呼剛義，王麗潔

(西安理工大學(xué) 高等技術(shù)學(xué)院，西安 710062)

0 引言

許多加工用戶使用的數(shù)控機(jī)床主要是國(guó)內(nèi)早期的數(shù)控設(shè)備，系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單并進(jìn)入老化階段，電氣控制故障率逐年上升并且加工精度低，已嚴(yán)重影響到企業(yè)的正常生產(chǎn)。而新購(gòu)設(shè)備投入較大，廢棄舊設(shè)備又比較浪費(fèi)，能否有一種途徑花盡可能少的錢(qián)，就能使舊機(jī)床不僅具有和新機(jī)床一樣的加工精度，而且還具備當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的功能，還能減少故障率、提高加工效率。針對(duì)這種情況，我們對(duì)ZJK7532A數(shù)控鉆銑床進(jìn)行全面了的系統(tǒng)、電氣和機(jī)械升級(jí)改造。

1 升級(jí)改造的內(nèi)容

ZJK7532A數(shù)控鉆銑床是外配通用PC機(jī)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置，屬于早期的華中2000系列數(shù)控系統(tǒng)，主軸為機(jī)械手動(dòng)變速，進(jìn)給為步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制，采用梯形螺紋絲杠傳動(dòng)。系統(tǒng)落后、精度差及穩(wěn)定差。故具體改造內(nèi)容涉及數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)，交流伺服電機(jī)半閉環(huán)控制，主軸無(wú)級(jí)調(diào)速改造和機(jī)械結(jié)構(gòu)升級(jí)。

2 改造設(shè)計(jì)具體方案

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

機(jī)床主軸的改造是在原機(jī)床手動(dòng)換檔三級(jí)變速的基礎(chǔ)上，充分利用原有三相異步電動(dòng)機(jī)和主軸變速箱，采用變頻器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)換檔分段無(wú)級(jí)變速的控制方式。這種方式很適合需要無(wú)級(jí)變速但又對(duì)低速和高速都不要求的場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單方便又比較經(jīng)濟(jì)，在較低速度時(shí)可通過(guò)機(jī)械變速裝置擴(kuò)大輸出轉(zhuǎn)矩，但其調(diào)速范圍受到電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制。進(jìn)給軸結(jié)構(gòu)改造如圖1所示，伺服電機(jī)通過(guò)1:1的齒形帶輪帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。替換了原有的梯形螺紋絲杠，提高了機(jī)床的精度和快速響應(yīng)性。

圖1 x、y、z軸機(jī)械傳動(dòng)部分

2.2 強(qiáng)電電氣控制設(shè)計(jì)

改進(jìn)后機(jī)床強(qiáng)電電氣原理圖如圖2所示。主要是主軸和進(jìn)給伺服電機(jī)的電源及其控制連線。

2.3 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

綜合性能、可靠性及經(jīng)濟(jì)性因素，本機(jī)床改造中我們選擇華中“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)，它是在華中I型、華中2000系列數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，滿足用戶對(duì)低價(jià)格、高性能、簡(jiǎn)單、可靠的要求而開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)用戶對(duì)其認(rèn)可度有很大提高。它采用了先進(jìn)的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè)PC，配置7.5＂或9.4＂彩色液晶顯示屏和通用工程面板，集成進(jìn)給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內(nèi)嵌式PLC接口于一體，支持硬盤(pán)、電子盤(pán)等程序存儲(chǔ)方式以及軟驅(qū)、DNC、以太網(wǎng)等程序交換功能。具體連線如圖3所示。

圖2 機(jī)床強(qiáng)電電氣回路原理圖

圖3 系統(tǒng)連接總圖

2.4 主軸電路

本機(jī)床改造中主軸變頻調(diào)速采用日立SJ200-015HFE變頻器，其采用正弦波脈寬調(diào)制（PWM）控制，額定容量2.9KVA，額定輸入、輸出電壓三相交流380-480V+10%，額定輸入電流5.0A，額定輸出電流3.8A，輸出頻率范圍1～ 360Hz，適用電機(jī)容量1.5KW，具有主軸過(guò)流、短路、過(guò)熱等故障報(bào)警功能。變頻器根據(jù)輸入的速度指令和運(yùn)行狀態(tài)指令輸出相應(yīng)頻率和幅值的交變電流控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。速度指令為0～10V的模擬電壓，旋轉(zhuǎn)方向歸PLC輸出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)決定。具體連接如圖4所示。

圖4 主軸變頻器與電機(jī)及控制器的連接圖

2.5 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電路

本機(jī)床改造中的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用一款華中開(kāi)發(fā)的型號(hào)為HSV-16全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器，其內(nèi)部采用最新專用運(yùn)動(dòng)控制DSP、FPGA和IPM等當(dāng)今最新技術(shù)設(shè)計(jì)。具有控制簡(jiǎn)單靈活、狀態(tài)顯示齊全、寬調(diào)速比等特點(diǎn)。運(yùn)行模式選為位置控制方式（脈沖量接口），其位置控制為主要目的，速度控制和轉(zhuǎn)矩控制為輔，以保證電機(jī)的位置精度。連線如圖5所示。

圖5 HSV160伺服驅(qū)動(dòng)器的典型連接方式（位置控制模式）

2.6 機(jī)床參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如圖6所示，實(shí)際上是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部所有硬件設(shè)備進(jìn)行登記，包括功能配置參數(shù)、輸入輸出模塊接口參數(shù)、控制方式和所對(duì)應(yīng)的接口的設(shè)置參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息相互傳遞。其中正反電子齒輪比按一下公式計(jì)算。

其中，L——絲杠螺距所對(duì)應(yīng)的內(nèi)部脈沖當(dāng)量。（對(duì)于世紀(jì)星系列的數(shù)控系統(tǒng)，在進(jìn)行齒輪比計(jì)算的時(shí)候內(nèi)部脈沖當(dāng)量為0.001mm）

N——電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈,所需要的脈沖數(shù).

X1——數(shù)控系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)。

X2——伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電子齒輪比。

J——機(jī)床進(jìn)給軸的機(jī)械傳動(dòng)齒輪比。

M——伺服電機(jī)碼盤(pán)的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，即電機(jī)的碼盤(pán)線數(shù)。

B——數(shù)控系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的碼盤(pán)反饋的倍頻數(shù)。

圖6 機(jī)床參數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)床硬件安裝、連線和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置完畢后，首先對(duì)機(jī)床主軸、坐標(biāo)軸各個(gè)部分進(jìn)行功能測(cè)試，然后整機(jī)聯(lián)調(diào)及加工精度檢測(cè)。目前改造后機(jī)床已投入使用，從加工使用情況來(lái)看，改造后機(jī)床功能豐富、性能穩(wěn)定可靠、操作方便，而且加工精度和效率明顯提高，能適應(yīng)更廣泛的加工要求，與購(gòu)買(mǎi)同檔次的全新數(shù)控機(jī)床相比，所用成本大大降低。本次改造，對(duì)于加工企業(yè)以較低成本升級(jí)早期數(shù)控機(jī)床檔次具有重要借鑒意義。

[1] 梅曉寧,關(guān)雄飛,等.數(shù)控機(jī)床維修實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)[M].西安理工大學(xué)校內(nèi)教材,2009.