數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的參數(shù)調(diào)整研究

【摘要】數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速不能按照指令值轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速精度超差，這種故障的產(chǎn)生有機(jī)床機(jī)械方面和電氣控制方面的原因。本文闡述的內(nèi)容是在排除了機(jī)械原因的前提下，通過(guò)調(diào)整機(jī)床參數(shù)、主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的手段，校正機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速，使其達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定的技術(shù)要求。

【關(guān)鍵詞】主軸轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速表；機(jī)床參數(shù)

1.引言

主軸是數(shù)控車床的主要部件，主軸轉(zhuǎn)速值決定加工時(shí)的切削速度，切削速度是切削用量三要素之一。通常粗加工一般選用低切削速度大走刀量，精加工一般選用高切削速度小走刀量。如果主軸轉(zhuǎn)速不能按照指令值運(yùn)轉(zhuǎn)，就不能按照編程者的預(yù)期達(dá)到粗、精加工的效果。特別是數(shù)控車床挑螺紋時(shí)會(huì)出現(xiàn)螺距錯(cuò)誤，這是由于機(jī)床的參數(shù)錯(cuò)誤造成數(shù)控系統(tǒng)接收到的轉(zhuǎn)速信號(hào)與實(shí)際轉(zhuǎn)速值不符，從而導(dǎo)致挑出的螺距不符合設(shè)計(jì)要求，造成工件廢品。所以數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速不能按照指令值轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速精度超差是機(jī)床的嚴(yán)重問(wèn)題也是常見(jiàn)故障，在維修實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有關(guān)校正主軸轉(zhuǎn)速值的系統(tǒng)、實(shí)用的文獻(xiàn)很少。本文以沈陽(yáng)機(jī)床廠生產(chǎn)的CAK3665 SJ數(shù)控車床華中HNC-21T系統(tǒng)為例，闡述通過(guò)調(diào)整機(jī)床參數(shù)、主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的手段，校正機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速提高轉(zhuǎn)速精度。對(duì)數(shù)控機(jī)床的故障診斷與維修工作有一定的指導(dǎo)意義。

2.用轉(zhuǎn)速表測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速精度

2.1 正確測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速

當(dāng)懷疑主軸轉(zhuǎn)速不符合指令設(shè)定值時(shí)，不能只觀察數(shù)控裝置屏幕上的主軸轉(zhuǎn)速值。因?yàn)槟承C(jī)床參數(shù)的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致屏幕上的顯示值與實(shí)際轉(zhuǎn)速值不符。因此應(yīng)配備轉(zhuǎn)速表，轉(zhuǎn)速表最好是非接觸式、帶存儲(chǔ)的數(shù)字式轉(zhuǎn)速表。將數(shù)控機(jī)床的工作方式調(diào)到MDI方式，輸入主軸旋轉(zhuǎn)指令，令其在機(jī)床允許的某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。首先觀察數(shù)控機(jī)床顯示屏上的主軸轉(zhuǎn)速值是否與指令值相符，然后用轉(zhuǎn)速表測(cè)量主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速值，觀察三者是否相符，從而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。測(cè)量時(shí)要掌握技巧，貼反射標(biāo)記時(shí)應(yīng)注意非反射面積必須比反射面積要大，如果轉(zhuǎn)軸明顯反光，則必須先貼一層黑膠布，再在上面貼上反光標(biāo)記。在貼上反光標(biāo)記之前，轉(zhuǎn)軸表面必須處理干凈與平滑。低轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，為提高測(cè)量精度，在被測(cè)物體上均勻地多貼上幾塊反射標(biāo)記，這樣顯示出的讀數(shù)除以反射標(biāo)記數(shù)目，即可得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速值。測(cè)量時(shí)端平轉(zhuǎn)速表，垂直對(duì)準(zhǔn)貼有反光標(biāo)記的部分。待轉(zhuǎn)速平穩(wěn)后再開(kāi)啟轉(zhuǎn)速表的測(cè)量按鈕。在測(cè)量過(guò)程中，轉(zhuǎn)速表不要晃動(dòng)。轉(zhuǎn)速表顯示三個(gè)數(shù)值，分別是本次測(cè)量時(shí)間內(nèi)多次采樣測(cè)量中的轉(zhuǎn)速低值、轉(zhuǎn)速高值和最后一次采樣的轉(zhuǎn)速值。當(dāng)三個(gè)讀數(shù)值非常接近時(shí)才是一次成功的測(cè)量。

2.2 誤差分析

測(cè)量其主軸的極限轉(zhuǎn)速，即機(jī)床技術(shù)指標(biāo)規(guī)定主軸的最低和最高轉(zhuǎn)速，計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差，判斷是否符合±2%精度要求。其數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 CAK3665 SJ數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速（r/min）記錄表

MDI指令數(shù)控機(jī)床屏目顯示數(shù)值范圍轉(zhuǎn)速表讀數(shù)

轉(zhuǎn)速低值轉(zhuǎn)速高值最后讀數(shù)

M03 S120118-122119121.8120

M03 S15001497-1501149815011500

相對(duì)誤差的計(jì)算方法：

轉(zhuǎn)速平均值=（速度高值+速度低值）÷2=120.4

相對(duì)誤差=[（轉(zhuǎn)速平均值-轉(zhuǎn)速目標(biāo)值）÷轉(zhuǎn)速目標(biāo)值）]×100%=0.33%

2.3 結(jié)論

無(wú)論是編碼器反饋的主軸轉(zhuǎn)速值，還是轉(zhuǎn)速表測(cè)量的主軸轉(zhuǎn)速值均符合±2%精度要求。

3.調(diào)整數(shù)控機(jī)床參數(shù)校正提高主軸轉(zhuǎn)速精度

參數(shù)是對(duì)機(jī)床功能、軸運(yùn)動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)類型、顯示定義等進(jìn)行定義的一系列數(shù)據(jù)。參數(shù)通常存放在數(shù)控系統(tǒng)的存儲(chǔ)器（RAM）中，一旦電池電量不足或受到外界干擾或數(shù)控機(jī)床長(zhǎng)期閑置不用可能導(dǎo)致部分參數(shù)的丟失和改變，或者人為不合理的參數(shù)設(shè)置，這些因素造成數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障。下面分情況研究主軸轉(zhuǎn)速精度的參數(shù)調(diào)整方法。

3.1 主軸轉(zhuǎn)速不能達(dá)到機(jī)床技術(shù)要求的最低轉(zhuǎn)速或最高轉(zhuǎn)速

數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速能夠按照指令設(shè)置值運(yùn)轉(zhuǎn)，但是主軸最低轉(zhuǎn)速低不到技術(shù)指標(biāo)要求的120轉(zhuǎn)/分，應(yīng)輸入?yún)?shù)密碼進(jìn)入?yún)?shù)界面，再進(jìn)入PMC用戶參數(shù)，查看“一檔理論低速”值為200。這個(gè)值設(shè)置過(guò)大，導(dǎo)致了主軸轉(zhuǎn)速不能達(dá)到機(jī)床技術(shù)要求的最低速。將200數(shù)值改為120，問(wèn)題解決。如果機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)不到技術(shù)指標(biāo)要求的1500轉(zhuǎn)/分，則一定是“一檔理論高速”參數(shù)值設(shè)置低了，應(yīng)將數(shù)值調(diào)高到1500，參數(shù)改變后要保存數(shù)據(jù)并關(guān)機(jī)，再重啟NC系統(tǒng)，參數(shù)生效，故障現(xiàn)象消失。

3.2 主軸轉(zhuǎn)速不能按照指令設(shè)定值運(yùn)轉(zhuǎn)

主軸轉(zhuǎn)速與指令值相差很大。這種現(xiàn)象應(yīng)查看PMC用戶參數(shù)中的“主軸傳動(dòng)比分子”和“主軸傳動(dòng)比分母”這兩個(gè)參數(shù)，應(yīng)與實(shí)際機(jī)床主軸電機(jī)到主軸的傳動(dòng)比相一致。如果設(shè)置錯(cuò)誤，將影響數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出給變頻器的0-10V的模擬量指令值，如果主軸傳動(dòng)比分子和主軸傳動(dòng)比分母的比值設(shè)置過(guò)小，將導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的模擬量過(guò)大，將使主軸轉(zhuǎn)速超出指令值；如果主軸傳動(dòng)比分子和主軸傳動(dòng)比分母的比值設(shè)置過(guò)大，將導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的模擬量過(guò)小，將使主軸轉(zhuǎn)速過(guò)低，達(dá)不到指令值。最終使主軸不能按照指令值轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 主軸轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)正常，但屏幕顯示的轉(zhuǎn)速值錯(cuò)誤

用轉(zhuǎn)速表測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速值與指令值相一致。但屏幕顯示的轉(zhuǎn)速值錯(cuò)誤，即屏幕顯示值與轉(zhuǎn)速表測(cè)量值不相同。沈陽(yáng)機(jī)床廠生產(chǎn)的CAK3665 SJ數(shù)控車床，主軸電機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī)，主軸上裝有1024線的編碼器。應(yīng)查看機(jī)床參數(shù)中的“主軸編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)”，這個(gè)參數(shù)的設(shè)置應(yīng)與實(shí)際安裝在主軸的編碼器的線數(shù)相一致。如果設(shè)置錯(cuò)誤，例如數(shù)值大了，屏幕上的轉(zhuǎn)速顯示值將變??；數(shù)值小了，屏幕上的轉(zhuǎn)速顯示值將變大。但是這不僅僅是顯示值的問(wèn)題，還將影響螺紋加工的情況，會(huì)造成加工出的螺紋的螺距值不正確。應(yīng)重新設(shè)置機(jī)床參數(shù)中的“主軸編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)”為1024。

3.4 主軸轉(zhuǎn)速與指令值基本符合，但是精度超差

將數(shù)控機(jī)床調(diào)到MDI工作方式，輸入主軸旋轉(zhuǎn)指令，令其在機(jī)床允許的某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速與指令值基本符合，但是誤差較大，精度超差。

數(shù)控車床PMC用戶參數(shù)中“一檔實(shí)測(cè)低速”和“一檔實(shí)測(cè)高速”兩個(gè)參數(shù)是用來(lái)校正主軸轉(zhuǎn)速精度的。如果主軸轉(zhuǎn)速精度超差，先查看這兩個(gè)參數(shù)，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，就需要進(jìn)行一次實(shí)測(cè)，將這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。方法是在MDI方式下運(yùn)行指令，（M03 S120和M03 S1500），用轉(zhuǎn)速表測(cè)量數(shù)值，將實(shí)測(cè)低速轉(zhuǎn)速值和實(shí)測(cè)高速轉(zhuǎn)速值分別輸入到PMC用戶參數(shù)中“一檔實(shí)測(cè)低速”和“一檔實(shí)測(cè)高速”內(nèi)，保存后重啟系統(tǒng)，主軸轉(zhuǎn)速精度將得到進(jìn)一步的提高。低速值由原來(lái)的107轉(zhuǎn)/分提高到120轉(zhuǎn)/分；高速值由原來(lái)的1390轉(zhuǎn)/分提高到1499轉(zhuǎn)/分。主軸轉(zhuǎn)速精度達(dá)到了±2%的要求。

4.調(diào)整變頻器參數(shù)

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床大部分采用變頻器控制主軸電機(jī)，主軸電機(jī)是三相異步電動(dòng)機(jī)。變頻器參數(shù)設(shè)置是否正確對(duì)主軸轉(zhuǎn)速起著重要的作用。CAK3665 SJ數(shù)控車床采用艾默生變頻器。變頻器的相關(guān)參數(shù)必須與主軸電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)相一致。39、40號(hào)參數(shù)、07、06號(hào)參數(shù)和02號(hào)參數(shù)必須逐一檢查，具體參數(shù)調(diào)整說(shuō)明見(jiàn)表2。

表2 變頻器的相關(guān)參數(shù)調(diào)整說(shuō)明

序號(hào)參數(shù)號(hào)參數(shù)說(shuō)明參數(shù)值

139號(hào)輸入電機(jī)額定頻率50Hz

240號(hào)電機(jī)級(jí)數(shù)4

307號(hào)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1460

406號(hào)電機(jī)額定電流11.6

502號(hào)最大設(shè)定速度75Hz-150Hz

設(shè)置值為此范圍內(nèi)的某一值

02號(hào)（最大設(shè)定速度）參數(shù)分析：此參數(shù)設(shè)定的值可以是某一范圍內(nèi)的值。最小值的設(shè)定應(yīng)根據(jù)機(jī)床技術(shù)指標(biāo)要求的主軸轉(zhuǎn)速的最大值；最大值的設(shè)定應(yīng)根據(jù)主軸電機(jī)銘牌上的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速值。并通過(guò)計(jì)算得出。

三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式：

理想轉(zhuǎn)速n與頻率f和極對(duì)數(shù)p三者之間的關(guān)系符合如下的公式（忽略轉(zhuǎn)差率）：n=60f/p

02號(hào)參數(shù)最大值設(shè)置：根據(jù)電機(jī)的銘牌，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為4500 轉(zhuǎn)/分，這一轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的頻率值應(yīng)為f=np/60=50Hz，此值為02號(hào)變頻器參數(shù)設(shè)定的最大值。

02號(hào)參數(shù)最小值設(shè)置：CAK3665 SJ數(shù)控車床主軸上安裝的手動(dòng)三抓卡盤，限制了主軸的轉(zhuǎn)速不能太高，機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)規(guī)定1500轉(zhuǎn)/分，主軸電機(jī)到主軸的傳動(dòng)比為2/3。折算到電機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)速應(yīng)為1500÷2/3=2250轉(zhuǎn)/分。對(duì)應(yīng)的頻率值應(yīng)為f=np/60=75Hz，此值為02號(hào)變頻器參數(shù)設(shè)定的最小值。

如果此數(shù)值設(shè)置得過(guò)小或過(guò)大都會(huì)使數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障，參數(shù)值小于75Hz，將導(dǎo)致主軸的轉(zhuǎn)速達(dá)不到機(jī)床技術(shù)指標(biāo)要求的1500轉(zhuǎn)/分；參數(shù)值大于150Hz，將導(dǎo)致變頻器失去對(duì)主軸電機(jī)的保護(hù)功能。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)地論述了數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速出現(xiàn)故障時(shí)原因分析及參數(shù)調(diào)整方法，提供了在不同的轉(zhuǎn)速故障現(xiàn)象下的有效解決措施。維修人員如果能夠充分地了解這些參數(shù)，并靈活地加以應(yīng)用。會(huì)大大減少維修診斷的時(shí)間，并會(huì)使數(shù)控機(jī)床的性能上升到一個(gè)新的水平。

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作者簡(jiǎn)介

張麗，女（1967.1—），滿族，北京人，本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：北京電子科技職業(yè)學(xué)院、數(shù)控維修分類。

李玉蘭，女（1963.10—），漢族，北京人，本科/碩士，副教授，研究方向：北京電子科技職業(yè)學(xué)院、數(shù)控機(jī)床安裝與調(diào)試分類。

張強(qiáng)，男（1971.1—），漢族，北京人，本科/碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：北京電子科技職業(yè)學(xué)院、數(shù)控維修分類。