華中8型數(shù)控系統(tǒng)在坐標(biāo)磨床再制造中的應(yīng)用技術(shù)研究

秦友 尹建華 黃煒

摘要：以江麓機電的某坐標(biāo)磨床為研究對象，采用華中HNC-848CM型數(shù)控系統(tǒng)對其進行數(shù)控改造，根據(jù)原西門子電機選用同等配置的華中電機，搭建測試平臺，用以測試在改造完成后坐標(biāo)磨床是否可以完成其實際加工任務(wù)中的多種工作，包括同時進行套筒運動與磨削插補運動、切線跟隨功能（法向跟蹤）、U軸控制等，最后達到了滿足工作需求的精度要求。

關(guān)鍵詞：坐標(biāo)磨床;華中HNC-848CM數(shù)控系統(tǒng);改造;測試

0? ? 引言

坐標(biāo)磨床多用以消除材料的熱處理變形，因其設(shè)有精密坐標(biāo)機構(gòu)，可磨削孔距精度要求很高的精密孔，能獲得高加工精度及低表面粗糙度，滿足坐標(biāo)孔的加工要求，是現(xiàn)代超精密加工中的有效設(shè)備。如果給坐標(biāo)磨床添加上磨錐機構(gòu)、其余附件和數(shù)控技術(shù)，則其不僅可以用來磨削圓孔、平面、圓弧、球面等，其可磨削的工件形狀幾乎無限制，特別適合加工形狀復(fù)雜且精度要求高的零件。當(dāng)前，江麓機電的某坐標(biāo)磨床因為零件及電機逐漸老化等因素，磨削尺寸不穩(wěn)定，故障頻發(fā)，已逐漸不能完成既定加工任務(wù)，因此急需對其進行維修。由于數(shù)控機床改造所需的成本較低，故通過數(shù)控改造對原有機床的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)造性設(shè)計，最終使機床達到了較為理想的狀態(tài)，恢復(fù)了產(chǎn)能。

1? ? 改造方案

機床的改造主要應(yīng)該具備兩個基本條件：

（1）原機床基礎(chǔ)件如床身等必須有足夠的剛性，以確保改造后機床的加工精度和工件的表面品質(zhì)。

（2）改造后機床精度跟原有精度持平。對于改裝后的機床，能加工工件的最大尺寸及主電動機功率等一般都不會改變;加工工件的平面度、直線度以及粗糙度等，基本上仍決定于機床本身原有水平。

根據(jù)機床現(xiàn)有技術(shù)狀況和條件，確定了改造的總思路：通過創(chuàng)造性的二次設(shè)計彌補原有機床設(shè)計上的一些欠缺;增加、提高、完善改造后機床的數(shù)控功能;從經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，合理選擇數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動單元。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心部件，而驅(qū)動單元決定了機床加工精度，機床的性能檔次取決于這二者的功能檔次。

首先，本次改造選用了HNC-8型數(shù)控系統(tǒng)，HNC-8型是武漢華中數(shù)控股份有限公司高端產(chǎn)品，系統(tǒng)采用32位微處理器，能實現(xiàn)高速、高精度控制，尤其是其10 000條/18 s的處理速度，可實現(xiàn)高速連續(xù)小線段加工。

其次，驅(qū)動單元選擇華中數(shù)控自主研發(fā)的180系統(tǒng)驅(qū)動器，該驅(qū)動器具有體積小、性能好、調(diào)試方便等優(yōu)點，可以通過數(shù)字設(shè)定的方式優(yōu)化電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的參數(shù)，以提高伺服系統(tǒng)性能，并可在上位機顯示電流、扭矩波形，便于觀察、了解負載的實時動態(tài)情況，以利及時調(diào)整切削參數(shù)，最大限度地提高使用效率。華中伺服電機帶有內(nèi)置式編碼器檢測元件，與數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成負反饋半閉環(huán)控制，可以確保伺服控制的精度。

華中數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動單元所具備的以上功能，可以完全滿足機床改造的技術(shù)要求。

2? ? 改造方案實施

在確認了改造的方案后，利用華中8型對坐標(biāo)磨床進行具體改造。

對坐標(biāo)磨床進行電氣更換：

（1）選用華中數(shù)控HNC-8型數(shù)控系統(tǒng)對機床進行數(shù)控改造;

（2）采用華中數(shù)控總線式PLC模塊;

（3）去掉原進給軸伺服驅(qū)動裝置，采用華中數(shù)控總線式HSV-180UD系列交流伺服驅(qū)動及110ST系列伺服電機代替原驅(qū)動裝置及電機;

（4）采用華中數(shù)控總線式HSV-180US系列主軸伺服驅(qū)動及110ST-M06415LMBB主軸伺服電機替代原主軸驅(qū)動裝置及電機;

（5）更換原移動手持單元;

（6）保留機床原操作箱體支架及連接方式，采用成型操作箱體，重新制作操作面板，面板按鈕滿足機床功能要求;

（7）采用華中8型電柜替換原有電柜，重新設(shè)計、制作并配置電盤;

（8）電柜內(nèi)所有控制類低壓電器，如接觸器、斷路器、中間繼電器等均采用合資或知名品牌廠家產(chǎn)品，確保改造質(zhì)量，控制柜內(nèi)布線及電氣元件布置符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，符合電磁兼容性（EMC）原則，電氣元件編號、線號清晰持久，并與電氣設(shè)計圖紙上編號相對應(yīng);

（9）保留原機床上的輔助異步電動機，更換機床上所有控制類導(dǎo)線、電纜線;

（10）所有管線應(yīng)盡量暗裝，對不能暗裝的管線應(yīng)穿拖鏈或金屬軟管保護并固定，同時檢修拖鏈，保證拖鏈運動平穩(wěn)、順暢;

（11）檢修機床上原限位開關(guān)、檢測開關(guān)、安全開關(guān)等元件，不能修復(fù)的予以更換，各軸分別具有回零功能及保護功能;

（12）遵循國家機床電氣標(biāo)準(zhǔn)及機床動作原理，重新進行電氣技術(shù)設(shè)計，繪制新的電氣原理圖，編寫PLC程序，并編寫完善的報警信息;

（13）對機床進給軸進行激光螺距補償，提高機床精度。

完成機床電氣部分的改造替換后，對其部分機械部件進行改造：

（1）重新設(shè)計、制作各軸電機連接件、支撐件。

（2）潤滑系統(tǒng)：檢查、清洗、保養(yǎng)機床潤滑系統(tǒng)，更換易損件、密封件，使機床潤滑充分。

（3）冷卻系統(tǒng)：檢查、清洗、保養(yǎng)機床冷卻系統(tǒng)，更換易損件及損壞件。

（4）清洗液壓站油箱，更換液壓油;清洗或更換濾芯;清洗疏通油管，更換損壞的密封件，使液壓系統(tǒng)無滲漏;更換損壞的閥組。

（5）參照國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對機床進行修理，恢復(fù)機床幾何精度。

（6）磨削各軸導(dǎo)軌面并貼塑后人工配刮各條導(dǎo)軌貼合面，恢復(fù)導(dǎo)軌幾何精度和表面粗糙度。

（7）機床各軸的滾珠絲杠都有相應(yīng)無法修復(fù)的損傷，需進行更換。

（8）更換滾珠絲杠軸承。

（9）更換主軸軸承。

（10）調(diào)整各傳動機構(gòu)的傳動間隙。

（11）檢修機床排屑器，使排屑器運轉(zhuǎn)順暢、穩(wěn)定。

（12）檢修機床防護罩，并校正變形部位。

3? ? 改造結(jié)果驗證

3.1? ? 測試環(huán)境及配置

為避免直接加工對機床造成損傷，搭建測試臺對改造結(jié)果進行初步驗證。

測試臺配置如表1所示。

測試臺采用標(biāo)準(zhǔn)848C系統(tǒng)硬件，安裝標(biāo)準(zhǔn)V1.26.08軟件包，配置伺服及電機組建測試臺。華中HNC-848總線式數(shù)控系統(tǒng)，最多能控制8個通道、64個進給軸;每通道最大聯(lián)動軸數(shù)：9軸，最小插補周期：0.125 ms，最小分辨率：1 nm;兩種總線接口：支持自主開發(fā)的現(xiàn)場總線通信NCUC協(xié)議及EtherCAT總線協(xié)議。

測試工具：溫度測試儀、萬用表。

3.2? ? 測試內(nèi)容

3.2.1? ? 精度測試

技術(shù)要求：定位精度0.005 mm，重復(fù)定位0.003 mm。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述定位精度和重復(fù)定位精度要求，針對半閉環(huán)的軸，電機選用高精度絕對值分辨率的編碼器;針對全閉環(huán)的軸，選用高分辨率的絕對值光柵。選用高分辨率的反饋元件能保證數(shù)控系統(tǒng)控制在技術(shù)要求的精度范圍內(nèi)。

測試結(jié)果：該項目采用西門子CD碼19位電機，搭建的測試臺Z軸伺服電機也采用西門子CD碼19位電機。按螺距10 mm計算，系統(tǒng)的控制分辨率能達到0.000 02 mm，本測試編寫G代碼程序按步距0.000 1 mm走，經(jīng)測試系統(tǒng)能保證步距0.000 1 mm運行，達到了技術(shù)要求的控制定位及重復(fù)定位精度。

測試用的西門子電機型號為1FK7063-5AF71-1AG0。

按步距0.000 1 mm編寫的G代碼程序如下所示：

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G91 G01 X0.0001 F1000

G91 G01 X0.0001 F1000

G90 G01 X0

M30

3.2.2? ? U軸和Z軸實現(xiàn)插補運動

功能描述：U軸和Z軸實現(xiàn)插補運動，磨削錐孔。

技術(shù)方案：控制系統(tǒng)采用華中848數(shù)控系統(tǒng)，具備5軸3聯(lián)動功能，能實現(xiàn)U軸和Z軸插補運動，磨削錐孔。

測試結(jié)果：U軸與Z軸插補功能正常。

編寫程序采用G118移動軸同步插補指令，Z軸在振蕩運動過程中，實現(xiàn)U軸與Z軸插補運動，U軸的編程位置通過G118指令R參數(shù)控制，可以實現(xiàn)不同比例的同步插補運動。在Z軸運行過程中，U軸跟隨Z軸做插補運動。

U、Z軸插補測試程序如下：

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G119 P6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?;關(guān)閉同步插補

WHILE TRUE? ? ? ? ? ? ? ?;宏程序循環(huán)開始G53 G90 G01 Z0 U0 F10000;U、Z軸移動到0

G118 P6 L2 R1? ? ? ? ? ? ? ;關(guān)聯(lián)同步插補

G91 G01 Z-25 F10000? ;U、Z軸插補

G91 G01 Z25 F10000? ? ;U、Z軸插補

ENDW? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ;宏程序循環(huán)結(jié)束

G119 P6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?;關(guān)閉同步插補

M30? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ;程序結(jié)束

3.2.3? ? 切線跟隨功能

功能描述：X、Y、C軸實現(xiàn)法向跟蹤功能，滿足C軸跟蹤XY曲線法向要求;動態(tài)聯(lián)動畫圓0.004 mm。

技術(shù)方案：通過華中848系統(tǒng)自帶的切線跟隨功能，設(shè)置C軸跟隨XY曲線的法向參數(shù)，編寫開啟和關(guān)閉法向跟隨的PLC邏輯動作，實現(xiàn)C軸跟蹤XY曲線的法向要求。切線跟隨功能在上海航天八院149廠的攪拌摩擦焊機床上已有使用。

測試結(jié)果：法向跟蹤功能運動正常。編寫法向跟隨程序，開啟C跟隨XY法向運動指令，運行法向跟隨功能正常。

在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中設(shè)置切線跟隨參數(shù)，切線控制隨動軸軸號2（Z軸），切線控制偏移角-90（代表法向跟隨）。編寫開啟法向跟的M代碼，通過M56、M57開啟和關(guān)閉法向跟隨。

法向跟蹤測試程序如下：

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G54? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ;建立坐標(biāo)系

G90 G01 C0 F3600? ? ? ? ? ?;移動C軸到零

G90 G01 X0 Y0 F1000? ? ?;移動XY到跟隨起點

M56? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ;開啟切線法向跟隨

G90 X0 Y0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ;C軸法向跟隨不移動

G90 G01 X0 Y10 F1000? ?;C法向跟隨不移動

G02 X10 Y10 R5? ? ? ? ? ? ? ;C法向跟隨移動

M57? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?;關(guān)閉切線法向跟隨

M30? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?;程序結(jié)束

經(jīng)測試，改造后的坐標(biāo)磨床各功能如雙通道協(xié)同運動、U軸控制、U軸和Z軸實現(xiàn)插補控制等均滿足實際工作要求。

4? ? 結(jié)語

經(jīng)對測試臺模擬實際工況的功能進行測試，華中848型數(shù)控系統(tǒng)能滿足坐標(biāo)磨床所需要的技術(shù)功能要求。國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在機床改造升級中具有良好的效果，這次坐標(biāo)磨床的改造升級，對于推廣應(yīng)用國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)可以起到示范作用，形成自主可控的國產(chǎn)坐標(biāo)磨床基礎(chǔ)制造裝備的配套能力，滿足相關(guān)行業(yè)需求。

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收稿日期：2020-01-13

作者簡介：秦友（1972—），男，湖南芷江人，工程師，江麓機電集團有限公司信息中心副主任，研究方向：數(shù)控技術(shù)、數(shù)字產(chǎn)品開發(fā)等。