王銳 王剛

摘? 要：數(shù)控設備是機電一體化的工作系統(tǒng)，文章介紹HNC-21數(shù)控實驗設備電氣及機械的綜合知識，最終達到熟練掌握數(shù)控機床調試技術的目的。

關鍵詞：數(shù)控系統(tǒng);電氣控制;調試技術;誤差補償

中圖分類號：TH-39 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）34-0015-03

Abstract： Numerical control equipment is the work system of electromechanical integration. This paper introducesthe electrical and mechanical knowledge of the HNC-21 numerical control experimental equipment， for the purpose of ultimately achieving the purpose of grasping the debugging technology of CNC machine tools.

Keywords： CNC system; electrical control; debugging technology; error compensation

引言

HNC-21數(shù)控實驗設備由硬件和軟件組成，可實現(xiàn)G代碼編程，電氣裝調和機械精度檢測等。通過調試實驗設備的學習，能夠掌握數(shù)控機床電氣控制原理，NC系統(tǒng)參數(shù)設定，變頻器，步進驅動器和伺服驅動器的調試方法等，同時能夠對機床出現(xiàn)的常見故障進行快速準確的診斷與維修。

1 電氣控制原理

HNC-21實驗設備采用交流三相380V供電，主軸采用變頻驅動控制，進給軸X采用步進驅動實現(xiàn)開環(huán)控制，進給軸Z采用伺服驅動實現(xiàn)半閉環(huán)控制，電氣控制原理如圖1所示。

伺服變壓器TC2將AC380V轉換為AC220V，供電給伺服驅動器?？刂谱儔浩鱐C1將2相AC380V轉換成AC24V和AC220V，AC24V經過整流橋AP1變換為DC36V供電給步進驅動器，AC220V用于刀架正反轉控制電路、伺服驅動器內部控制電路和開關電源VC1。開關電源輸出DC24V用于系統(tǒng)電源、急?？刂苹芈?、刀架信號電源和PLC輸入轉接板指示燈電源等。繼電器KA9吸合產生的24V1用于伺服使能控制和PLC輸出繼電器控制。繼電器KA4和KA5用于刀架正反轉控制電路，接觸器KM1和KM2用于刀架電機主電路。RC1和RC2用于接觸器線圈滅弧，RC3用于接觸器主觸點滅弧。

2 配置硬件與PMC系統(tǒng)參數(shù)

配置硬件參數(shù)是列出設備的部件清單，HNC-21系統(tǒng)能夠配置32個部件。HNC-21板卡型號5301，板卡地址0，步進電機標識46，伺服電機標識45，輸入/輸出開關量標識13，手搖脈沖發(fā)生器標識31，主軸模擬電壓輸出標識15，配置0用于區(qū)別接口類型，調整設備功能。

PMC系統(tǒng)參數(shù)用于定義I/O模塊接口，開關量輸入總組數(shù)為46，X0-X4字節(jié)用于基本輸入信號，由系統(tǒng)XS10、XS11端口輸入，X5-X29字節(jié)用于擴展輸入信號，X30-X45字節(jié)用于MCP面板和MDI鍵盤輸入信號。開關量輸出總組數(shù)為38，Y0-Y3字節(jié)用于基本輸出信號，由系統(tǒng)XS20、XS21端口輸出，Y4-Y27字節(jié)用于擴展輸出信號，Y28-Y29字節(jié)用于主軸D/A數(shù)字量輸出信號，Y30-Y37字節(jié)用于MCP面板和MDI鍵盤輸出信號。

3 外部運行允許控制

外部運行允許控制即數(shù)控機床的急?？刂疲菙?shù)控設備的保護電路，如圖2所示。急?？刂评^電器KA9采用DC24V供電，它與行程限位開關閉點、急停按鈕串聯(lián)，超程解除按鈕與行程開關閉點并聯(lián)。數(shù)控系統(tǒng)正常啟動后，旋開急停按鈕，KA9線圈得電，外部運行允許信號X2.3由PLC信號轉接板輸入，系統(tǒng)由急停變成復位，機床可正常工作。手動運行十字滑臺X、Z軸至超程位置，進給軸停止運行，系統(tǒng)顯示急停與超程報警，按住超程解除，將行程限位短路，可移動進給軸向相反方向運行，報警消除。

4 設置步進X軸

實驗設備進給軸X采用開環(huán)控制，應用雷塞步進驅動器及步進電機實現(xiàn)。進入數(shù)控系統(tǒng)軸0參數(shù)界面，外部脈沖當量分子為25，分母為256，伺服驅動器型號為46，伺服驅動器部件號為0，電機每轉脈沖數(shù)為200，步進電機拍數(shù)為4，快移加減速時間常數(shù)為100，快移加速度時間常數(shù)為64，加工加減速時間常數(shù)為100，加工加速度時間常數(shù)為64。

機床行程軟限位的設定，軟限位對機床起到雙重保護的作用。車床X軸為直徑編程，系統(tǒng)顯示值為實際機床移動距離的2倍，在設定機床軟限位時，應輸入機床實際所走的位移值。

5 調試伺服Z軸

實驗設備進給軸Z采用半閉環(huán)控制，應用三洋伺服驅動器及伺服電機實現(xiàn)。進入數(shù)控系統(tǒng)軸2參數(shù)界面，外部脈沖當量分子為5，分母為2，伺服驅動器型號為45，伺服驅動器部件號為2，最大定位誤差為20，最大跟蹤誤差為12000，電機每轉脈沖數(shù)為2000，反饋電子齒輪比為1：1。

改變驅動器相關參數(shù)能夠提高其運動性能，位置比例增益PA000設30，值越大，增益越高，剛度越大。速度比例增益PA002設50，值越大，增益越高，剛度越大。在系統(tǒng)不振蕩條件下，PA000和PA002盡量設較大值。速度積分時間常數(shù)PA003設20，值越小，積分速度越快，在系統(tǒng)不振蕩條件下，PA003盡量設較小值。依次修改參數(shù)，觀察Z軸電機狀態(tài)，查看系統(tǒng)跟蹤誤差，將其調到比較理想狀態(tài)。

6 系統(tǒng)與伺服脈沖匹配

數(shù)控系統(tǒng)可輸出單脈沖、雙脈沖與AB相脈沖三種信號，伺服驅動器也可接收以上指令脈沖。通過調節(jié)系統(tǒng)與伺服參數(shù)，可實現(xiàn)指令類型的匹配。

硬件配置0確定系統(tǒng)控制指令類型，大小是一個字節(jié)，D3-D0指定伺服軸為2號軸，數(shù)值為0010;D5-D4指定系統(tǒng)脈沖指令形式，缺省單脈沖輸出為00，單脈沖輸出為01，雙脈沖輸出為10，AB相輸出為11;D7-D6指定系統(tǒng)接收反饋脈沖的形式，缺省AB相反饋為00，單脈沖反饋為01，雙脈沖反饋為10，AB相反饋為11。如果系統(tǒng)輸出指令與反饋脈沖均為AB相脈沖，通過計算配置0應設50/242。伺服驅動指令脈沖接收形式由PA400定義，雙脈沖為00H，AB相脈沖為10H，單脈沖為20H。

如果系統(tǒng)輸出單脈沖，反饋AB脈沖，通過計算配置0可設2/18/194/210，伺服PA400應采用單脈沖設20H才合適。如果系統(tǒng)輸出雙脈沖，反饋AB脈沖，通過計算配置0可設34/192，伺服PA400采用單脈沖設20H，這時運行Z軸，我們會發(fā)現(xiàn)Z軸可動，但無法判斷方向，所以機床要正常運行必須匹配好系統(tǒng)與伺服的指令脈沖。

7 變頻主軸控制

實驗設備主軸采用變頻控制，應用日立變頻器及三相異步電動機實現(xiàn)。線路連接完成后，首先初始化變頻器，初始化模式B85設01，初始化有效B84設01，同時按下FANC、▲和▼鍵，再按STOP/RESET鍵3秒以上，先松開STOP/RESET直至顯示D01并閃爍，再松開FANC、▲和▼鍵，閃爍完成，出現(xiàn)游動的浮標，最后停止顯示D01，表示初始化完成。

電機運行前先確認變頻器相關參數(shù)是否與電機參數(shù)相匹配，額定電壓A82設380V，額定功率H03設0.55kW，磁極數(shù)H04設4極，額定頻率A03設50Hz，最小頻率A15設01（0Hz），最大頻率A04設50Hz，斜坡上升時間F02設10s，斜坡下降時間F03設10s。

變頻器接收數(shù)控系統(tǒng)給定頻率，需設置變頻器相關參數(shù)。參數(shù)A01設01，參數(shù)A02設01。智能端子1和2用于主軸正反轉的控制，相應參數(shù)設C01設00，C02設01。

8 刀架控制分析

實驗設備采用四工位刀架完成刀具的自動更換，由動作控制中心PMC實現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)給定換刀指令T0101→（如果當前位置不是1號刀具）刀架電機正向尋刀（PLC控制Y0.3信號輸出→中間繼電器KA4吸合→接觸器KM1動作）→檢測到刀位信號X1.1→正轉延時0.1S→刀架電機反向鎖緊（PLC控制Y0.4信號輸出→中間繼電器KA5吸合→接觸器KM2動作）→反向鎖緊1s后刀架電機斷電。如果在換刀允許最大時間10s內沒有找到刀位信號，系統(tǒng)提示換到超時報警。

9 機械精度檢測與補償

螺距誤差和反向間隙影響機床的定位精度和重復定位精度。實驗設備采用光柵尺進行精度檢測，光柵尺與系統(tǒng)通過XS31接口連接，系統(tǒng)參數(shù)軸1設為旋轉軸，單元型號設45，部件號設1，定位誤差和跟蹤誤差設0。螺距補償類型設2，補償點數(shù)設5，參考點偏差號設4，補償間隔設50000。

被測點位置0定義在Z軸負向最遠端，向坐標軸正向排列依次為0、1、2、3、4，運行螺補測量程序如表1，將Z軸正向移動誤差輸入軸補償參數(shù)中的偏差值[0]、[1]、[2]、[3]、[4]中，將Z軸負向移動誤差輸入到軸補償參數(shù)中的偏差值[5]、[6]、[7]、[8]、[9]中，均按照被測點位置0、1、2、3、4輸入。雙向螺補已將反向間隙補償?shù)铰菥嗾`差中，不需單獨測量，重啟系統(tǒng)再次測量，觀察補償后的變化。

10 結束語

數(shù)控實驗設備調試注重實際機床的電氣控制原理分析、設計與安裝，機械部件精度的檢測與調整。通過調試過程的學習，能夠達到數(shù)控機床調試人員的基本技能要求。

參考文獻：

[1]邵澤強.數(shù)控機床裝調維修技術綜合實訓[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016：138-144.

[2]李艷玲，陳運安.數(shù)控機床原理與維修[M].北京：人民郵電出版社，2011：45-47.

[3]楊克沖，陳吉紅，鄭小年.數(shù)控機床電氣控制[M].武漢：華中科技大學出版社，2005：90-96.

[4]倪祥明.數(shù)控機床及數(shù)控加工技術[M].北京：人民郵電出版社，2011：53-66.

[5]張光躍.數(shù)控機床電氣連接與調試[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016：30-32.

[6]劉戰(zhàn)術，竇凱，吳新佳.數(shù)控機床及其維護[M].北京：人民郵電出版社，2010：91-92.

[7]孫海亮.數(shù)控電氣控制基礎及實訓[M].武漢：華中數(shù)控有限公司國培部內部培訓使用教材，2009：57-67.

[8]李艷霞.數(shù)控機床及應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2015：42-46.