基于CKA6150臥式車床的二次數控改造

周 蘭

（武漢船舶職業技術學院機械工程學院，湖北武漢 430050）

CKA6150臥式數控車床為平床身前置刀架結構，配置某數控系統，使用數年后，性能越來越不穩定，零件加工時達不到預期的精度要求，而且數控系統經常出現隨機性故障。由于數控系統出廠時設置了使用期限，需要續費升級方可使用，鑒于這種情況，決定更換數控系統。采用FANUC 0iMate－TD 數控系統，對原有數控車床進行二次數控改造，其內容包括機床本體改造與修復、數控系統配置、數控系統參數設置、機床電氣控制及PMC編程、機電聯調等。

1 改造方案設計

1.1 機床本體部分

（1）數控車床主運動設計。數控車床主運動盡量縮短傳動鏈，采用伺服電機調速方式并增強運動平穩性。因此，CKA6150采用伺服電機配合同步帶傳動方案。主軸前端采用錐孔雙列圓柱滾子軸承和雙列向心推力球軸承組合方式，能夠承受較大徑向載荷和雙向軸向載荷，后支撐采用成對向心推力球軸承。主軸前后端采用這種支承方式能夠提高綜合剛度，同時滿足強力切削要求。CKA6150主運動傳動及支承方式方案設計如圖1所示。

圖1 CKA6150主運動傳動及支承方式方案設計

由于采用伺服主軸驅動，必須使用與FANUC系統配套的伺服電機，原主軸電機需要更換掉，增加同步帶輪副以增強運動的穩定性，原主軸箱和主軸仍可以使用，但是在結構上要根據方案進行調整，軸承需要更換。

（2）數控車床進給運動設計。數控車床進給運動設計要求傳動精度高、剛性好、慣性小，電機與絲杠之間同軸度要求高且能自動調整，絲杠副具有軸向側隙消除功能。因此CKA6150車床縱向和橫向進給運動采用伺服電機通過十字節聯軸器驅動滾珠絲杠螺母副方式實現機床進給運動，其中電機轉子和聯軸器之間、滾珠絲杠端部和聯軸器之間均采用錐環無鍵連接方式。整個絲杠兩端軸頸部位分別采用面對面式角接觸球軸承，承受雙向軸向載荷和徑向載荷，提高絲杠的剛性。滾珠絲杠與螺母之間采用雙螺母墊片方式消除軸向側隙，伺服電機端部配套有光電編碼器，構成半閉環系統，以提高運動控制精度。CKA6150進給運動傳動及支承方式方案設計如圖2所示。機床本體進給運動部分需要改造的內容如下：

1）選用帶光電編碼器的FANUC 伺服電機替代原有電機；

圖2 CKA6150進給運動傳動及支承方式方案設計

2）采用十字節聯軸器；

3）每個進給方向采用錐環無鍵聯接方式傳遞扭矩；

4）更換滾珠絲杠前后支承軸承；

5）根據所選用伺服電機、軸承結構尺寸重新設計與制造電機固定支架及后軸承座。

（3）數控車床本體其它部分改造。數控車床四方電動刀架保留不變，尾座部分保留不變，液壓、冷卻系統沿用，機床導軌部分需要重新校正與修復。

1.2 數控系統硬件配置

由于是對原有機床進行數控改造，故選用FANUC經濟型數控系統。選用含內置PMC 裝置的FANUC 0i Mate－TD 數控系統，配置SVPM3一體化伺服放大器（含電源模塊、伺服主軸驅動、進給運動驅動等）、I／O 模塊（輸入輸出點數96／64）、380VAC／220VAC 伺服變壓器、380VAC／220VAC／110VAC控制變壓器等硬件。CNC與各硬件之間的正確連接關系如表1所示。

表1 CNC與各硬件接口連接

2 數控系統參數設置

對于一個新的數控系統需要設置相關參數。首先是要進行基本參數設置，保證實現數控系統基本運行功能，其次根據加工要求和機床本體剛性進行伺服調整和參數優化，達到數控機床的最大工作效能以及滿足加工精度要求。

2.1 數控系統參數設定流程

CKA6150數控系統基本參數設定按照以下流程進行，如圖3所示。

2.2 數控系統硬件規格確定

圖3 數控系統參數設定流程

數控系統很多參數設定與數控系統各部件型號規格相關，特別是伺服參數設定、主軸參數設定等，還關聯數控機床主運動、進給運動機械傳動方式，因此參數設定前要進行數控系統硬件型號規格及運動傳動方式確定，需要確定的內容如圖4所示。參數設定前數控系統硬件必須正確連接，硬件連接需要確認的項目如圖5所示。

參數設定應滿足數控編程功能要求，CKA6150數控編程基本功能要求如圖6所示。

圖4 數控系統硬件規格確定

圖5 數控系統硬件連接確認

圖6 數控機床編程基本功能要求

2.3 數控系統上電全清及數控系統基本參數設定

新安裝的數控系統第一次通電時最好先做個上電全清操作，上電全清后出現系列報警如圖7所示，當參數設定完整后可消除這些報警。數控系統基本參數設定可以從4個方面進行，如圖8所示。

圖7 數控系統上電全清報警

3 機床電氣控制與PMC編程

數控機床電氣控制與PMC 編程主要包括對機床操作面板的控制、機床進給運動正負極限位置、回參考點、潤滑冷卻溫度和壓力等的控制、來自數控加工程序的M、S、T 控制等。

圖8 數控系統基本參數設定

數控機床電氣控制回路包括伺服驅動器電源回路、主軸電機風扇回路、刀架回路、控制電源回路、啟動回路、急停回路、系統電源回路、面板電源回路等。數控系統PMC編程包括以下內容：

1）確定PMC 與外圍設備CNC、MT 之間的信號交換類型及具體地址，包括G 信號、F 信號、X 信號、Y 信號等。

2）確定所使用元器件結構特點，如機床操作面板各種開關是按鈕式還是旋鈕式，倍率旋鈕開關是采用格雷碼方式還是二進制代碼方式等。

3）確定對各類按鈕的操作要求，明確各種功能生效的先決條件。如機床操作面板工作方式選擇要求開關本身自鎖、之間互鎖、相互切換；進給軸及方向選擇功能必須在選擇JOG、REF、INC、HANDLE等工作方式前提下才能起作用。

4）用LADDERⅢ軟鍵編寫PMC程序。可以采用在線編輯和離線編輯兩種方式，PMC編程時按照CNC功能要求分模塊編寫，一邊編寫一邊調試。如果是離線編輯則需要在計算機上導出后通過CF 存儲卡等方式導入到數控系統FROM中方能生效。

4 機電聯調

在上述各種操作完成的基礎上進行機電聯調，測試數控機床是否達到功能要求和精度要求。CKA6150機電聯調從以下方面進行：

1）手動功能測試：對機床操作面板上各開關進行功能調試，如在JOG 模式下，坐標軸是否按照參數設定的速度運行，手動倍率是否起作用等。

2）自動功能測試：編寫系列加工程序，包括內外圓柱面、圓錐面、溝槽、螺紋、曲面等形狀加工程序，測試自動加工性能，包括基本指令程序測試和宏程序測試。

3）精度測試；測試零件加工精度是否達到要求，從機械結構消隙、系統參數優化等方面進行調整。

5 結 語

CKA6150機床數控化改造綜合應用了數控機床機械結構設計與制造、液壓與氣動控制、自動控制、PMC 編程、手動／自動編程（零件加工程序）、機床調試與試運行等多種技術。根據改造后機床的預期功能要求、機床原有基礎條件且兼顧經濟性原則，科學地設計改造方案、實施方案和調試方案，較好實現用戶個性化要求。

1 孫德茂.數控機床邏輯控制編程技術［M］.北京：機械工業出版社，2008

2 周蘭.現代數控加工設備［M］.北京：機械工業出版社，2007