鉆攻中心的高速切削技術(shù)研究與優(yōu)化

劉 江 賴立迅

(①常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164;②常州創(chuàng)勝特爾數(shù)控機(jī)床設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213164)

鉆攻中心憑借其高速、高精度的加工特點(diǎn)，備受市場(chǎng)青睞，是蘋果、三星等3C 產(chǎn)品零件的制造關(guān)鍵設(shè)備。為了提高我國(guó)制造裝備技術(shù)水平，從“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變，筆者單位與與常州創(chuàng)勝特爾數(shù)控機(jī)床設(shè)備有限公司“校中廠”共同研制ZH540B 鉆攻中心，通過系列攻關(guān)，解決了鉆攻中心高速切削的關(guān)鍵技術(shù)問題，總體技術(shù)指標(biāo)已接近日本 FANUC 和BROTHER 公司的鉆削中心的水平，并廣泛用于企業(yè)生產(chǎn)。本文主要從系統(tǒng)研究鉆攻中心的高速切削技術(shù)，充分提高加工效率，從而提高用戶的單位時(shí)間產(chǎn)值，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

TOM-ZH540B 鉆攻中心采用FANUC-0I-MATED數(shù)控系統(tǒng)，主軸與主軸電動(dòng)機(jī)采用聯(lián)軸器直連方式，采用βiI 6/10 000 主軸電動(dòng)機(jī)，主電機(jī)功率5.5/7.5 kW，主電動(dòng)機(jī)扭矩35/47 N·m;采用X、Y、Z 這3 個(gè)伺服軸，其中X、Y 坐標(biāo)軸為移動(dòng)工作臺(tái)，Z 坐標(biāo)軸帶動(dòng)主軸垂直運(yùn)動(dòng)，三個(gè)軸均采用線性導(dǎo)軌、16 mm 大螺距絲杠傳動(dòng)，X 軸、Y 軸采用βis 12/3 000 伺服電動(dòng)機(jī)，進(jìn)給軸電動(dòng)機(jī)12 N·m，Z 軸采用βis 22/3 000，進(jìn)給軸電機(jī)22 N·m。通過對(duì)基本參數(shù)設(shè)定，坐標(biāo)軸移動(dòng)速度提高、剛性攻絲優(yōu)化等方面進(jìn)行研究與優(yōu)化，機(jī)床的效率有了大幅提高，同時(shí)保證了加工零件的精度，滿足了用戶需求。

1 基本參數(shù)設(shè)定

1.1 進(jìn)給軸電機(jī)初始化

由于數(shù)字伺服控制是通過軟件方式進(jìn)行運(yùn)算控制的，而控制軟件是存儲(chǔ)在伺服ROM 中。通電時(shí)數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)定的電動(dòng)機(jī)規(guī)格號(hào)、齒輪傳動(dòng)比、檢測(cè)倍乘比、電動(dòng)機(jī)方向等其他適配參數(shù)，加載所需的伺服數(shù)據(jù)到工作存儲(chǔ)區(qū)(伺服ROM 中寫有各種規(guī)格的伺服控制數(shù)據(jù))，而初始化設(shè)定正是進(jìn)行電動(dòng)機(jī)規(guī)格號(hào)和其他適配參數(shù)的設(shè)定。伺服電動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)設(shè)定見表1 所示。

FANUC 數(shù)控系統(tǒng)默認(rèn)的檢測(cè)單位為0.001 mm，則設(shè)置值為2 即可，為了提高機(jī)床的控制精度，現(xiàn)將系統(tǒng)的檢測(cè)精度提高一個(gè)等級(jí)，采用檢測(cè)單位為0.000 1 mm，即參數(shù)No.1820 設(shè)置值為20;伺服軸均采用聯(lián)軸器直連方式，絲杠桿螺距為16 mm。

根據(jù)柔性齒輪比計(jì)算公式N/M=電動(dòng)機(jī)一轉(zhuǎn)絲桿移動(dòng)的距離(檢測(cè)單位為:0.1 μm)/1 000 000，對(duì)于螺距為16 mm 的軸，其柔性齒輪比為:No.2084/No.2085=16 ×10 000/1 000 000=4/25;參考計(jì)數(shù)器容量No.1821=16 ×10 000=160 000。

對(duì)于導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的機(jī)臺(tái)，用戶在進(jìn)行伺服電動(dòng)機(jī)初始化設(shè)置時(shí)，只需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)型號(hào)及進(jìn)給軸方向，對(duì)參數(shù)No.2020、No.2022 進(jìn)行設(shè)定后，斷電重啟即可。該設(shè)備伺服電動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)具體設(shè)定見表1。

表1 伺服電動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)設(shè)定

1.2 主軸電動(dòng)機(jī)初始化設(shè)定

主軸電動(dòng)機(jī)控制接口為主軸串行輸出，串行輸出中輸出到主軸的命令值為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，同時(shí)使用外接位置編碼器與CNC 相連，用于檢測(cè)主軸的位置。正確進(jìn)行主軸電動(dòng)機(jī)初始化設(shè)定，保證主軸定向、定向停等功能的實(shí)現(xiàn)。主軸電動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)設(shè)定見表2。

主軸電動(dòng)機(jī)的最低/高鉗制速度計(jì)算為:

P3735=(主軸電動(dòng)機(jī)所要獲得的最低鉗制轉(zhuǎn)速/主軸電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速P4020 的值)×4 095

P3736=(主軸電動(dòng)機(jī)所要獲得的最高鉗制轉(zhuǎn)速/主軸電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速P4020 的值)×4095

主軸電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為P4020 的值，該值在主軸電動(dòng)機(jī)初始化后自動(dòng)設(shè)定;由于鉆削中心主軸與主軸電動(dòng)機(jī)采用聯(lián)軸器直連結(jié)構(gòu)，故設(shè)置主軸最高轉(zhuǎn)速值P3741 與P4020 一樣。

參數(shù)P4002 設(shè)置主軸傳感器的種類。鉆削中心主軸采用電動(dòng)機(jī)編碼器進(jìn)行位置反饋，即P4002#0=1即可。

用戶在進(jìn)行主軸初始化時(shí)，首先需要根據(jù)主軸電動(dòng)機(jī)的型號(hào)對(duì)參數(shù)P4133 進(jìn)行設(shè)置，通過參數(shù)P4019#7 設(shè)置為1 后斷電重啟，完成主軸初始化，最后根據(jù)表2 說明對(duì)參數(shù)P3741 和P4002 進(jìn)行設(shè)置。具體主軸電動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)設(shè)定見表2。

表2 主軸電動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)設(shè)定

1.3 其他重要參數(shù)設(shè)定

進(jìn)給軸和主軸完成初始化設(shè)定后，需要通過修改參數(shù)P1815#4、#5，完成機(jī)床原點(diǎn)設(shè)定。在原點(diǎn)設(shè)置成功后，通過參數(shù)P1320、P1321 的設(shè)置，對(duì)機(jī)床各軸軟限位設(shè)定。由于采用夾臂式刀庫(kù)換刀，換刀時(shí)Z 軸要向正方向移動(dòng)，換刀時(shí)將G7.6 激活，存儲(chǔ)行程極限I 有效，行程限位使用參數(shù)P1326、P1327 設(shè)定值，換刀結(jié)束后，回到正常加工時(shí)行程限位。其他重要參數(shù)設(shè)定見表3。

表3 其他重要參數(shù)設(shè)定

2 坐標(biāo)軸移動(dòng)速度提高

2.1 快速進(jìn)給速度及各軸增益的提高

以X 軸調(diào)整為例，根據(jù)機(jī)床配置要求，結(jié)合機(jī)床伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠、線性導(dǎo)軌的承載能力，將G00快速進(jìn)給速度提高到48 m/min，未更改速度環(huán)增益響應(yīng)頻率響應(yīng)圖形如圖1 所示。通過提高各軸的速度環(huán)增益P2021 從200 調(diào)整到350，調(diào)整時(shí)結(jié)合濾波器功能消除各軸的高頻振動(dòng)點(diǎn)，然后再逐步提高伺服的速度環(huán)增益，最終設(shè)定速度環(huán)增益為極限值70%～80%，即圖1 中幅頻曲線開始下降的地方對(duì)應(yīng)的頻率接近10 dB，在1 000 Hz 附近的幅值應(yīng)低于-20 dB。更改后頻率響應(yīng)圖形，如圖2 所示。

對(duì)應(yīng)各軸速度環(huán)增益提高之后，再提高各軸位置環(huán)增益P1825，將各軸位置環(huán)增益從3 000 提高到5 000，提高各軸的伺服剛性，并通過測(cè)定各軸TCMD波形，保證各軸運(yùn)行平穩(wěn)。提高位置環(huán)增益后，各軸TCMD 波形如圖3 所示。

2.2 各軸快速移動(dòng)加速度的調(diào)整

各軸增益調(diào)整完成后，為進(jìn)一步提高各軸速度，各軸的最高移動(dòng)速度是一個(gè)決定因素，其中各軸的最大加速度也直接決定了機(jī)床的加工速度。TCMD 曲線調(diào)整要求是在加速和減速段(斜線段)過渡平滑，無過沖現(xiàn)象;恒速度(直線段)電流粗細(xì)一致，中間沒有波動(dòng);TCMD 曲線電流最大值不超過放大器電流最大值的80%。減小G00 時(shí)間常數(shù)，同時(shí)確認(rèn)加減速時(shí)的電流輸出，在機(jī)械部件能承受的范圍下，盡量提高加減速時(shí)的電流，使加減速時(shí)電流盡量接近對(duì)應(yīng)放大器的最大輸出電流，此時(shí)為最優(yōu)快速加速時(shí)間常數(shù)設(shè)定。通過測(cè)定，將G00 加減速時(shí)間常數(shù)P1620、P1621 分別設(shè)定為100、40。同時(shí)將P1601#4 設(shè)為“1”，開啟了快速移動(dòng)程序段重疊功能，將P1722 設(shè)為“50”，設(shè)定快速移動(dòng)程序段重疊時(shí)減速比為50;將P2212#6 設(shè)為“1”，切削/快速進(jìn)給位置環(huán)分開控制P2201#1 設(shè)為“1”，將P1825 快速進(jìn)給位置環(huán)增益改為300，切削時(shí)速度增益倍率由200 減小到150。更改之后對(duì)應(yīng)各軸TCMD 波形如圖4。

2.3 其他參數(shù)的更改

將P1801#4 設(shè)為“1”，使用快速進(jìn)給與切削進(jìn)給分開控制，將快速進(jìn)給到位寬度P1826 從20 增加到2 000，切削進(jìn)給到位寬度P1827 從0 增加到20。測(cè)試空行程程序運(yùn)行時(shí)間為28 s，比調(diào)整增益、加減速時(shí)間常數(shù)后減少9 s。

更改先行前饋系數(shù)從7 000 到9 000、插補(bǔ)前加/減速的每個(gè)軸的允許最大加速度從200 到600。更改完成之后，測(cè)定空行程程序運(yùn)行時(shí)間為21 s，比調(diào)整增益、加減速時(shí)間常數(shù)后減少16 s。

3 剛性攻絲的優(yōu)化

提高機(jī)床各坐標(biāo)軸移動(dòng)速度后，對(duì)換刀、鉆孔、攻絲速度的提高有一定的影響，但只是單純從移動(dòng)速度上的提高。對(duì)于剛性攻絲，還有其他參數(shù)對(duì)其有較大的影響，對(duì)參數(shù)設(shè)定數(shù)值進(jìn)行更改，對(duì)比其對(duì)剛性攻絲速度、沖擊、誤差的影響，最終設(shè)定最佳的數(shù)據(jù)。未對(duì)參數(shù)進(jìn)行更改優(yōu)化時(shí)的剛性攻絲圖形如圖5 所示。

3.1 主軸速度環(huán)前饋系數(shù)的調(diào)整

通過逐漸提高P4037 主軸速度環(huán)前饋系數(shù)，且保持主軸前饋和攻絲軸Z 的前饋系數(shù)設(shè)定一致。分別測(cè)試參數(shù)P4037 為“0”與“200”時(shí)，執(zhí)行剛性攻絲程序，運(yùn)行時(shí)間減少1 s，但攻絲時(shí)主軸沖擊聲明顯增大，且攻絲誤差變大。故此參數(shù)保持為0。

3.2 剛性攻絲中主軸和攻絲軸的位置控制的環(huán)路增益的調(diào)整

剛性攻絲中主軸和攻絲軸的位置控制的環(huán)路增益，初始值設(shè)定為2 000。分別將剛性攻絲時(shí)的攻絲軸的位置增益P5280 與伺服方式/主軸同步控制時(shí)的主軸的位置增益P4065～P4068 設(shè)定為“3 000”與“5 000”，分別測(cè)試運(yùn)行剛性攻絲程序，查看剛性攻絲誤差診斷參數(shù)453。將位置環(huán)增益改為“3 000”后，時(shí)間減少0.4 s，無較大的沖擊，但攻絲誤差減小;將位置環(huán)增益改為“5 000”后，剛性攻絲誤差超出筆者公司規(guī)定。故剛性攻絲參數(shù)設(shè)定為3 000，對(duì)應(yīng)剛性攻絲圖形如圖6 所示。

3.3 剛性攻絲加/減速時(shí)間常數(shù)的調(diào)整

剛性攻絲加/減速時(shí)間常數(shù)的調(diào)整，在設(shè)定好固定攻絲最大速度下，逐步減小加/減速時(shí)間常數(shù)，保證剛性攻絲誤差在允許范圍之內(nèi)。通過觀察剛性攻絲圖形及診斷參數(shù)，逐漸減小加減速時(shí)間常數(shù)，最終設(shè)定為300。運(yùn)行剛性攻絲程序，時(shí)間減少9 s，剛性攻絲誤差在筆者公司規(guī)定范圍之內(nèi)。對(duì)應(yīng)剛性攻絲圖形如圖7所示。

3.4 伺服方式/主軸同步控制時(shí)電動(dòng)機(jī)電壓的調(diào)整

據(jù)相關(guān)資料表明，伺服方式/主軸同步控制時(shí)電動(dòng)機(jī)電壓初始設(shè)定值P4085 為“30”，此參數(shù)對(duì)剛性攻絲效率影響較大，建議將此參數(shù)設(shè)定為“100”。試驗(yàn)過程中，先后將此參數(shù)設(shè)定為50、80、100，通過對(duì)攻絲程序運(yùn)行時(shí)間、攻絲誤差、攻絲聲音比較，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電壓升高之后，對(duì)攻絲時(shí)間及攻絲誤差影響不大，但攻絲時(shí)聲音明顯增加。所以此參數(shù)設(shè)定為30。

通過對(duì)剛性攻絲有關(guān)參數(shù)的單獨(dú)更改測(cè)試，最終將主軸速度環(huán)前饋系數(shù)P4037 設(shè)定為“0”;剛性攻絲中主軸和攻絲軸的位置控制的環(huán)路增益P5280、P4065～4068設(shè)定為“3 000”;剛性攻絲加/減速時(shí)間常數(shù)P5261～5263 設(shè)定為“300”;伺服方式/主軸同步控制時(shí)電動(dòng)機(jī)電壓P4085)設(shè)定為“30”。參數(shù)調(diào)整完成之后，運(yùn)行剛性攻絲程序，時(shí)間減少9 s，對(duì)應(yīng)剛性攻絲圖形如圖8所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)鉆攻中心基本參數(shù)設(shè)置、進(jìn)給軸移動(dòng)速度提高、剛性攻絲的優(yōu)化，機(jī)床的效率有了大幅提高，同時(shí)保證了加工零件的精度，滿足了用戶需求。

［1］FANUC Series 0i-MODEL D 維修說明書［Z］.

［2］FANUC Series 0i-MODEL D 參數(shù)說明書［Z］.

［3］FANUC Series 0i-MODEL D 功能說明書［Z］.