潘陽云，宋謙強(qiáng)

（中車長江車輛有限公司武漢分部，湖北武漢 430212）

CA8311B車磨車床數(shù)控化改造

潘陽云，宋謙強(qiáng)

（中車長江車輛有限公司武漢分部，湖北武漢 430212）

原鐵路貨車RD2車軸卸荷槽不退輪加工在CA8311B車磨車床上采用成型刀加工，不能滿足工藝要求。車床數(shù)控化改造后，車軸加工不僅成型好且效率高，完全適應(yīng)了RD2軸軸頸與防塵座不同等級、不同組合形狀的加工要求。

CA8311B車磨車床；數(shù)控改造；參數(shù)設(shè)置；硬件配置

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.56

1 存在的問題

中車長江車輛有限公司CA8311B車磨床于1999年投產(chǎn)，RD2軸卸荷槽采用成型刀加工，其軸頸與防塵座不同等級、不同組合形狀如圖1所示，目前存在4個(gè)缺點(diǎn)。

（1）成型刀加工時(shí)切削寬度太大，引起刀具振動，加工精度不能滿足產(chǎn)品要求。

（2）成型刀磨損后，無條件精確恢復(fù)刀具形狀尺寸，且刀具使用壽命短。

（3）加工切削量手動不好控制，且形狀不能保證圖紙的技術(shù)要求，加工效率低。

（4）在投產(chǎn)前檢修規(guī)程就車軸加工規(guī)定，RD2軸卸荷槽加工必須采用數(shù)控或仿形加工，因此該機(jī)床手動成型刀加工不符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)，整個(gè)技術(shù)改造方案的確定都是圍繞著車軸數(shù)控加工來展開的，難點(diǎn)有4個(gè)。①選擇一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能可靠、功能靈活的數(shù)控系統(tǒng)，選擇一套滿足RD2軸加工量的經(jīng)濟(jì)驅(qū)動系統(tǒng)。②在現(xiàn)有手動進(jìn)給刀架上改加滾珠絲桿，并配合驅(qū)動和數(shù)控進(jìn)行改造。③對數(shù)控系統(tǒng)和PLC部分針對此機(jī)床進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)整定和改寫。④針對RD2軸的不同等級加工要求編制加工程序。

圖1 RD2車軸圖

2 數(shù)控和驅(qū)動系統(tǒng)選用

選用性價(jià)比適合的SINUMERIK802S系統(tǒng)，SINUMERIK802S是西門子公司面向中國市場研究開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是系統(tǒng)簡單、內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大、操作簡單，配備中/英文菜單顯示。1塊集成面板、1塊操作面板、1個(gè)數(shù)控單元和PLC輸入/輸出接口、配以西門子公司的步進(jìn)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)，即組成1套完整的數(shù)控系統(tǒng)，原理框圖見圖2。SINUMERIK802S系統(tǒng)可控制2到3個(gè)步進(jìn)電機(jī)軸和一個(gè)開環(huán)主軸，步進(jìn)電機(jī)的控制信號為脈沖、方向及使能，步距角為0.36°（1 r 1000步）。NC單元（ECU）帶有全部接口，由于原車磨車床已有主軸控制功能且操作獨(dú)立，這次改造取消了圖2中虛線框的主軸控制部分。ECU最多可配4個(gè)輸入/輸出模塊，本次只配了一個(gè)輸入/輸出模塊，具有16輸入和16輸出。

圖2 原理框圖

3 系統(tǒng)參數(shù)整定和改寫

3.1 硬件配置

1塊集成面板，1塊操作面板，1個(gè)數(shù)控單元和PLC輸入/輸出接口，配置見圖3，配以西門子公司的步進(jìn)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)，配備一個(gè)手輪和坐標(biāo)選擇開關(guān)，就組成了一套完整的數(shù)控系統(tǒng)。由于車磨車床兩邊車軸對稱，因此配備兩套相同的數(shù)控系統(tǒng)，只是在軸向的坐標(biāo)反向即可。

3.2 參數(shù)設(shè)置

本機(jī)床采用電機(jī)與絲桿直連的方式，機(jī)床參數(shù)、PLC參數(shù)和坐標(biāo)參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。

（1）其中回參考點(diǎn)配置見圖4。在坐標(biāo)軸上有減速開關(guān)，在絲桿上有一接近開關(guān)（絲桿1 r產(chǎn)生1個(gè)脈沖）。減速開關(guān)接到DI/O的輸入，接近開關(guān)接到系統(tǒng)的高速輸入（X20）。該方式可高速尋找減速開關(guān)，然后低速尋找接近開關(guān)，返回參考點(diǎn)的速度快且精度高。

圖3 輸入/輸出口配置

圖4 參考點(diǎn)配置

（2）接近開關(guān)還可作脈沖監(jiān)控，在機(jī)床參數(shù)中設(shè)定脈沖數(shù)容差為10，即每轉(zhuǎn)一周的實(shí)際脈沖數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)相差＞10，系統(tǒng)就發(fā)出報(bào)警信號，這樣可將步進(jìn)電機(jī)因失步引起的誤差控制在0.06 mm以內(nèi)。

3.3 進(jìn)給坐標(biāo)動態(tài)特性調(diào)試

系統(tǒng)可對坐標(biāo)的動態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化，利用點(diǎn)動方式測試進(jìn)給軸的動態(tài)特性，設(shè)定各坐標(biāo)的最高速度，并選擇合適的加速度曲線（圖 5）。

圖5 加速度特性曲線

3.4 參考點(diǎn)邏輯調(diào)試

802S系統(tǒng)的很多功能都建立在參考點(diǎn)的基礎(chǔ)上。自動方式和MDA方式只有在機(jī)床返回參考點(diǎn)后才能進(jìn)行操作，反向間隙補(bǔ)償和絲桿螺距誤差補(bǔ)償也只有在返回參考點(diǎn)后才生效。選擇圖6所示的回參考點(diǎn)邏輯，其中，vc是尋找減速擋塊速度，vm是尋找接近開關(guān)信號速度，vp是參考點(diǎn)定位速度，Rv是參考點(diǎn)偏移，Rk是參考點(diǎn)坐標(biāo)。

圖6 回參考點(diǎn)邏輯

3.5 軟件限位設(shè)定

回參考點(diǎn)后，用手動移動各進(jìn)給軸，分別到達(dá)各硬件限位處，記下其坐標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)場加工工件范圍，確定其軟件限位值。

3.6 PLC程序

802S基本系統(tǒng)已將一個(gè)實(shí)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的PLC實(shí)用程序（IAP）集成于系統(tǒng)之中，機(jī)床具有普通交流電機(jī)作為主軸，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的坐標(biāo)軸，4或6工位刀架等，具體的控制可通過機(jī)床參數(shù)設(shè)定，以滿足不同型號機(jī)床的要求。IAP是集成PLC實(shí)用程序的簡稱，IAP對NC、機(jī)床及機(jī)床面板的信號進(jìn)行處理，實(shí)施對急停及超程信號的監(jiān)控并完成對坐標(biāo)軸、主軸、刀架、冷卻、潤滑等功能的控制。本次改造刀架按一工位定制，無主軸、冷卻、潤滑控制功能，因此對應(yīng)的功能通過機(jī)床PLC參數(shù)設(shè)置來使其有效或失效，且硬件也作相應(yīng)配置。由于原手輪控制哪一軸是通過面板中軟件操作來選擇的，而現(xiàn)場需要通過硬件選擇開關(guān)控制，因此對原手輪控制部分的PLC程序進(jìn)行改動。

4 刀具進(jìn)給系統(tǒng)

刀具進(jìn)給系統(tǒng)是數(shù)控加工的執(zhí)行系統(tǒng)，為保證數(shù)控傳動精度和加工質(zhì)量，刀架由步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲桿進(jìn)行進(jìn)給走刀，刀具本身采用機(jī)夾式硬質(zhì)合金不重磨車刀。除保留大、中、小刀架體外，刀架其他部分根據(jù)改造要求作了相應(yīng)改進(jìn)。

5 RD2軸加工程序編制

（1）圖1中所示RD2軸卸荷槽及防塵座有多種組合形狀，因此實(shí)際加工過程中，有多種組合，充分利用802S系統(tǒng)的參數(shù)化編程功能適應(yīng)了加工要求，編制了4個(gè)加工程序，供操作者選擇。利用參數(shù)表示的RD2軸簡圖如圖7所示，其中，Φ0是軸徑直徑，Φ1是防塵座直徑，Φ2是車輪處直徑，Φ3是卸荷槽直徑，A點(diǎn)為Z軸方向編程零點(diǎn)。

圖7 RD2軸參數(shù)化簡圖

（2）操作過程。①開機(jī)，按照先X軸再Z軸順序回參考點(diǎn)。②如果刀桿移動則需對刀，確定刀具T1的L1長度，否則跳過此步，進(jìn)入下一步。③將刀具移動到卸荷槽A處，操作面板計(jì)算、確認(rèn)零偏G54。④按照表1和表2，根據(jù)加工部位選擇程序及輸入所需Φ參數(shù)。⑤啟動主軸。⑥在“自動”工作方式下啟動加工程序。

表1 加工要求

表2 等級修尺寸 mm

6 改造后的機(jī)床技術(shù)參數(shù)

（1）X軸、Z軸聯(lián)動控制。坐標(biāo)軸X最大行程90 mm，坐標(biāo)軸Z最大行程264 mm。

（2）快速進(jìn)給速度。X軸和Z軸均為1500 mm/min。

（3）最小設(shè)定單位。X軸和Z軸均為0.006 mm/脈沖。

（4）定位精度。X軸和Z軸均為0.036 mm。

（5）重復(fù)定位精度。X軸和Z軸均為0.018 mm。

（6）步進(jìn)電機(jī)力矩。X軸和Z軸均為18 N·m。

TG659

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〔編輯 凌 瑞〕