祁百學(xué)，盧建明，閆沛淵

蘭州航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅蘭州 730070

1 序言

學(xué)校原數(shù)控車床采用GSK981T系統(tǒng)，盡管在過去的教學(xué)中發(fā)揮了較大的作用，但系統(tǒng)年久失修，故障頻發(fā)，且功能單一，市場應(yīng)用不廣泛，還存在偶然丟失系統(tǒng)數(shù)據(jù)的情況，已無法滿足教學(xué)的需求。經(jīng)我校多方考證決定，自行升級改造該臺數(shù)控車床。

本次數(shù)控系統(tǒng)升級改造選用華中數(shù)控H N C-818D數(shù)控系統(tǒng)。此數(shù)控系統(tǒng)是武漢華中數(shù)控股份有限公司開發(fā)出的總線數(shù)控系統(tǒng)，它基于具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的NCUC工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)，采用模塊化、開放式體系結(jié)構(gòu)的高可靠性設(shè)計，具有高速、高精、多軸多通道及云數(shù)據(jù)等特點，具有極高的性價比[1]，能夠完全滿足我校近幾年的教學(xué)需要，也為我校其他早期數(shù)控系統(tǒng)的升級改造積累了一定的經(jīng)驗。

2 整體改造方案

CK 6140數(shù)控車床升級改造總體設(shè)計如下。

（1）數(shù)控系統(tǒng) 選用華中數(shù)控HNC-818D數(shù)控系統(tǒng)替代GSK 981T，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、機床加工精度和加工效率，為以后進一步增加其他功能預(yù)留擴展功能。

（2）電氣線路 重新設(shè)計主電路及控制回路，但電氣柜及伺服變壓器仍然用原數(shù)控機床部件，以達到在滿足要求的情況下盡量節(jié)省改造費用的目的。

（3）進給系統(tǒng) 將原步進驅(qū)動及步進電動機全更換為總線式帶絕對位置記憶的伺服驅(qū)動器及伺服電動機，提高進給控制精度、運行的穩(wěn)定性及負載承載能力。

（4）主軸部分 保留原變頻主軸。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止，給定轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速的顯示均通過外置IO單元實現(xiàn)。

（5）IO輸入輸出單元 將原系統(tǒng)內(nèi)置的PLC改為外置的IO單元。考慮改造成本，IO單元采用華中HIO-1200-M1，其總線是IO單元，共有24位輸入、16位輸出，其上還有DA接口（用于變頻主軸）和主軸編碼器接口[2]，完全能夠滿足升級改造的需要。

（6）機械部分 除操作單元部分由于系統(tǒng)及操作面板的尺寸有變化需重新設(shè)計外，其他機械部分仍用原機床部分，只是在選用伺服電動機時，注意在滿足驅(qū)動要求的前提下，安裝接口與機床一致即可。

（7）機床參數(shù)設(shè)置及PLC程序編制 根據(jù)控制線路及加工操作的要求，重新設(shè)置機床參數(shù)及編制機床的PLC控制程序。

（8）機床整體調(diào)試 優(yōu)化機床參數(shù)，設(shè)置機床的軟限位、螺距補償及反向間隙等，綜合驗證機床的各種功能是否正常，精度是否完全達到標(biāo)準(zhǔn)。

3 機床的具體升級改造

（1）數(shù)控系統(tǒng)的升級改造 HNC-818D數(shù)控系統(tǒng)的IPG集所有外部接口于一身，連接機床操作面板MCP、UPS電源、U盤、手搖脈沖發(fā)生器、CF卡、以太網(wǎng)、顯示器及鍵盤等外部設(shè)備，程序擴展、數(shù)據(jù)交換和接線都非常方便，具有極高的性價比。改造前后數(shù)控裝置規(guī)格部分對比見表1。

表1 改造前后數(shù)控裝置規(guī)格部分對比

（2）電氣線路的升級改造 HNC-818D數(shù)控強電部分原理如圖1所示。機床的強電部分通過機床電氣控制柜的總開關(guān)QF0將380V的動力電引入電柜，控制柜通過開關(guān)S Q0達到開門斷電的目的。通過QF3、QF4和QF5分別給液壓電動機、冷卻電動機和刀架電動機提供動力和過載及短路保護。QF2為伺服變壓器TC1提供動力，TC1將380V變換為220V，為X軸和Z軸的伺服放大器提供動力電源及放大器的工作電源；QF1為主軸變頻器提供電源。

圖1 HNC-818D數(shù)控強電部分原理

（3）機床控制部分 HNC-818D系統(tǒng)總線要求連接成環(huán)，其中系統(tǒng)與機床操作面板僅由系統(tǒng)總線連接，機床操作面板的工作電源完全由系統(tǒng)總線提供，無其他的獨立電源，外置手脈盒連接在機床操作面板上，同樣工作電源也由總線提供?？偩€從IPC單元的PORT0到機床操作面板MCP的XS6A，再從MCP的XS6B到IO單元的X2A，如圖2所示，最終到IPC單元的PORT3，構(gòu)成一個完整的環(huán)，從而使數(shù)控系統(tǒng)能夠指揮和接收所有連接在總線上的部件的信息，構(gòu)成一個有機的整體。

圖2 HNC-818D系統(tǒng)總線連接

（4）機床進給系統(tǒng)的改造 伺服采用華中數(shù)控新一代全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器HSV-160u，其具有高速工業(yè)以太網(wǎng)總線接口，實現(xiàn)和數(shù)控裝置高速數(shù)據(jù)交換，具有高分辨率絕對式編碼器接口，位置反饋分辨率最高達到23位。伺服電動機均采用華中華大電動機，電動機編碼器均為23位絕對編碼器，額定轉(zhuǎn)速均為1500r/min，其中X軸伺服電動機的額定扭矩為5.4N·m，Z軸的額定扭矩為9.6N·m，各項指標(biāo)均遠優(yōu)于原機床的配置，完全能夠滿足教學(xué)的需求。

（5）主軸部分的改造 由于主軸驅(qū)動保留了原機床的變頻器、變頻電動機及主軸編碼器，因此設(shè)計時只需要考慮給變頻器提供相應(yīng)的運行指令，故本部分與IO單元的改造一并設(shè)計。

（6）IO輸入輸出單元的改造 IO單元采用華中HIO-1200-M1，其為總線式IO單元，共有24位輸入，16位輸出，其上還有DA接口（用于變頻主軸0～10V）和主軸編碼器接口。對于CKA6140數(shù)控車床，一塊HIO-1200-M1板完全滿足其控制需求，如以后要增加其他功能時IO點數(shù)不夠，可再購一塊，通過NCUC總線增加IO數(shù)量。圖3為本次IO分配地址及其邏輯控制線路。

圖3 IO分配地址及其邏輯控制線路

機床初次上電，若總線連接沒有問題，查看系統(tǒng)設(shè)備配置，就會出現(xiàn)圖4所示畫面，對H I O-1200-M1，其上有24位輸入、16位輸出，輸入可選PNP或NPN，同時其上還可接變頻器所需的0～10V輸出（可通過參數(shù)選擇－10～10V或0～10V）；還可接主軸編碼器，其輸入輸出可通過參數(shù)分配為兩部分，一部分為真實的IO輸入輸出，另一部分為模擬量輸出和主軸編碼器的轉(zhuǎn)速輸入占用的虛擬IO點，但兩者地址不能重疊，系統(tǒng)可通過參數(shù)偏置實現(xiàn)。

圖4 系統(tǒng)設(shè)備配置

（7）主軸及X軸、Z軸減速比的設(shè)定 主軸的減速比為2∶1，僅為一擋，主軸編碼器與主軸直連，擋內(nèi)無級調(diào)速，考慮到電動機低頻力矩性能較差，因此將電動機的起始頻率設(shè)定為30Hz，最高頻率設(shè)定為100Hz，主軸電動機為4極變頻電動機，忽略電動機轉(zhuǎn)差率，從而實現(xiàn)主軸450～1500r/min的轉(zhuǎn)速。

X軸、Z軸均通過聯(lián)軸節(jié)與滾珠絲杠直連，螺距分別為4mm、6mm，伺服電動機的編碼器均為23位絕對編碼器，僅需在對應(yīng)的參數(shù)100004、102004中輸入相應(yīng)的螺距值4000、6000；在參數(shù)100005和102005中輸入8388608，而伺服放大器中位置指令脈沖分頻分子、分母設(shè)為1∶1即可[3]。

（8）機床設(shè)置 按照機床的使用及加工范圍，設(shè)定軟限位，防止機床發(fā)生碰障。利用百分表或千分表，編制相應(yīng)的加工程序，機床往復(fù)運行測試螺距補償、反向間隙等，完成整體機床的設(shè)定工作。

4 結(jié)束語

通過本次數(shù)控車床升級改造，明顯感到華中數(shù)控系統(tǒng)的進步，硬件連接明顯簡化，一根總線連接所有關(guān)鍵設(shè)備，大大方便了用戶。調(diào)試畫面簡單有序，給用戶使用帶來了很大方便。這次升級改造積累了相關(guān)經(jīng)驗，經(jīng)過半年多的應(yīng)用，證明升級改造是成功的。