HNC-808系統(tǒng)數(shù)控車床半閉環(huán)升級全閉環(huán)的研究與實(shí)踐

張鑫

(長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林長春130033)

隨著高速高精技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)對數(shù)控機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度的要求日益提高。精密滾珠絲杠加編碼器式的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，無法控制機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的傳動誤差、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時傳動機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的熱變形誤差以及加工過程中因傳動系統(tǒng)磨損而產(chǎn)生的誤差，而這些誤差已經(jīng)嚴(yán)重影響到數(shù)控機(jī)床的加工精度及穩(wěn)定性，已無法滿足用戶的需求。對此，文中闡述了通過給進(jìn)給軸X 軸加裝線性光柵尺將HNC-808型的數(shù)控車床由半閉環(huán)改造為全閉環(huán)的全過程，并利用步距規(guī)對升級前后X 軸的定位精度分別進(jìn)行檢測，通過檢測結(jié)果對比驗(yàn)證了數(shù)控車床的定位精度、重復(fù)定位精度都獲得了大幅度提高。

1 HNC-808 數(shù)控車床控制線路設(shè)計與連接

1.1 HNC-808 數(shù)控系統(tǒng)

HNC-808 系統(tǒng)是全數(shù)字總線式數(shù)控裝置，采用模塊化、開放式體系結(jié)構(gòu)，支持總線式I/O 單元。CKA6150 數(shù)控車床全閉環(huán)控制電氣連接簡圖如圖1所示。

圖1 HNC-808 數(shù)控車床控制線路

HNC-808 數(shù)控系統(tǒng)通過UPS 不間斷電源供電，主軸單元采用變頻器進(jìn)行控制，進(jìn)給軸的運(yùn)動通過總線連接進(jìn)行控制。進(jìn)給單元采用HSV-180UD 伺服驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，該驅(qū)動器具有高速工業(yè)以太網(wǎng)總線接口，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器和數(shù)控裝置高速的數(shù)據(jù)交換;具有高分辨率絕對式編碼器接口，可以適配復(fù)合增量式、正余弦、全數(shù)字絕對式等多種信號類型的編碼器;支持雙編碼器接口，可以實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制;支持連接登奇電機(jī)、華大電機(jī)、斯科電機(jī)。

未進(jìn)行升級前的數(shù)控車床X 軸和Z 軸采用絕對式編碼器實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制，絕對式編碼器連接在Encoder 1 的接口位置。因HSV-180UD 伺服驅(qū)動器支持雙編碼器接口，可以實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。所以，將連接光柵尺的數(shù)據(jù)反饋端接在Encoder 2 接口，在完成光柵尺安裝調(diào)試緊固以及配置伺服驅(qū)動器和數(shù)控系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)之后，即可實(shí)現(xiàn)光柵尺的全閉環(huán)控制。

2 光柵尺的機(jī)械安裝與調(diào)整

光柵尺的結(jié)構(gòu)是由定尺體和動尺讀數(shù)頭組成，安裝調(diào)整的好與壞直接影響光柵尺檢測、控制工作的質(zhì)量，必須引起足夠的重視。現(xiàn)以CKA6150 型車床平床身X 向線性坐標(biāo)軸為例，介紹光柵尺的調(diào)整安裝過程。

(1)定尺體的安裝調(diào)整

采用把定尺體裝在“L”型彎板上，再把“L”型彎板固定在X 軸工作臺側(cè)面的安裝方法。首先，根據(jù)選擇的光柵尺安裝尺寸(如圖2所示)，選擇一水平面寬度為60 mm、垂直面高度為60 mm 的“L”型彎板，在彎板水平面上鉆4 個間距為100 mm、直徑為φ5 mm 的通孔并攻M6 mm 的螺紋。確保孔的中心離彎板垂直面距離一致，并確保定尺安裝時和彎板垂直面不發(fā)生干涉;然后，在彎板垂直面高50 mm的位置鉆3 個間距為100 mm、直徑為φ6 mm 的孔。再磨一塊厚度均勻的長墊塊放在彎板水平面下，使彎板緊靠X 軸工作臺側(cè)面，以鉆好的φ6 mm 的孔中心找正鉆φ5 mm 的孔，確保孔的深度超過彎板立面厚度10 mm 并攻M6 mm 的螺紋。

圖2 光柵尺安裝尺寸示意圖

將墊鐵撤掉，將彎板固定在X 軸工作臺側(cè)面，再將定尺體固定在彎板上。最后，將磁力表座吸在平導(dǎo)軌上，用百分表測光柵尺定尺體的上表面和側(cè)表面，通過調(diào)整定尺體與安裝基面平行并緊固螺釘，使上表面相對導(dǎo)軌運(yùn)動方向的平行度誤差應(yīng)不大于0.15 mm，測表面相對安裝面的平行度誤差應(yīng)不大于0.15 mm。

(2)動尺讀數(shù)頭的位置調(diào)整

待定尺體安裝完成后，利用深度千分尺測量定尺體距離工作臺面的距離，然后算出墊在動尺讀數(shù)頭下面墊塊的厚度(例如，測出的高度為50 mm，根據(jù)安裝尺寸所示，那么墊塊高度應(yīng)該為50－37 +2 =15 mm)，按照動尺讀數(shù)頭的(長+30)×寬×高(15)加工出長方體，并在長方體兩端加工出寬為6 mm、長度為20 mm 的腰型鍵槽，鉆間距為40 mm 的直徑為φ6 mm 的2 個孔，將動尺讀數(shù)頭裝在墊塊上。然后再和X 軸相連的拖板水平面合適位置鉆間距為40 mm 的直徑為φ5 mm 的2 個孔，并攻M6 mm 的螺紋，使螺絲能從墊塊兩個腰形槽間通過，通過調(diào)整夾具位置使動尺讀數(shù)頭和定尺體的間距位置為1.5 mm，如圖3所示，然后緊固螺絲，完成調(diào)整過程。

3 全閉環(huán)控制線路調(diào)整以及參數(shù)配置

3.1 控制線路調(diào)整

(1)數(shù)控車床由半閉環(huán)改為全閉環(huán)時，應(yīng)該關(guān)閉機(jī)床總電源。

(2)將數(shù)控車床X 軸的電機(jī)動力插頭拔掉，處于斷開狀態(tài)。

(3)將線性光柵尺的信號線連接在X 軸伺服驅(qū)動器Ecoder 2(XS6)接口上，并接通機(jī)床總電源調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及X 軸伺服驅(qū)動器參數(shù)。

(4)相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成后，保存并斷電，2 min后數(shù)控機(jī)床重新上電，手動旋轉(zhuǎn)X 軸絲杠使電機(jī)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并觀察數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面上X 軸指令值和實(shí)際位置值是否同時增加或同時減少(負(fù)方向旋轉(zhuǎn)實(shí)際值減少;正方向旋轉(zhuǎn)實(shí)際值增加)，如果不同時，則需將PA10(全閉環(huán)反饋信號計數(shù)取反)設(shè)為

512。

(5)將數(shù)控機(jī)床斷電關(guān)機(jī)，并將X 軸電機(jī)動力插頭重新與電機(jī)連接。

(6)將數(shù)控機(jī)床上電開機(jī)，并在手搖狀態(tài)，倍率在×10 擋移動X 軸，將X 軸移動到X 軸機(jī)械設(shè)計零點(diǎn)，設(shè)定X 軸正、負(fù)軟極限，并找到電機(jī)位置顯示的數(shù)值，通過D/1 000 ×4 000/50 000(D 為電機(jī)位置顯示的數(shù)值)設(shè)定X 軸機(jī)械零點(diǎn)。

3.2 數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)控制參數(shù)的調(diào)整

(1)系統(tǒng)軸參數(shù)的設(shè)定

(2)伺服參數(shù)的設(shè)定

4 全閉環(huán)控制的定位精度檢測

4.1 螺距誤差補(bǔ)償測量程序

螺距誤差補(bǔ)償測量程序如下:

4.2 螺距誤差測量

(1)確定數(shù)控車床的X 軸在全閉環(huán)狀態(tài)下，合理設(shè)置X 軸的正、負(fù)軟限位，將反向間隙補(bǔ)償與螺距誤差補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)參數(shù)清零，開機(jī)后重新回參考點(diǎn)，使X 坐標(biāo)軸運(yùn)行在一個完全沒有經(jīng)過精度補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)。

(2)把數(shù)控車床前端上部的山形導(dǎo)軌與平導(dǎo)軌擦拭干凈，將專用工裝橋尺擦拭干凈并平穩(wěn)地放置在數(shù)控車床的Z 軸導(dǎo)軌上，將數(shù)控機(jī)床的大托板擦拭干凈。并將磁力表座擦拭干凈后架固在大托板上，用千分表將橋尺沿著數(shù)控車床的X 軸方向找平。找平后，將步距規(guī)擦拭干凈并輕輕放置在專用的工裝橋尺上，然后將千分表換成杠桿百分表并將找正步距規(guī)。

(3)將數(shù)控車床的X 軸自動回零，編輯精度檢測程序，程序校驗(yàn)無誤后，調(diào)整杠桿百分表，使表頭觸及步距規(guī)檢測面(壓表0.2 mm)并調(diào)至零刻度。

(4)運(yùn)行數(shù)控機(jī)床定位精度檢測程序，采集5組合理的數(shù)據(jù)，利用Excel 表格進(jìn)行計算，計算出重復(fù)定位精度、定位精度和反向間隙補(bǔ)償值等相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.3 誤差計算

全閉環(huán)控制定位精度檢測的數(shù)值和計算結(jié)果如圖4所示，通過和升級前半閉環(huán)控制的定位精度(如圖5所示)對比分析可以看出:全閉環(huán)控制時定位精度、重復(fù)定位精度以及反向間隙等精度都有所提高，符合數(shù)控機(jī)床出廠時的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

實(shí)踐證明:通過采用絕對式光柵尺對HNC-808系統(tǒng)的數(shù)控車床進(jìn)行半閉環(huán)控制升級全閉環(huán)控制，全閉環(huán)控制可以正常運(yùn)行，而且通過精度檢測計算對比可以看出，數(shù)控車床X 坐標(biāo)軸的定位精度和重復(fù)定位精度都得到了提高，進(jìn)而能夠提高零件的加工精度。

［1］張鑫.基于HNC-21S 數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺的故障診斷技術(shù)研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2009:32－36.

［2］陳勇.XK714/1 數(shù)控銑床螺距誤差補(bǔ)償［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(4):24－25.

［3］王麗潔.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修實(shí)訓(xùn)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.