電氣設計與參數調試在數控機床維修專業教學中的應用

劉中華

摘要：數控機床外圍機床電路學習是數控機床維修專業的關鍵課程和中心環節，是機床維修課程重難點最集中之處，為方便學生學習電氣電路設計和參數設置。經過本團隊研究，以華中HNC-21MD經濟型數控系統為例，研制數控銑床裝調維修實訓設備。

關鍵詞：數控機械裝調;機床維修;實訓設備

0 ?引言

根據市場發展，工業4.0技術要求，數控機床的發展非常迅速。以發那科機床、德國西門子機床為代表領跑中高端數控市場。華中數控系統是國內為數不多具有自主版權的高性能數控系統之一，它以通用的工業PC機（IPC）和DOS、WINDOWS操作系統為基礎，采用開放式的體系結構，使華中數控系統的可靠性和質量得到了保證[1]。本團隊以華中數控銑床為例，研制數控銑床裝調維修實訓設備。詳細介紹機床外圍電路設計、驅動器參數配置、數控系統參數配置。

數控機床的電路設計要求非常嚴格，要綜合考慮各方面的因素。若有不當，機床可能無法運行。在設計電路時首先要考慮機床組裝要使用的部件，包括主軸電機和驅動器、X、Y、Z軸電機和驅動器、切削液、冷卻電機、氣動回路、電纜線、接觸器、空氣開關的相關選擇以及氣管的布線工藝規范。在完成以上必要的考慮和準備后方可進行電路設計。

1 ?機床控制電路分析

1.1 主電路圖

下面以主電路為例介紹主控制回路的電路設計方法，機床典型電路主回路電路圖（見圖1），由圖1可知：電路最左邊為三相五線制的電源入口。電源相電壓為380V交流電，頻率為50HZ，電源首先經過總空氣開關QF0。QF0控制整個機床的電路通斷。QF0下面有五個支路，分別是冷卻油泵、伺服變壓器、主軸驅動器、開關電源、冷卻油泵。冷卻油泵由空氣開關QF4進行控制，并通過接觸器KM4的主觸點通斷來控制冷卻油泵的供油。伺服變壓器將主控制回路的交流三相380V轉換為三相交流220V，伺服電機的控制電源為兩相220V，動力電源為三相交流220V。動力電源通過接觸器KM1控制電路的通斷。主軸驅動器由空氣開關QF2控制，并通過接觸器KM2控制主回路通斷。QF4控制開關電源的通斷，為系統提供24V電源。潤滑油泵由空氣開關QF5進行控制[2]。

1.2 控制電源典型電路

機床控制電路繼電器電路設計圖（見圖2）。Y0.0為運行允許允許信號，KA2為外部運行允許，KA3為伺服OK信號。當Y0.0輸出低電平信號時，KA3和KA2的線圈得電，KA1線圈就會得電吸合，控制接觸器線圈得電。接觸器主回路主觸點得電，就會使機床的伺服系統運行。控制X軸、Y軸、Z軸電機運動。Y1.0為主軸正轉信號。Y1.1為主軸反轉信號。Y0.4為Z軸抱閘信號。Y0.7為主軸潤滑[3]。

2 ?系統參數設定

2.1 主軸參數

數控機床主軸驅動系統包括主軸驅動放大器、主軸電動機、傳動機構、主軸組件、主軸信號檢測裝置及主軸輔助裝置[4]。本章只對數控系統主軸配置參數進行講解（見表1）。

2.2 F3伺服參數

根據伺服參數的參數表設置。第一個參數為伺服是否帶反饋：機床進給軸選用電機為伺服電機，所以該項配參數為“45”帶反饋。最大跟蹤誤差設為“12000um”，該參數如果設置太大會引起機床加工出來的零件精度不高。如果設置該值太小會引起機床在運動時顯示“定位誤差過大”報警。該值的設定對機床運動而言非常重要。步進電機拍數不需要設置。反饋電子齒輪分子為“1”，子齒輪分母為“-1”。零脈沖輸入使能默認為“0”。

2.3 F4軸補償參數

該參數是在數控機床能進行運動以后或者機床絲杠磨損較嚴重時，需要借助百分表或者是千分表來測量。將測量值輸入到指定欄，進行精度補償，提高機床的加工精度，可以通過激光干涉儀器打螺距誤差補償。

2.4 F5 PMC用戶參數

HNC21MD系統中PMC用戶參數有P[18]、P[19]、P[20]、P[21]、P[22]、P[23]、P[24]、P[25]、P[26]。下面分別對系統參數進行介紹。P[18]主軸最高轉速，所選用的電機為交流伺服電機。該電機銘牌上顯示最高轉速為8000R/MIN。所以此項設置為8000。P[19]主軸控制方式默認為0。P[20]主軸沖動時間默認為0。P[21]主軸電機沖動速度默認為0。P[22]主軸制動按鈕是否有效默認為0。P[23]主軸制動后滯后于主軸停止時間默認為0。P[24]主軸制動時間。當按下停止按鈕后，設置為0主軸會立即停下。P[25]主軸檔位（0;一檔;1;雙速電機;2手動換擋）該處選擇0。P[26]主軸檔位回答信號所在組默認為0。

3 ?實驗驗證

3.1 機床精度驗證

本研究將通過手動編程和自動編程對零件進行試切來驗證機床的加工精度。

3.2 手動編程

在完成了機床的參數設置以后，最后是對機床精度進行測試。將長、寬、高分別為50×50×50mm的長方體料裝夾到機床臺虎鉗上。然后把直徑為φ8mm的銑刀裝夾到機床主軸上。執行機床回零。用試切法進行對刀。對好刀后輸入以下程序：

G90G54X35Y35M3S1000;

G43H1Z100;

G01G41X21Y35Z-5;

G01Y-21;

G01X-21;

G01Y21;

G01X35;

G01G40Y35;

G00Z100;

M05;

M30;

通過執行以上程序，將會在50×50×100的長方體工件上銑出長寬高為42×42×5mm的凸臺，將銑好的工件用游標卡尺進行測量。誤差在±0.02。

3.3 自動編程

數控自動編程是利用計算機和相應的編程軟件編制數控加工程序的過程。隨著現代加工業的發展，實際生產過程中，比較復雜的二維零件、具有曲線輪廓和三維復雜零件越來越多，手工編程已滿足不了實際生產的要求。如何在較短的時間內編制出高效、快速、合格的加工程序，在這種需求推動下，數控自動編程得到了很大的發展。實踐證明該機床可以用mastercam軟件編寫程序，通過三坐標測量滿足精度要求。

4 ?結論

本團隊從以下4個方面入手：

①控制系統，機床的控制器選用武漢華中數控股份有限公司的世紀星系列HNC21-MD經濟型數控系統，最大聯動軸數位為三軸。

②機械系統，光機選用云南臺正集團TOM850-C機型。床身為樹脂砂鑄件，X、Y、Z軸的工作行程分別為800mm、500mm、700mm。主軸中心到立式導軌的距離為575mm。主軸端面至工作臺的距離為110-810mm。主軸錐孔為BT40。

③裝調，在進行機床調試時對機床的部分參數進行了設置。機床的X軸、Y軸、Z軸驅動器分別進行了詳細的參數配置，使其達到穩定的工作效果。

④實驗，在調試好機床參數后，以G02代碼和G03代碼及M19指令對主軸正反轉及主軸定位進行測試。以G01指令編寫程序分別對X、Y、Z軸定位精度進行測試。最后用Mastercam進行自動編程，并將編寫的程序上傳到數控系統。

經過對主電路的分析繼而從主軸參數、F3伺服參數、F4軸補償參數和F5PMC用戶參數進行設置調配，最后對機床精度分手動編程和自動編程兩部分進行驗證。

對機床的數控系統機床外圍電路進行設計和安裝，使其最大聯動軸數位為三軸。在進行機床調試時對機床的部分參數進行了設置。機床的X軸、Y軸、Z軸驅動器分別進行了詳細的參數配置，使其達到穩定的工作效果。證實本研究從控制系統和裝調兩個方面入手的必要性。

可以滿足各職業院校，使用項目教學手段，開展數控機床維修專業課程，便于開展教學，方便學生學習電氣電路設計和參數調配。同時還可以大量節省培訓教育成本，助力學校的數控機床維修專業發展。

參考文獻：

[1]主編蔣麗.數控原理與系統[M].國防工業出版社，2011.

[2]華中數控-HNC-21M操作說明書.武漢華中股份科技有限公司.

[3]華中數控HNC-210連接說明書.武漢華中股份科技有限公司.