羅　敏　馬　彬　吳岳敏

(湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院，湖北 十堰 442002)

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基于HNC808T的數(shù)控車(chē)床控制系統(tǒng)*

羅敏馬彬吳岳敏

(湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院，湖北 十堰 442002)

針對(duì)ETC3650數(shù)控車(chē)床的控制要求，提出基于華中數(shù)控HNC808T的控制方案。利用NCUC總線實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與HSV-160U交流伺服驅(qū)動(dòng)、PLC模塊的連接。匹配廣數(shù)伺服電動(dòng)機(jī)，采用BISS協(xié)議絕對(duì)位置檢測(cè)完成了2個(gè)基本伺服軸的半閉環(huán)控制。通過(guò)PLC軸控模塊10 V模擬接口，采用無(wú)傳感器矢量控制方式控制WJ200日立變頻器，驅(qū)動(dòng)主軸。機(jī)床輸入輸出全部使用遠(yuǎn)程I/O。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)，證明機(jī)床的數(shù)控改造取得了成功。

數(shù)控車(chē)床；伺服驅(qū)動(dòng)；變頻器

1　機(jī)床基本情況

為了能進(jìn)行車(chē)床類國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的性能測(cè)試和比對(duì)等工作，將ETC3650數(shù)控車(chē)床改造為雙系統(tǒng)切換控制。雙系統(tǒng)由華中數(shù)控HNC808T型系統(tǒng)和廣數(shù)GSK988T型系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖1。華中系統(tǒng)和廣數(shù)系統(tǒng)使用的伺服總線不同，但都可以配置10 V模擬量主軸輸出接口，因此切換方案為：切換時(shí)，X和Z軸伺服電動(dòng)機(jī)、主軸電動(dòng)機(jī)與主軸變頻器等部件切換到不同的數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、I/O模塊進(jìn)行控制。本文將專門(mén)介紹華中數(shù)控HNC808T型系統(tǒng)對(duì)ETC3650數(shù)控車(chē)床的控制方案。

2　基于華中數(shù)控HNC808T的ETC3650數(shù)控車(chē)床硬件控制方案

硬件方案采用華中數(shù)控HNC808T數(shù)控裝置，匹配華中HSV-160U交流伺服搭建半閉環(huán)控制系統(tǒng)，配置框圖見(jiàn)圖2。X、Z兩個(gè)坐標(biāo)軸配10 N·m廣數(shù)伺服電動(dòng)機(jī)，最高轉(zhuǎn)速2 500 r/min，丹娜赫多圈17位絕對(duì)編碼器。兩臺(tái)進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)均經(jīng)過(guò)彈性聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連，絲杠螺距均為10 mm。X軸伺服電動(dòng)機(jī)有抱閘，型號(hào)130SJT-MZ100D(AI4)；Z軸伺服電動(dòng)機(jī)不帶抱閘，型號(hào)130SJT-M100D(AI4)；兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)均匹配HSV-160U-030伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服軸設(shè)備與邏輯軸之間的映射關(guān)系如圖3所示。機(jī)床側(cè)輸入輸出信號(hào)全部使用遠(yuǎn)程I/O，數(shù)字量輸入2塊，輸出1塊，即32點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出。在PLC中增加1個(gè)軸控模塊HIO-1041，使用其10 V模擬口控制日立WJ200變頻器，驅(qū)動(dòng)額定功率15 kW主軸電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸速度控制。主軸編碼器反饋信號(hào)也連接到此軸控模塊。

HNC808T數(shù)控系統(tǒng)使用NCUC總線連接模擬主軸、機(jī)床面板MCP、伺服驅(qū)動(dòng)、PLC模塊等設(shè)備，該總線為環(huán)型結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

(1)#4總線設(shè)備參數(shù)設(shè)定

PRM504000=SP：設(shè)備名稱。

PRM504002=1001：設(shè)備類型為模擬量主軸。

PRM504010=3：工作模式為速度模式。

PRM504011=5：邏輯軸號(hào)。

PRM504015=4096：主軸反饋位置循環(huán)脈沖數(shù)。

PRM504016=8：主軸編碼器反饋設(shè)備號(hào)。

PRM504017=9：主軸DA輸出設(shè)備號(hào)。

(2)#5總線設(shè)備參數(shù)設(shè)定

PRM505000=MCP_NET：設(shè)備名稱。

PRM505002=2008：設(shè)備類型為總線控制面板。

PRM505012=480：輸入點(diǎn)起始組號(hào)，即機(jī)床面板輸入地址起始字節(jié)為X480。

PRM505013=30：輸入點(diǎn)組數(shù)，即機(jī)床面板輸入信號(hào)占30個(gè)字節(jié)。

PRM505014=480：輸出點(diǎn)起始組號(hào)，即機(jī)床面板輸出地址起始字節(jié)為Y480。

PRM505015=30：輸出點(diǎn)組數(shù)，即機(jī)床面板輸出信號(hào)占30個(gè)字節(jié)。

(3)#6、#7總線設(shè)備參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1。

表1#6、#7總線設(shè)備參數(shù)設(shè)定

#6設(shè)備參數(shù)號(hào)設(shè)定值#7設(shè)備參數(shù)號(hào)設(shè)定值說(shuō) 明506000AX507000AX設(shè)備名稱50600220025070022002設(shè)備類型:伺服軸50600305070031同組設(shè)備序號(hào)50601025070102工作模式:位置絕對(duì)50601105070112邏輯軸號(hào)506015131072507015131072反饋位置循環(huán)脈沖數(shù)50601635070163編碼器類型:絕對(duì),無(wú)Z脈沖

(4)#8、#9總線設(shè)備參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表2。

3　進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)的連接與設(shè)定

HNC808T數(shù)控系統(tǒng)伺服接口為NCUC總線接口，XS2為入口，XS3為出口。伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電動(dòng)機(jī)的連接參見(jiàn)圖5，該圖給出X軸驅(qū)動(dòng)器的連接，Z軸與之類似。驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力電源采用三相200 V交流電源，從L1、L2、L3端子接入。驅(qū)動(dòng)器XS1是編碼器反饋接口。

伺服硬件連接完成后，需要對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)和數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)定。

表2#8、#9總線設(shè)備參數(shù)設(shè)定

#8設(shè)備參數(shù)號(hào)設(shè)定值#9設(shè)備參數(shù)號(hào)設(shè)定值說(shuō) 明508000IO_NET509000IO_NET設(shè)備名稱50800220075090022007設(shè)備類型:伺服軸50800305090031同組設(shè)備序號(hào)508012105070100輸入點(diǎn)起始組號(hào)5080131050701110輸入點(diǎn)組數(shù)508014105070150輸出點(diǎn)起始組號(hào)5080151050701610輸出點(diǎn)組數(shù)

華中數(shù)控HNC808T參數(shù)主要是電子齒輪比的設(shè)定。其計(jì)算公式如下：

式中：ZM為絲杠端齒輪齒數(shù)；ZD為伺服電動(dòng)機(jī)端齒輪齒數(shù)。

機(jī)床采用ISB系統(tǒng)編程，其中X軸為直徑編程，導(dǎo)程為10 mm，Z軸為半徑編程，導(dǎo)程為10 mm，電動(dòng)機(jī)與X、Z軸絲杠直接連接(ZM：ZD=1：1)，采用17位絕對(duì)式編碼器(編碼器線數(shù)：217=131072)，計(jì)算X、Z軸對(duì)應(yīng)的齒輪比。

CNC側(cè)主要伺服軸參數(shù)設(shè)定如表3所示。X軸的齒輪比按計(jì)算值取負(fù)進(jìn)行設(shè)定，是因?yàn)閄軸移動(dòng)方向與設(shè)定方向不一致，需要取反。伺服單元側(cè)電子齒輪比設(shè)為1：1。

表3CNC側(cè)伺服軸主要參數(shù)設(shè)定

X軸參數(shù)號(hào)設(shè)定值Z軸參數(shù)號(hào)設(shè)定值說(shuō) 明100000X102000Z顯示軸名10000111020011軸類型為直線軸100004-625102004625齒輪比分子100005163841020058192齒輪比分母10001001020100回參考點(diǎn)模式:絕對(duì)編碼

伺服單元共88 個(gè)伺服參數(shù)，其中PA 參數(shù)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)10×200～10×243，伺服單元PB參數(shù)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)10×244～10×287 ，參數(shù)編號(hào)中的×為邏輯軸號(hào)。因此伺服單元參數(shù)既可以在伺服單元上設(shè)定，也可以在數(shù)控系統(tǒng)上完成設(shè)定?，F(xiàn)以X軸為例說(shuō)明設(shè)定步驟：

①PA34=2003：使用擴(kuò)展參數(shù)。

②PA43=1214：設(shè)定驅(qū)動(dòng)單元規(guī)格12，電動(dòng)機(jī)類型代碼14。

③由于匹配廣數(shù)伺服電動(dòng)機(jī)，需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)規(guī)格設(shè)置以下參數(shù)：

PA17=2500：電動(dòng)機(jī)最高速度限制，單位：r/min。

PA18=120：過(guò)載力矩電流設(shè)置，單位：額定電流的百分比。

PA24=4：伺服電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

PA25=5：伺服電動(dòng)機(jī)編碼器類型：BISS協(xié)議絕對(duì)編碼器。

PA26=0：伺服電動(dòng)機(jī)編碼器零位偏移量。

PA27=800：電流比例增益設(shè)置。

PA28=45：電流積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置。

PB42=950：伺服電動(dòng)機(jī)額定電流，單位：0.01 A。

PB43=2000：伺服電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，單位：r/min。

④PA34=1230：保存參數(shù)。

4　主軸驅(qū)動(dòng)的連接及設(shè)定

軸卡AXIS1提供2個(gè)軸控制接口XA和XB，每個(gè)接口包含：脈沖指令、D/A 模擬電壓指令、編碼器反饋指令。使用其XA端口，從VCMD1+、VCMD1-端輸出0～10 V電壓，與主軸變頻器的連接如圖6所示。與主軸控制相關(guān)的輸入輸出信號(hào)連接到輸入模塊INPUT1和輸出模塊OUTPUT1。主軸編碼器連接到AXIS1模塊的XA端口，如圖7所示。

數(shù)控系統(tǒng)側(cè)主軸參數(shù)整定：

PRM10500=S：軸名稱。

PRM105001=10：軸類型為主軸。

PRM105004=360000：齒輪比分子。

PRM105005=4096：齒輪比分母。

PRM105060=361：定位允差(屏蔽報(bào)警)。

PRM105061=361：最大跟隨誤差(屏蔽報(bào)警)。

PRM105090=0x100：編碼器工作模式，即跟蹤誤差由數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算。

PRM010350(P50)=3200：主軸最高轉(zhuǎn)速，即指令S3200時(shí)，輸出10 V電壓；指令S320時(shí)，輸出1 V電壓。

PRM504014=255：主軸零漂(mV)。指令S0M03，實(shí)測(cè)此時(shí)主軸模擬量輸出電壓，將測(cè)量值輸入該參數(shù)。

主軸變頻器智能輸入輸出端子定義以及主軸變頻器無(wú)傳感器矢量控制主要參數(shù)整定見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]，此處略。

5　結(jié)語(yǔ)

采用華中數(shù)控系統(tǒng)HNC808T實(shí)現(xiàn)ETC3650數(shù)控車(chē)床的控制，于2015年1月成功投入運(yùn)行。現(xiàn)總結(jié)如下：

①HNC808T系統(tǒng)伺服控制接口采用NCUC總線方式，系統(tǒng)可以對(duì)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程整定與控制。

②通過(guò)在PLC中擴(kuò)展軸控模塊，利用其10 V模擬量輸出接口控制控制矢量變頻器，采用無(wú)傳感器矢量控制方式控制主軸電動(dòng)機(jī)調(diào)速。

③通過(guò)在PLC中擴(kuò)展的軸控模塊編碼器反饋接口實(shí)現(xiàn)了主軸速度檢測(cè)。

④采用Biss通訊協(xié)議，配置丹娜赫多圈17位絕對(duì)編碼器，華中數(shù)控伺服單元HSV160U匹配廣數(shù)伺服電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控車(chē)床X軸和Z軸的位置控制。

⑤HNC808T系統(tǒng)支持PLC梯形圖編程，調(diào)試非常方便。

⑥雙系統(tǒng)實(shí)施切換時(shí)，需要對(duì)X/Z坐標(biāo)軸伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線、伺服電動(dòng)機(jī)編碼器反饋接口、主軸驅(qū)動(dòng)、機(jī)床強(qiáng)電輸入輸出回路進(jìn)行切換。切換均通過(guò)接插件實(shí)現(xiàn)。

[1]華中8型數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)說(shuō)明書(shū)[Z].武漢華中數(shù)控股份有限公司,2012.

[2]華中8型數(shù)控系統(tǒng)用戶說(shuō)明書(shū)[Z].武漢華中數(shù)控股份有限公司,2012.

[3]華中8型數(shù)控系統(tǒng)PLC編程說(shuō)明書(shū)[Z].武漢華中數(shù)控股份有限公司,2013.

[4]日立變頻器WJ200系列使用說(shuō)明書(shū)[Z].HITACHI,2009.

[5]羅敏，馬彬，吳岳敏. 基于GSK988T的數(shù)控車(chē)床控制系統(tǒng)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2015(10)：44-47.

[6]GSK SJT系列交流伺服電動(dòng)機(jī)使用說(shuō)明書(shū)[Z].廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，2010.

[7]霍海龍.基于BiSS協(xié)議的編碼器及其在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣自動(dòng)化，2011(3)：12-14.

[8]周有為,劉和平,劉述喜.異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2005(9):51-54.

[9]王列虎,皮佑國(guó).基于BISS協(xié)議的編碼器接口技術(shù)研究及應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓,2011(8):103-105,121.

(編輯孫德茂)

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CNC lathe machine controlled by HNC808T NC system

LUO Min, MA Bin, WU Yuemin

(Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, CHN)

In order to meet the requirement on ETC3650 lathe machine, the control scheme based on HNC808T NC system is put forward. NCUC bus is applied for the feed servo drive and PLC modules. GSK servo motors with the absolute position encoder are equipped for semi close-loop control. The spindle is driven by WJ200 HITACHI inverter which is controlled by the vector control without sensor through 10 V analog interface of axis control module. The remote I/O is applied for the machine. The practical application shows that the CNC retrofit is successful.

NC lathe; servo drive; inverter

TP23

B

羅敏，男，1967年生，碩士，研究員級(jí)高工，教授，主要從事數(shù)控技術(shù)應(yīng)用研究。

2015-09-15)

160415

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“面向汽車(chē)零部件產(chǎn)業(yè)的數(shù)控裝備開(kāi)發(fā)及應(yīng)用示范”資助(2012BAF13B10)