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(chǎng)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(jí)改造該臺(tái)數(shù)控車床。
本次數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造選用華中數(shù)控HNC-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(shí)產(chǎn)權(quán)的NCUC工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)，具有高速、高精、多軸多通道及云數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，具有極高的性價(jià)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(jí)改造積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。
2 整體改造方案
CK 6140數(shù)控車床升級(jí)改造總體設(shè)計(jì)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(jī)床加工精度和加工效率，為以后進(jìn)一步增加其他功能預(yù)留擴(kuò)展功能。
（2）電氣線路 重新設(shè)計(jì)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(jī)床部件，以達(dá)到在滿足要求的情況下盡量節(jié)省改造費(fèi)用的目的。
（3）進(jìn)給系統(tǒng) 將原步進(jìn)驅(qū)動(dòng)及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)全更換為總線式帶絕對(duì)位置記憶的伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電動(dòng)機(jī)，提高進(jìn)給控制精度、運(yùn)行的穩(wěn)定性及負(fù)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(shí)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?？紤]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(jí)改造的需要。
（6）機(jī)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(jì)外，其他機(jī)械部分仍用原機(jī)床部分，只是在選用伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，注意在滿足驅(qū)動(dòng)要求的前提下，安裝接口與機(jī)床一致即可。
（7）機(jī)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(jī)床參數(shù)及編制機(jī)床的PLC控制程序。
（8）機(jī)床整體調(diào)試 優(yōu)化機(jī)床參數(shù)，設(shè)置機(jī)床的軟限位、螺距補(bǔ)償及反向間隙等，綜合驗(yàn)證機(jī)床的各種功能是否正常，精度是否完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。
3 機(jī)床的具體升級(jí)改造
（1）數(shù)控系統(tǒng)的升級(jí)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(jī)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(kuò)展、數(shù)據(jù)交換和接線都非常方便，具有極高的性價(jià)比。改造前后數(shù)控裝置規(guī)格部分對(duì)比見表1。
表1 改造前后數(shù)控裝置規(guī)格部分對(duì)比
注：1in=0.0254m。
（2）電氣線路的升級(jí)改造 HNC-818D數(shù)控強(qiáng)電部分原理如圖1所示。機(jī)床的強(qiáng)電部分通過機(jī)床電氣控制柜的總開關(guān)QF0將380V的動(dòng)力電引入電柜，控制柜通過開關(guān)SQ0達(dá)到開門斷電的目的。通過QF3、QF4和QF5分別給液壓電動(dòng)機(jī)、冷卻電動(dòng)機(jī)和刀架電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力和過載及短路保護(hù)。QF2為伺服變壓器TC1提供動(dòng)力，TC1將380V變換為220V，為X軸和Z軸的伺服放大器提供動(dòng)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(qiáng)電部分原理
（3）機(jī)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(jī)床操作面板僅由系統(tǒng)總線連接，機(jī)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(dú)立電源，外置手脈盒連接在機(jī)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(jī)床操作面板MCP的XS6A，再?gòu)腗CP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(gè)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(gè)有機(jī)的整體。
圖2 HNC-818D系統(tǒng)總線連接
（4）機(jī)床進(jìn)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(dòng)器HSV-160u，其具有高速工業(yè)以太網(wǎng)總線接口，實(shí)現(xiàn)和數(shù)控裝置高速數(shù)據(jù)交換，具有高分辨率絕對(duì)式編碼器接口，位置反饋分辨率最高達(dá)到23位。伺服電動(dòng)機(jī)均采用華中華大電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)編碼器均為23位絕對(duì)編碼器，額定轉(zhuǎn)速均為1500r/min，其中X軸伺服電動(dòng)機(jī)的額定扭矩為5.4N·m，Z軸的額定扭矩為9.6N·m，各項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于原機(jī)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(dòng)保留了原機(jī)床的變頻器、變頻電動(dòng)機(jī)及主軸編碼器，因此設(shè)計(jì)時(shí)只需要考慮給變頻器提供相應(yīng)的運(yùn)行指令，故本部分與IO單元的改造一并設(shè)計(jì)。
（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(duì)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(shí)IO點(diǎn)數(shù)不夠，可再購(gòu)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(jī)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(huì)出現(xiàn)圖4所示畫面，對(duì)HIO-1200-M1，其上有24位輸入、16位輸出，輸入可選PNP或NPN，同時(shí)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(shí)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(diǎn)，但兩者地址不能重疊，系統(tǒng)可通過參數(shù)偏置實(shí)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(jí)調(diào)速，考慮到電動(dòng)機(jī)低頻力矩性能較差，因此將電動(dòng)機(jī)的起始頻率設(shè)定為30Hz，最高頻率設(shè)定為100Hz，主軸電動(dòng)機(jī)為4極變頻電動(dòng)機(jī)，忽略電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，從而實(shí)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(dòng)機(jī)的編碼器均為23位絕對(duì)編碼器，僅需在對(duì)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(jī)床設(shè)置 按照機(jī)床的使用及加工范圍，設(shè)定軟限位，防止機(jī)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(jī)床往復(fù)運(yùn)行測(cè)試螺距補(bǔ)償、反向間隙等，完成整體機(jī)床的設(shè)定工作。
4 結(jié)束語
通過本次數(shù)控車床升級(jí)改造，明顯感到華中數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)步，硬件連接明顯簡(jiǎn)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(jiǎn)單有序，給用戶使用帶來了很大方便。這次升級(jí)改造積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過半年多的應(yīng)用，證明升級(jí)改造是成功的。
