7） 對刀［10］。

（8）考慮干涉問題，修改五軸G代碼測試程序：

（9）執行第（8）步的程序，觀察百分表變化情況，按照公差要求，檢測精度為-0.03～0.03 mm。

（10）C軸旋轉 90°，重新執行第（1）～第（9）步，檢測精度均為-0.03～0.03 mm判為合格。

6 結束語

▲圖4 百分表測主軸端面

▲圖5 百分表測檢棒下母線

▲圖6 百分表沿X軸方向測檢棒側母線

▲圖7 百分表沿Y軸方向測檢棒側母線

▲圖8 百分表測檢棒下側母線（B軸+90°）

▲圖9 百分表測檢棒下側母線（B軸-90°）

▲圖10 百分表測標準球底部

▲圖11 百分表測標準球Y軸方向

筆者無法完整闡述進口五坐標橋式高速龍門銑床改造的全過程，只針對技術選型、電氣設計、五軸標定三個關鍵點進行介紹。通過改造前后的性能對比，確認改造后機床完全滿足切削和高動態特性的要求，系統穩定性也大大提高。筆者的RTCP標定方法經過現場多次驗證，可以快速準確地標定華中數控系統，為國產數控系統配套進口五軸機床提供了經驗。