國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)口五坐標(biāo)橋式高速龍門銑床上的應(yīng)用

□ 周鳳坤 □ 于贏佳 □ 鄭 武 □ 陳 雨

1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司 沈陽(yáng) 110034

2.沈陽(yáng)華飛智能科技有限公司 沈陽(yáng) 110034

3.武漢華中數(shù)控股份有限公司 武漢 430223

4.華中科技大學(xué) 武漢 430074

1 應(yīng)用背景

航空企業(yè)是高端裝備的聚集地，目前加工航空結(jié)構(gòu)件使用的數(shù)控系統(tǒng)基本上是國(guó)外品牌產(chǎn)品。而多數(shù)航空企業(yè)又是軍工企業(yè)，大量使用進(jìn)口數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)，在功能和性能上受到國(guó)外技術(shù)的封鎖和限制，再加上企業(yè)本身的保密性需求，導(dǎo)致在加工裝備的采購(gòu)、維修和技術(shù)升級(jí)等方面總是處于被動(dòng)狀態(tài)。對(duì)國(guó)外技術(shù)的過(guò)度依賴還影響到航空企業(yè)的生產(chǎn)和國(guó)防安全，基于此，筆者改造項(xiàng)目中采用國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)［1-3］。

MINUMAC-TH五坐標(biāo)橋式高速龍門銑床于2000年從法國(guó)引進(jìn)，長(zhǎng)期用于加工壁板類航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。機(jī)床的控制系統(tǒng)是法國(guó)NUM1060系統(tǒng)，系統(tǒng)的元器件老化，性能和精度下降，穩(wěn)定性差，功能落后，故障率高，給生產(chǎn)帶來(lái)了隱患［4］?？紤]到該機(jī)床機(jī)械部分仍可以滿足使用需求，因此采用華中HNC-848數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行電氣升級(jí)改造，以使其工作穩(wěn)定，效率提升。

2 技術(shù)選型

五坐標(biāo)橋式高速龍門銑床對(duì)動(dòng)態(tài)特性要求較高，電機(jī)的選型是改造是否成功的關(guān)鍵因素，其中需重點(diǎn)考慮電機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。原則上，新選擇的伺服電機(jī)在這三方面指標(biāo)上應(yīng)高于原有的伺服電機(jī)。

對(duì)比原有NUM伺服電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，華中數(shù)控伺服電機(jī)的選型見(jiàn)表1。

華中GK8系列伺服電機(jī)是高動(dòng)態(tài)響應(yīng)永磁同步電機(jī)，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于原有電機(jī)，改造后保證了機(jī)床的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

表1 改造前后電機(jī)選型對(duì)比

3 電氣設(shè)計(jì)

針對(duì)元器件老化、故障率高的問(wèn)題，對(duì)五坐標(biāo)橋式高速龍門銑床電氣柜中的元器件采取全部更換的措施，并根據(jù)HNC-8系列數(shù)控系統(tǒng)的控制原理重新設(shè)計(jì)了電氣原理圖。

HNC-848數(shù)控系統(tǒng)電氣部分由 HPC-100 CNC單元、MCP操作面板單元、UPS-NC供電單元、HIO-1000A PLC單元、HSV-180UD伺服驅(qū)動(dòng)單元、HSV-180US主軸驅(qū)動(dòng)單元和相關(guān)輔助電路組成。系統(tǒng)各單元之間采用NCUC總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)控系統(tǒng)與操作面板、PLC單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)據(jù)總線連接如圖1所示。

圖2所示為伺服驅(qū)動(dòng)單元連接圖。該伺服驅(qū)動(dòng)單元使用標(biāo)準(zhǔn)交流380 V電壓供電，除含有控制標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)的接口外，還具有XS6外置編碼器接口，支持ENDAT 2.1/2.2絕對(duì)值反饋、ABZ差動(dòng)信號(hào)、1 Vpp信號(hào)，可滿足全閉環(huán)控制需求。

4 五軸RTCP標(biāo)定

進(jìn)行機(jī)電聯(lián)調(diào)，保證五坐標(biāo)橋式高速龍門銑床各功能正常后，對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行檢修，確保各項(xiàng)機(jī)械幾何精度均在誤差允許范圍內(nèi)，然后進(jìn)行五軸RTCP標(biāo)定[5-8]。

根據(jù)HNC-8系列數(shù)控系統(tǒng)通道參數(shù)表中需要填寫的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，總結(jié)出一套標(biāo)定方法。

五坐標(biāo)橋式高速龍門銑床是C軸、B軸雙擺頭結(jié)構(gòu)五軸機(jī)床，主動(dòng)軸為C軸，從動(dòng)軸為B軸。HNC-8系列數(shù)控系統(tǒng)RTCP需要標(biāo)定的參數(shù)包括主軸頭長(zhǎng)度（H）、主軸軸線X偏置距離（Xs）、主軸軸線Y偏置距離（Ys）、B軸C軸軸線偏置距離（Xsc），如圖 3 所示。

4.1 主軸頭長(zhǎng)度（H）

（1） 令B軸至 0°，C軸至 0°。

（2）如圖4所示，用百分表測(cè)主軸端面，并記錄讀數(shù)。

（3）在系統(tǒng)中使用相對(duì)清零功能對(duì)Z軸坐標(biāo)清零，令Z=0。

（4） 令B軸至 90°，C軸至 0°。

（5）如圖5所示，在主軸上裝檢棒，用百分表測(cè)檢棒下母線，移動(dòng)Z軸，移動(dòng)到表的讀數(shù)與第（2）步相同為止。

（6）查看Z軸的相對(duì)坐標(biāo)值，記錄為Z1，則主軸頭的長(zhǎng)度為：

式中：d為檢棒直徑。

4.2 主軸軸線X偏置距離（Xs）

（1） 令B軸至 0°，C軸至 0°。

（2）如圖6所示，將百分表安裝在檢棒的X軸負(fù)方向位置，測(cè)檢棒側(cè)母線，記錄讀數(shù)，X軸相對(duì)坐標(biāo)值清零。

（3） 令B軸至 0°，C軸至 180°。

（4）移動(dòng)X軸，觀察百分表的數(shù)值變化，使百分表數(shù)值與第（2）步記錄的值相同。

▲圖1 數(shù)據(jù)總線連接

▲圖2 伺服驅(qū)動(dòng)單元連接圖

（5）查看X軸的相對(duì)坐標(biāo)值，記錄為X1，則主軸軸線X偏置距離為：

4.3 主軸軸線 Y偏置距離（Ys）

（1） 令B軸至 0°，C軸至 0°。

（2）如圖7所示，將百分表安裝在檢棒的Y軸負(fù)方向位置，測(cè)檢棒側(cè)母線，記錄讀數(shù)，Y軸相對(duì)坐標(biāo)值清零。

（3） 令B軸至 0°，C軸至 180°。

（4）移動(dòng)Y軸，觀察百分表的數(shù)值變化，使百分表的數(shù)值與第（2）步記錄的值相同。

（5）查看Y軸的相對(duì)坐標(biāo)值，記錄為Y1，則主軸軸線Y偏置距離為：

4.4 B軸C軸軸線偏置距離（Xsc）

（1） 令B軸至 90°，C軸至 0°。

（2）如圖8所示，在主軸上安裝檢棒，百分表測(cè)檢棒下母線，記錄讀數(shù)，機(jī)床Z軸相對(duì)坐標(biāo)值清零。

（3） 令B軸至-90°，C軸至 0°。

（4）如圖9所示，再次用百分表測(cè)檢棒下母線，記錄讀數(shù)，移動(dòng)機(jī)床Z軸，使表的讀數(shù)與第（2）步記錄的值相同。

（5）查看Z軸的相對(duì)坐標(biāo)值，記錄為Z1。

由于測(cè)得的Xs值是第一旋轉(zhuǎn)軸中心和第二旋轉(zhuǎn)軸中心與主軸中心的偏差之和，根據(jù)華中數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)填寫規(guī)則，需要分別填寫。

▲圖3 RTCP標(biāo)定參數(shù)

B軸軸線相對(duì)于主軸軸線的偏移距離Xsb為：

B軸C軸軸線偏置距離為：

將上述標(biāo)定計(jì)算的數(shù)值填入華中數(shù)控系統(tǒng)的通道參數(shù)中，見(jiàn)表2。

5 RTCP功能檢測(cè)

（1） 令B軸至 0°，C軸至 0°。

（2）如圖10所示，在主軸上安裝標(biāo)準(zhǔn)球，用百分表測(cè)標(biāo)準(zhǔn)球底部，找到最高點(diǎn)。

（3）采用五軸機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)對(duì)刀方式對(duì)刀，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償參數(shù)為主軸端面到球心的距離。

表2 華中數(shù)控系統(tǒng)通道參數(shù)

（4） 編寫五軸 G 代碼測(cè)試程序［9］：

（5）執(zhí)行第（4）步的程序，觀察百分表變化情況，按照公差要求，檢測(cè)精度為-0.03～0.03 mm。

（6）如圖11所示，在主軸上安裝標(biāo)準(zhǔn)球，用百分表測(cè)標(biāo)準(zhǔn)球Y軸方向，找到最高點(diǎn)。

（7） 對(duì)刀［10］。

（8）考慮干涉問(wèn)題，修改五軸G代碼測(cè)試程序：

（9）執(zhí)行第（8）步的程序，觀察百分表變化情況，按照公差要求，檢測(cè)精度為-0.03～0.03 mm。

（10）C軸旋轉(zhuǎn) 90°，重新執(zhí)行第（1）～第（9）步，檢測(cè)精度均為-0.03～0.03 mm判為合格。

6 結(jié)束語(yǔ)

▲圖4 百分表測(cè)主軸端面

▲圖5 百分表測(cè)檢棒下母線

▲圖6 百分表沿X軸方向測(cè)檢棒側(cè)母線

▲圖7 百分表沿Y軸方向測(cè)檢棒側(cè)母線

▲圖8 百分表測(cè)檢棒下側(cè)母線（B軸+90°）

▲圖9 百分表測(cè)檢棒下側(cè)母線（B軸-90°）

▲圖10 百分表測(cè)標(biāo)準(zhǔn)球底部

▲圖11 百分表測(cè)標(biāo)準(zhǔn)球Y軸方向

筆者無(wú)法完整闡述進(jìn)口五坐標(biāo)橋式高速龍門銑床改造的全過(guò)程，只針對(duì)技術(shù)選型、電氣設(shè)計(jì)、五軸標(biāo)定三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行介紹。通過(guò)改造前后的性能對(duì)比，確認(rèn)改造后機(jī)床完全滿足切削和高動(dòng)態(tài)特性的要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性也大大提高。筆者的RTCP標(biāo)定方法經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次驗(yàn)證，可以快速準(zhǔn)確地標(biāo)定華中數(shù)控系統(tǒng)，為國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)配套進(jìn)口五軸機(jī)床提供了經(jīng)驗(yàn)。