基于華中數(shù)控系統(tǒng)的ZJK7532A數(shù)控鉆銑床升級改造

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

1 升級改造的內(nèi)容

ZJK7532A數(shù)控鉆銑床是外配通用PC機的經(jīng)濟型數(shù)控裝置，屬于早期的華中2000系列數(shù)控系統(tǒng)，主軸為機械手動變速，進給為步進電機開環(huán)控制，采用梯形螺紋絲杠傳動。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，交流伺服電機半閉環(huán)控制，主軸無級調(diào)速改造和機械結(jié)構(gòu)升級。

2 改造設(shè)計具體方案

2.1 機械結(jié)構(gòu)的改進

機床主軸的改造是在原機床手動換檔三級變速的基礎(chǔ)上，充分利用原有三相異步電動機和主軸變速箱，采用變頻器驅(qū)動實現(xiàn)手動換檔分段無級變速的控制方式。這種方式很適合需要無級變速但又對低速和高速都不要求的場合，實現(xiàn)起來簡單方便又比較經(jīng)濟，在較低速度時可通過機械變速裝置擴大輸出轉(zhuǎn)矩，但其調(diào)速范圍受到電動機最高轉(zhuǎn)速的限制。進給軸結(jié)構(gòu)改造如圖1所示，伺服電機通過1:1的齒形帶輪帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)工作臺的運動。替換了原有的梯形螺紋絲杠，提高了機床的精度和快速響應(yīng)性。

圖1 x、y、z軸機械傳動部分

2.2 強電電氣控制設(shè)計

改進后機床強電電氣原理圖如圖2所示。主要是主軸和進給伺服電機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)濟性因素，本機床改造中我們選擇華中“世紀星”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，滿足用戶對低價格、高性能、簡單、可靠的要求而開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，近年來國內(nèi)用戶對其認可度有很大提高。它采用了先進的開放式體系結(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、電子盤等程序存儲方式以及軟驅(qū)、DNC、以太網(wǎng)等程序交換功能。具體連線如圖3所示。

圖2 機床強電電氣回路原理圖

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，適用電機容量1.5KW，具有主軸過流、短路、過熱等故障報警功能。變頻器根據(jù)輸入的速度指令和運行狀態(tài)指令輸出相應(yīng)頻率和幅值的交變電流控制電動機旋轉(zhuǎn)。速度指令為0～10V的模擬電壓，旋轉(zhuǎn)方向歸PLC輸出的開關(guān)量信號決定。具體連接如圖4所示。

圖4 主軸變頻器與電機及控制器的連接圖

2.5 進給驅(qū)動電路

本機床改造中的伺服電機驅(qū)動選用一款華中開發(fā)的型號為HSV-16全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器，其內(nèi)部采用最新專用運動控制DSP、FPGA和IPM等當(dāng)今最新技術(shù)設(shè)計。具有控制簡單靈活、狀態(tài)顯示齊全、寬調(diào)速比等特點。運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，以保證電機的位置精度。連線如圖5所示。

圖5 HSV160伺服驅(qū)動器的典型連接方式（位置控制模式）

2.6 機床參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如圖6所示，實際上是對系統(tǒng)內(nèi)部所有硬件設(shè)備進行登記，包括功能配置參數(shù)、輸入輸出模塊接口參數(shù)、控制方式和所對應(yīng)的接口的設(shè)置參數(shù)，以實現(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算。

其中，L——絲杠螺距所對應(yīng)的內(nèi)部脈沖當(dāng)量。（對于世紀星系列的數(shù)控系統(tǒng)，在進行齒輪比計算的時候內(nèi)部脈沖當(dāng)量為0.001mm）

N——電機每轉(zhuǎn)一圈,所需要的脈沖數(shù).

X1——數(shù)控系統(tǒng)的細分數(shù)。

X2——伺服驅(qū)動器的內(nèi)部電子齒輪比。

J——機床進給軸的機械傳動齒輪比。

M——伺服電機碼盤的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，即電機的碼盤線數(shù)。

B——數(shù)控系統(tǒng)對伺服電機的碼盤反饋的倍頻數(shù)。

圖6 機床參數(shù)

3 結(jié)束語

機床硬件安裝、連線和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置完畢后，首先對機床主軸、坐標軸各個部分進行功能測試，然后整機聯(lián)調(diào)及加工精度檢測。目前改造后機床已投入使用，從加工使用情況來看，改造后機床功能豐富、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，與購買同檔次的全新數(shù)控機床相比，所用成本大大降低。本次改造，對于加工企業(yè)以較低成本升級早期數(shù)控機床檔次具有重要借鑒意義。

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