CA8311B車磨車床數控化改造

潘陽云，宋謙強

（中車長江車輛有限公司武漢分部，湖北武漢 430212）

CA8311B車磨車床數控化改造

潘陽云，宋謙強

（中車長江車輛有限公司武漢分部，湖北武漢 430212）

原鐵路貨車RD2車軸卸荷槽不退輪加工在CA8311B車磨車床上采用成型刀加工，不能滿足工藝要求。車床數控化改造后，車軸加工不僅成型好且效率高，完全適應了RD2軸軸頸與防塵座不同等級、不同組合形狀的加工要求。

CA8311B車磨車床；數控改造；參數設置；硬件配置

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.56

1 存在的問題

中車長江車輛有限公司CA8311B車磨床于1999年投產，RD2軸卸荷槽采用成型刀加工，其軸頸與防塵座不同等級、不同組合形狀如圖1所示，目前存在4個缺點。

（1）成型刀加工時切削寬度太大，引起刀具振動，加工精度不能滿足產品要求。

（2）成型刀磨損后，無條件精確恢復刀具形狀尺寸，且刀具使用壽命短。

（3）加工切削量手動不好控制，且形狀不能保證圖紙的技術要求，加工效率低。

（4）在投產前檢修規程就車軸加工規定，RD2軸卸荷槽加工必須采用數控或仿形加工，因此該機床手動成型刀加工不符合鐵道行業標準。

根據本系統的特點，整個技術改造方案的確定都是圍繞著車軸數控加工來展開的，難點有4個。①選擇一套經濟實用、性能可靠、功能靈活的數控系統，選擇一套滿足RD2軸加工量的經濟驅動系統。②在現有手動進給刀架上改加滾珠絲桿，并配合驅動和數控進行改造。③對數控系統和PLC部分針對此機床進行系統參數整定和改寫。④針對RD2軸的不同等級加工要求編制加工程序。

圖1 RD2車軸圖

2 數控和驅動系統選用

選用性價比適合的SINUMERIK802S系統，SINUMERIK802S是西門子公司面向中國市場研究開發的經濟型數控系統，其主要特點是系統簡單、內部結構緊湊、功能強大、操作簡單，配備中/英文菜單顯示。1塊集成面板、1塊操作面板、1個數控單元和PLC輸入/輸出接口、配以西門子公司的步進驅動器和步進電機，即組成1套完整的數控系統，原理框圖見圖2。SINUMERIK802S系統可控制2到3個步進電機軸和一個開環主軸，步進電機的控制信號為脈沖、方向及使能，步距角為0.36°（1 r 1000步）。NC單元（ECU）帶有全部接口，由于原車磨車床已有主軸控制功能且操作獨立，這次改造取消了圖2中虛線框的主軸控制部分。ECU最多可配4個輸入/輸出模塊，本次只配了一個輸入/輸出模塊，具有16輸入和16輸出。

圖2 原理框圖

3 系統參數整定和改寫

3.1 硬件配置

1塊集成面板，1塊操作面板，1個數控單元和PLC輸入/輸出接口，配置見圖3，配以西門子公司的步進驅動器和步進電機，配備一個手輪和坐標選擇開關，就組成了一套完整的數控系統。由于車磨車床兩邊車軸對稱，因此配備兩套相同的數控系統，只是在軸向的坐標反向即可。

3.2 參數設置

本機床采用電機與絲桿直連的方式，機床參數、PLC參數和坐標參數根據實際情況設定。

（1）其中回參考點配置見圖4。在坐標軸上有減速開關，在絲桿上有一接近開關（絲桿1 r產生1個脈沖）。減速開關接到DI/O的輸入，接近開關接到系統的高速輸入（X20）。該方式可高速尋找減速開關，然后低速尋找接近開關，返回參考點的速度快且精度高。

圖3 輸入/輸出口配置

圖4 參考點配置

（2）接近開關還可作脈沖監控，在機床參數中設定脈沖數容差為10，即每轉一周的實際脈沖數與標準相差＞10，系統就發出報警信號，這樣可將步進電機因失步引起的誤差控制在0.06 mm以內。

3.3 進給坐標動態特性調試

系統可對坐標的動態特性進行優化，利用點動方式測試進給軸的動態特性，設定各坐標的最高速度，并選擇合適的加速度曲線（圖 5）。

圖5 加速度特性曲線

3.4 參考點邏輯調試

802S系統的很多功能都建立在參考點的基礎上。自動方式和MDA方式只有在機床返回參考點后才能進行操作，反向間隙補償和絲桿螺距誤差補償也只有在返回參考點后才生效。選擇圖6所示的回參考點邏輯，其中，vc是尋找減速擋塊速度，vm是尋找接近開關信號速度，vp是參考點定位速度，Rv是參考點偏移，Rk是參考點坐標。

圖6 回參考點邏輯

3.5 軟件限位設定

回參考點后，用手動移動各進給軸，分別到達各硬件限位處，記下其坐標，結合現場加工工件范圍，確定其軟件限位值。

3.6 PLC程序

802S基本系統已將一個實用于經濟型數控車床的PLC實用程序（IAP）集成于系統之中，機床具有普通交流電機作為主軸，兩個步進電機驅動的坐標軸，4或6工位刀架等，具體的控制可通過機床參數設定，以滿足不同型號機床的要求。IAP是集成PLC實用程序的簡稱，IAP對NC、機床及機床面板的信號進行處理，實施對急停及超程信號的監控并完成對坐標軸、主軸、刀架、冷卻、潤滑等功能的控制。本次改造刀架按一工位定制，無主軸、冷卻、潤滑控制功能，因此對應的功能通過機床PLC參數設置來使其有效或失效，且硬件也作相應配置。由于原手輪控制哪一軸是通過面板中軟件操作來選擇的，而現場需要通過硬件選擇開關控制，因此對原手輪控制部分的PLC程序進行改動。

4 刀具進給系統

刀具進給系統是數控加工的執行系統，為保證數控傳動精度和加工質量，刀架由步進電機帶動滾珠絲桿進行進給走刀，刀具本身采用機夾式硬質合金不重磨車刀。除保留大、中、小刀架體外，刀架其他部分根據改造要求作了相應改進。

5 RD2軸加工程序編制

（1）圖1中所示RD2軸卸荷槽及防塵座有多種組合形狀，因此實際加工過程中，有多種組合，充分利用802S系統的參數化編程功能適應了加工要求，編制了4個加工程序，供操作者選擇。利用參數表示的RD2軸簡圖如圖7所示，其中，Φ0是軸徑直徑，Φ1是防塵座直徑，Φ2是車輪處直徑，Φ3是卸荷槽直徑，A點為Z軸方向編程零點。

圖7 RD2軸參數化簡圖

（2）操作過程。①開機，按照先X軸再Z軸順序回參考點。②如果刀桿移動則需對刀，確定刀具T1的L1長度，否則跳過此步，進入下一步。③將刀具移動到卸荷槽A處，操作面板計算、確認零偏G54。④按照表1和表2，根據加工部位選擇程序及輸入所需Φ參數。⑤啟動主軸。⑥在“自動”工作方式下啟動加工程序。

表1 加工要求

表2 等級修尺寸 mm

6 改造后的機床技術參數

（1）X軸、Z軸聯動控制。坐標軸X最大行程90 mm，坐標軸Z最大行程264 mm。

（2）快速進給速度。X軸和Z軸均為1500 mm/min。

（3）最小設定單位。X軸和Z軸均為0.006 mm/脈沖。

（4）定位精度。X軸和Z軸均為0.036 mm。

（5）重復定位精度。X軸和Z軸均為0.018 mm。

（6）步進電機力矩。X軸和Z軸均為18 N·m。

TG659

B

〔編輯 凌 瑞〕