基于華中18i型數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)螺紋磨床改造

【摘要】本文以S7620普通內(nèi)螺紋磨床為研究對象，采用華中HNC-18i數(shù)控系統(tǒng)，對磨床徑向進(jìn)給工作臺（X軸）進(jìn)行數(shù)控化改造；采用水冷式電主軸磨頭代替原來機(jī)械式磨頭；對原來車頭直流電機(jī)調(diào)速改為普通交流電機(jī)采用變頻器控制；采用菜單編程模式進(jìn)行磨削加工，實際使用情況表明，改造后操作簡單實用，機(jī)床故障率降低，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品磨削質(zhì)量提高，同時實現(xiàn)一人多機(jī)操作，這種改造模式可進(jìn)行應(yīng)用推廣。

【關(guān)鍵詞】內(nèi)螺紋磨床；華中HNC-18i；數(shù)控改造

1.引言

我公司是專業(yè)生產(chǎn)商用車轉(zhuǎn)向器廠家，在數(shù)控技術(shù)未普及年代，轉(zhuǎn)向器活塞螺母熱處理后內(nèi)滾道磨削，全靠漢江機(jī)床廠生產(chǎn)的S7620普通內(nèi)螺紋磨床進(jìn)行加工。該設(shè)備采用液壓與機(jī)械聯(lián)合進(jìn)給半自動操作模式；進(jìn)刀和砂輪修整靠手動操作；設(shè)備老化后造成磨削尺寸不穩(wěn)定因素諸多，全靠工人操作經(jīng)驗保證。由于不能進(jìn)行全自動磨削加工、一人操作一臺設(shè)備、加工效率又低，不適合公司推行精益生產(chǎn)的一人多機(jī)模式，加上設(shè)備老化后故障率高，嚴(yán)重制約公司的產(chǎn)能發(fā)展，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，推行精益生產(chǎn)，因此將該設(shè)備進(jìn)行數(shù)控化改造迫在眉睫。

2.改造方案確定

S7620普通內(nèi)螺紋磨床由液壓、機(jī)械、電氣聯(lián)合控制的半自動內(nèi)螺紋磨床，電氣控制是最典型的繼電器接觸器控制線路，機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)由徑向進(jìn)給工作臺、軸向滑臺、砂輪修整三部分組成。

徑向進(jìn)給工作臺由砂輪磨頭、工作臺、絲杠、油缸和操作手柄組成，油缸驅(qū)動工作臺快速移動和定位，磨削進(jìn)刀和砂輪修整進(jìn)刀靠手柄旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)帶動絲杠驅(qū)動滑臺進(jìn)行磨削和砂輪修整進(jìn)刀，該部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件繁多，空間緊湊，故障率高，維修不方便。由此徑向進(jìn)給工作臺的改造方案是去除原來機(jī)械機(jī)構(gòu)和液壓驅(qū)動部分，采用伺服驅(qū)動進(jìn)給，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分，傳動絲杠采用螺距為5mm高精度滾珠絲杠，移動直線速度最高達(dá)10米/分，伺服電機(jī)以及高精度滾珠絲杠組合使用的精度和速度完全滿足產(chǎn)品磨削工藝和精度的要求。

軸向滑臺由車頭、滑臺、滾珠絲杠副和車頭電機(jī)組成，車頭電機(jī)驅(qū)動車頭旋轉(zhuǎn)，車頭通過配比懸掛齒輪同滑臺滾珠絲杠連接，來實現(xiàn)磨削工件旋轉(zhuǎn)一周，軸向滑臺移動一個螺距的聯(lián)動，通過滑臺行程限位開關(guān)控制車頭電機(jī)正反轉(zhuǎn)，控制工件靠近砂輪磨削和退出磨削，由于改造成本限制，保留該部分經(jīng)典的機(jī)械結(jié)構(gòu)，修復(fù)軸向滑臺傳動精度，將車頭驅(qū)動方式進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)螺紋滾道雙向磨削，將磨削效率提高一倍。

砂輪修整原來采用金剛筆修整，金剛筆采用擺動方式修整砂輪，由于擺動軌道磨損，每次修整后的砂輪形狀同工件螺紋滾道外形難保證一致，該部分改造方案是去除原來的結(jié)構(gòu)，采用成形金剛滾輪修整模式，成形金剛滾輪尺寸參數(shù)同工件螺紋滾道一致，經(jīng)成形金剛滾輪重復(fù)修整后的砂輪的外形尺寸可以保持一致性，解決一處尺寸出現(xiàn)不穩(wěn)定環(huán)節(jié)。

3.改造方案實施

3.1數(shù)控系統(tǒng)以及伺服選型

華中HNC-18i型系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)實用型數(shù)控系統(tǒng)，可支持2軸聯(lián)動，可配各種類型的脈沖驅(qū)動單元，除標(biāo)準(zhǔn)的操作面板外，還配置32路開關(guān)量輸入和24路開關(guān)量輸出接口，另外還配手持單元接口和主軸控制接口，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化后，控制輸入輸出點數(shù)足以滿足要求，更加重要的是該系統(tǒng)提供20個斷電保存用戶宏變量，這是能否作為磨床系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵點，上述基本功能已經(jīng)滿足該設(shè)備數(shù)控化改造要求，再加上華中系統(tǒng)廠家的地理位置和顯著的服務(wù)優(yōu)勢，所以推薦使用華中HNC-18i數(shù)控系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)選擇松下MINAS A5系列驅(qū)動裝置以及其對應(yīng)伺服電機(jī)構(gòu)成，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、電機(jī)體積小、抗干擾能力強(qiáng)、定位精準(zhǔn)，為以后的穩(wěn)定磨削加工提供條件。

3.2砂輪磨頭控制

S7620普通內(nèi)螺紋磨床原來砂輪磨頭是普通機(jī)械磨頭，由于轉(zhuǎn)速固定，隨著砂輪磨削修整直徑變小后，砂輪線速度也降低，產(chǎn)品磨削后的光潔度下降，并且普通機(jī)械磨頭在使用后有一定溫升，從而導(dǎo)致加工尺寸不穩(wěn)定。

改造后采用較為先進(jìn)的水冷式電主軸磨頭，功率7.3KW，頻率600HZ，轉(zhuǎn)速36000轉(zhuǎn)/分，足以滿足所有產(chǎn)品加工轉(zhuǎn)速要求范圍，采用7.5KW變頻驅(qū)動，型號為臺達(dá)VFD075B43A，砂輪轉(zhuǎn)速由數(shù)控系統(tǒng)S指令控制系統(tǒng)主軸接口的0-10V模擬電壓輸出來控制變頻器實現(xiàn)無級變速，砂輪啟動停止由M代碼控制，具體執(zhí)行在加工程式中控制，隨著砂輪修整直徑變小，用戶可以直接操作面板主軸速度倍率來調(diào)整砂輪轉(zhuǎn)速，改造后既給操作帶來方便，又在一個環(huán)節(jié)消除磨削出現(xiàn)不穩(wěn)定的因素。

3.3車頭旋轉(zhuǎn)速度控制

改造前的S7620普通內(nèi)螺紋磨床，車頭旋轉(zhuǎn)由一臺直流電機(jī)驅(qū)動，電柜內(nèi)直流電機(jī)驅(qū)動模塊電路老化，故障頻繁，轉(zhuǎn)速由面板電位計調(diào)整，在磨削過程中需靠手工調(diào)節(jié)來改變粗磨和精磨的磨削速度。

根據(jù)原直流電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速值作參考，采用1.5KW普通三相交流電機(jī)驅(qū)動車頭，用一臺2.2KW變頻器控制電機(jī)，型號為臺達(dá)VFD022B43A，使用此方案對原車頭的直流電機(jī)的控制做出改造，控制原理圖見圖1。

改造后的速度控制采用變頻器的7段速控制方式來實現(xiàn)多種磨削速度，分別對應(yīng)頻率為10Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、50Hz，系統(tǒng)控制對應(yīng)的用戶自定義M代碼分別為M20、M21、M22、M23、M24、M25、M26。

3.4伺服控制

改造后松下MINAS A5伺服驅(qū)動由HNC-18i系統(tǒng)控制，伺服電機(jī)編碼器是2500線，由于HNC-18i系統(tǒng)系統(tǒng)對指令有四細(xì)分，驅(qū)動器對電機(jī)編碼器有四倍頻，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，工作臺直線移動5mm，數(shù)控系統(tǒng)需發(fā)送發(fā)2500*4*4=40000個脈沖，同時伺服電機(jī)編碼器通過伺服驅(qū)動器反饋2500*4=10000個脈沖到數(shù)控系統(tǒng)，外部脈沖當(dāng)量分子與外部脈沖當(dāng)量分母之比為坐標(biāo)軸實際脈沖當(dāng)量，即每個位置單位所對應(yīng)坐標(biāo)軸實際移動距離，即系統(tǒng)電子齒輪比，根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析計算，系統(tǒng)電子齒輪比為5000/40000=1/8。

數(shù)控系統(tǒng)將發(fā)出的脈沖數(shù)和返回的脈沖數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控和跟蹤比較，當(dāng)誤差超出一定范圍，產(chǎn)生跟蹤誤差報警，提示用戶查找問題，數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動和伺服電機(jī)之間構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有很高的位置精度控制能力。

4.程序設(shè)計

4.1磨削過程

機(jī)床徑向控制采用伺服控制（X軸），軸向采用M代碼控制工件左右運(yùn)動，可以實現(xiàn)在工件兩端自動進(jìn)給的軸向磨削循環(huán)。磨削循環(huán)過程，執(zhí)行M35軸向滑臺磨削右行后，當(dāng)砂輪相對移到工件的左端時，X軸進(jìn)給移動，砂輪前進(jìn)一個值，執(zhí)行M36軸向滑臺磨削左行后，當(dāng)砂輪相對移到工件的右端時，X軸進(jìn)給移動，砂輪前進(jìn)一個值，在工件運(yùn)動過程中X軸徑向不得進(jìn)給移動，如此進(jìn)行粗磨、半精磨、精磨循環(huán)后，當(dāng)磨削余量變?yōu)榱銜r，必須執(zhí)行M34軸向滑臺左行，工件遠(yuǎn)離砂輪后，進(jìn)行砂輪自動修整，然后進(jìn)行光磨。

實際使用中，在程序合適位置設(shè)置一個選擇停M01，方便實現(xiàn)砂輪對刀。當(dāng)X軸移動到循環(huán)磨削起點位置時，執(zhí)行M01暫停，然后操作者插入手動磨削，根據(jù)磨削火花狀況，左右調(diào)整軸向滑臺的位置，使得砂輪在螺紋滾道中間位置，然后再轉(zhuǎn)入自動磨削。

4.2菜單編程

將磨削所需數(shù)據(jù)用系統(tǒng)斷電保存的宏變量表示，編程時，操作者只需把所需數(shù)據(jù)輸入，不需要修改程序。零件變化時，只需改變相關(guān)位置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)菜單編程，使得操作更加簡單直觀。菜單編程界面如表1。

4.3磨削程序

機(jī)床磨削程序按照主程序，子程序結(jié)構(gòu)編制。

5.結(jié)束語

經(jīng)過數(shù)控化改造后的S7620螺紋磨床，實現(xiàn)自動磨削和砂輪修整，一人多機(jī)操作，生產(chǎn)效率高，降低生產(chǎn)成本和設(shè)備投資，同時磨削加工產(chǎn)品的質(zhì)量和設(shè)備的運(yùn)行都非常的穩(wěn)定可靠，達(dá)到預(yù)期的改造效果；目前公司10余臺早已全部改造完工，最初改造使用至今已近8年，給公司創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計，多數(shù)轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)企業(yè)均有此類設(shè)備，因此該改造案例在業(yè)內(nèi)具有極大的推廣價值。

參考文獻(xiàn)

[1]藍(lán)文謹(jǐn).從螺紋磨床的改造探討設(shè)備改造的途徑.設(shè)備管理維修，1981（01） .

[2]趙藝兵，高世平.基于西門子802D數(shù)控系統(tǒng)的螺紋磨床改造.中國制造業(yè)信息化，2007（9）：58-59.

[3]HNC-18i數(shù)控系統(tǒng)連接說明書.武漢華中數(shù)控股份有限公司.

[4]Panasonic Main A4系列AC伺服驅(qū)動器技術(shù)資料匯編.松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社.

[5]趙永強(qiáng)，李志峰，魏偉鋒.螺紋磨床CNC砂輪修整器的參數(shù)設(shè)計.制造業(yè)自動化，2012（12） .

[6]VFD-B使用手冊.中達(dá)電通股份有限公司.

[7]華中數(shù)控PLC編程說明書.武漢華中數(shù)控股份有限公司.

[8]孫德茂.使用FANUC宏程序編制單軸磨削循環(huán)及補(bǔ)償功能.制造技術(shù)與機(jī)床，2003（2）：74-76.

作者簡介

第一作者：周國和，男，1981年出生，大學(xué)本科，工程師，主要從事工業(yè)自動化，數(shù)控技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用。