YKD9320G型數(shù)控齒輪倒角機(jī)控制系統(tǒng)升級(jí)改造

李秉澤

（中國(guó)重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司， 山西 大同 037005）

引言

大齒公司同步器加工部目前有十臺(tái)由天津第一機(jī)床廠2003年生產(chǎn)的YKD9320G型數(shù)控齒輪倒角機(jī)用于同步器齒套的加工，該型機(jī)床采用SIEMENS802S數(shù)控系統(tǒng)、進(jìn)給控制設(shè)計(jì)由STEPDRIVE C步進(jìn)驅(qū)動(dòng)配置步進(jìn)電機(jī)控制，為開環(huán)系統(tǒng)控制。早期該類型機(jī)床采用的電氣控制系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)落后?？刂葡到y(tǒng)分辨率及步進(jìn)電機(jī)控制精度較差，其原因在于進(jìn)給控制采用的是開環(huán)系統(tǒng)的步進(jìn)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)方式。使用十幾年來(lái)，其固有的丟步及步距精度不準(zhǔn)的現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，在自動(dòng)運(yùn)行程序加工時(shí)尺寸不準(zhǔn)，造成產(chǎn)品廢損率居高不下，一直無(wú)法處理。如果花大量的資金更換全新的數(shù)控倒角機(jī)費(fèi)用過(guò)高，給企業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)較大。據(jù)了解機(jī)床的控制系統(tǒng)改造同購(gòu)置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60%左右的費(fèi)用，因此，根據(jù)公司的情況，對(duì)數(shù)控倒角機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)的升級(jí)改造。設(shè)計(jì)采用國(guó)產(chǎn)性能比較完善的北京凱恩帝KND 10MI三軸數(shù)控系統(tǒng)，配置三套伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用伺服驅(qū)動(dòng)倒角機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行半閉環(huán)的控制，采用伺服電機(jī)，通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)刀軸滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行切削[1-2]。

1 YKD9320G型數(shù)控齒輪倒角機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 機(jī)床的特點(diǎn)與用途

該機(jī)床屬于數(shù)控機(jī)型，主要用于汽車等變速箱換擋輪的倒角加工，可加工盤狀齒輪、齒圈等。此機(jī)床具有高效、加工質(zhì)量好、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。適合于批量化生產(chǎn)的需要。

1.2 機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)

機(jī)床結(jié)構(gòu)：機(jī)床由七部分組成，分別是床身、工件箱、刀軸箱、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、防護(hù)裝置等。

機(jī)床原控制系統(tǒng)的組成：SIEMENS 802S數(shù)控系統(tǒng)、STEPDRIVE C步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]。步進(jìn)電機(jī)用于完成機(jī)床的X、Y、Z三軸的移動(dòng)控制，SIEMENS 802S PLC控制器、SIEMENS-MICROMASTER 440通用型變頻器用于完成主軸的速度控制，見圖1。

圖1 機(jī)床控制框圖

1.3 機(jī)床的工作原理

機(jī)床的加工原理為間隔逐齒加工，在工件右端采用兩把端銑刀，切削齒輪兩側(cè)齒的倒角，兩把銑刀同時(shí)進(jìn)給，一齒切削完畢，刀軸讓刀、工件分度然后開始下一次切削。從開始切削起，工件轉(zhuǎn)一周即可完成一個(gè)零件的倒角加工，見下頁(yè)圖2。

2 控制系統(tǒng)升級(jí)改造方案

在改造期間，考慮到倒角機(jī)大部分電氣元件及機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能和性能均良好，且該倒角機(jī)的液壓及潤(rùn)滑系統(tǒng)的性能都良好。機(jī)床在加工過(guò)程中出現(xiàn)丟步或出現(xiàn)異常報(bào)警停機(jī)等故障主要是由機(jī)床電氣控制系統(tǒng)故障和控制精度偏低引起的。因此，從改造方案和經(jīng)濟(jì)效益兩方面結(jié)合起來(lái)考慮，決定把機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)床原有供電系統(tǒng)保留，結(jié)合三菱FX1N-60MR PLC和凱恩帝（KND）10Mi數(shù)控系統(tǒng)對(duì)YKD9320G型數(shù)控倒角機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，最大程度地保持倒角機(jī)原有的操作習(xí)慣，同時(shí)提高該類型倒角機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定性，有效改善此類數(shù)控倒角機(jī)的生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。

根據(jù)實(shí)際工況，YKD9320G型數(shù)控齒輪倒角機(jī)控制系統(tǒng)改造方案如下：

圖2 加工循環(huán)動(dòng)作框圖

2.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

經(jīng)過(guò)多次比較及綜合考慮，選用北京凱恩帝數(shù)控技術(shù)公司生產(chǎn)的KND CNC Series K10Mi數(shù)控系統(tǒng)。KND10Mi數(shù)控系統(tǒng)是一款經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，性價(jià)比高，最大控制軸數(shù)為3軸，同時(shí)控制軸數(shù)為3軸。具有以下特點(diǎn)：

1）采用7.4英寸液晶屏，屏幕亮度可通過(guò)面板按鍵調(diào)節(jié)；

2）新增外置手輪接口，面板前置RS232接口，操作方便；3）3軸3聯(lián)動(dòng)，U級(jí)精度，進(jìn)給速度可達(dá)6m/min；4）具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)功能；5）具有反向間隙補(bǔ)償功能、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能、刀尖半徑補(bǔ)償功能；

6）采用電子盤技術(shù)，數(shù)據(jù)多個(gè)位置保存，出錯(cuò)后可快速恢復(fù)；

7）全中文操作界面與完整的幫助信息使操作更方便[4]。

2.2 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的選擇

伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組合而成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。伺服系統(tǒng)收到系統(tǒng)的指令后，帶動(dòng)機(jī)床的執(zhí)行部件動(dòng)作，加工出工藝要求的產(chǎn)品。伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要部件，決定著設(shè)備的精度、速度、位置等。

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)主要有三種類型：開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)。它們的區(qū)別在于伺服系統(tǒng)的控制原理不同。

閉環(huán)伺服系統(tǒng)是由光柵等位置檢測(cè)裝置反饋信號(hào)，并與給定值對(duì)比，把對(duì)比結(jié)果發(fā)給驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，消除偏差，直到差值為零。閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，可以獲得更高的精度和速度。由于代價(jià)較高，對(duì)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床不合適。

開環(huán)伺服系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)裝置是步進(jìn)電機(jī)。由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)指令脈沖的頻率和數(shù)量，就可以控制步進(jìn)電機(jī)的位移量和運(yùn)動(dòng)方向。特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響，所以加工的精度較低。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了角位移檢測(cè)裝置，通過(guò)檢測(cè)機(jī)構(gòu)間接檢測(cè)位移量，再反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與原位移值相比較，直到差值為零的控制系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，成本比閉環(huán)系統(tǒng)低。由于它的性價(jià)比高，大部分機(jī)床數(shù)控化改造都采用此系統(tǒng)。北京凱恩帝數(shù)控技術(shù)公司生產(chǎn)與該數(shù)控系統(tǒng)相匹配的驅(qū)動(dòng)器，這樣選擇同一公司的數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)有利于維修和管理。因此選擇性價(jià)比高的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)[5]。

伺服驅(qū)動(dòng)器采用型號(hào)為SD200-30的驅(qū)動(dòng)器：特性速度頻率響應(yīng)200 Hz、調(diào)速比1∶5 000、脈沖頻率小于500 kHz、輸入方式為脈沖＋符號(hào)或雙脈沖、電子齒輪1-32787/1-32767、反饋脈沖2500線/轉(zhuǎn)。

電機(jī)型號(hào)為130ST-M10015，額定功率是1.6 kW、額定電流為6 A、額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、額定轉(zhuǎn)矩 10 N·m。

增加三菱FX1N-60MR PLC，重新制作操作面板共 7個(gè)操作按鈕：循環(huán)啟功（a1）、進(jìn)給保持（a2）、工件緊 /松（a3）、工件箱進(jìn) /退（a4）液壓?jiǎn)?/停（a5）、電源 ON（a6）、電源 OFF（a7）依次接入 PLC輸入端，重新編制梯形圖語(yǔ)句共105條，控制數(shù)控倒角機(jī)的整體運(yùn)行代替原來(lái)的SIEMENS802S數(shù)控系統(tǒng)。

2.3 倒角機(jī)控制系統(tǒng)改造調(diào)試中遇到的問(wèn)題

1）系統(tǒng)電源可以啟動(dòng)但無(wú)法關(guān)閉。原因：電源OFF按鈕開閉點(diǎn)接錯(cuò)。

2）按循環(huán)啟動(dòng)后無(wú)動(dòng)作，但手動(dòng)單步操作有動(dòng)作。原因：控制循環(huán)啟動(dòng)的繼電器24 V回路存在異常。

3）驅(qū)動(dòng)器ERR04報(bào)警（位置超差）。原因：制作的電機(jī)聯(lián)軸器不合適，卡簧在調(diào)試過(guò)程中就斷裂。

4）在功進(jìn)過(guò)程中，突然無(wú)任何動(dòng)作。原因：有保護(hù)作用的壓力繼電器故障。在更換壓力開關(guān)后正常。

3 改造后的效果

升級(jí)改造后的數(shù)控倒角機(jī)已投入使用5個(gè)多月，運(yùn)行穩(wěn)定，加工精度明顯提高，大幅度降低加工工件廢損率，操作方便、性價(jià)比高，取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)該設(shè)備還有不足之處，繼續(xù)觀察存在的問(wèn)題，積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而推廣到剩余的幾臺(tái)倒角機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]YKD9320G型數(shù)控齒輪倒角機(jī)說(shuō)明書[Z].天津第一機(jī)床總廠，2003.

[2]KND-10MI數(shù)控系統(tǒng)用戶手冊(cè)[Z].北京凱恩帝數(shù)控有限公司，1997.

[3]董建民.機(jī)床數(shù)控化改造的必要性及其改造方法[M].重慶：高等教育出版社，2011.

[4]孫漢卿.數(shù)控機(jī)床維修技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[5]李金城，付明忠.三菱FX系列PLC梯形圖語(yǔ)言[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.