HNC-21數(shù)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備調(diào)試技術(shù)

王銳 王剛

摘? 要：數(shù)控設(shè)備是機(jī)電一體化的工作系統(tǒng)，文章介紹HNC-21數(shù)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備電氣及機(jī)械的綜合知識(shí)，最終達(dá)到熟練掌握數(shù)控機(jī)床調(diào)試技術(shù)的目的。

關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng);電氣控制;調(diào)試技術(shù);誤差補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）34-0015-03

Abstract： Numerical control equipment is the work system of electromechanical integration. This paper introducesthe electrical and mechanical knowledge of the HNC-21 numerical control experimental equipment， for the purpose of ultimately achieving the purpose of grasping the debugging technology of CNC machine tools.

Keywords： CNC system; electrical control; debugging technology; error compensation

引言

HNC-21數(shù)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備由硬件和軟件組成，可實(shí)現(xiàn)G代碼編程，電氣裝調(diào)和機(jī)械精度檢測(cè)等。通過(guò)調(diào)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備的學(xué)習(xí)，能夠掌握數(shù)控機(jī)床電氣控制原理，NC系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，變頻器，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和伺服驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試方法等，同時(shí)能夠?qū)C(jī)床出現(xiàn)的常見(jiàn)故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確的診斷與維修。

1 電氣控制原理

HNC-21實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用交流三相380V供電，主軸采用變頻驅(qū)動(dòng)控制，進(jìn)給軸X采用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，進(jìn)給軸Z采用伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制，電氣控制原理如圖1所示。

伺服變壓器TC2將AC380V轉(zhuǎn)換為AC220V，供電給伺服驅(qū)動(dòng)器?？刂谱儔浩鱐C1將2相AC380V轉(zhuǎn)換成AC24V和AC220V，AC24V經(jīng)過(guò)整流橋AP1變換為DC36V供電給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，AC220V用于刀架正反轉(zhuǎn)控制電路、伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部控制電路和開關(guān)電源VC1。開關(guān)電源輸出DC24V用于系統(tǒng)電源、急停控制回路、刀架信號(hào)電源和PLC輸入轉(zhuǎn)接板指示燈電源等。繼電器KA9吸合產(chǎn)生的24V1用于伺服使能控制和PLC輸出繼電器控制。繼電器KA4和KA5用于刀架正反轉(zhuǎn)控制電路，接觸器KM1和KM2用于刀架電機(jī)主電路。RC1和RC2用于接觸器線圈滅弧，RC3用于接觸器主觸點(diǎn)滅弧。

2 配置硬件與PMC系統(tǒng)參數(shù)

配置硬件參數(shù)是列出設(shè)備的部件清單，HNC-21系統(tǒng)能夠配置32個(gè)部件。HNC-21板卡型號(hào)5301，板卡地址0，步進(jìn)電機(jī)標(biāo)識(shí)46，伺服電機(jī)標(biāo)識(shí)45，輸入/輸出開關(guān)量標(biāo)識(shí)13，手搖脈沖發(fā)生器標(biāo)識(shí)31，主軸模擬電壓輸出標(biāo)識(shí)15，配置0用于區(qū)別接口類型，調(diào)整設(shè)備功能。

PMC系統(tǒng)參數(shù)用于定義I/O模塊接口，開關(guān)量輸入總組數(shù)為46，X0-X4字節(jié)用于基本輸入信號(hào)，由系統(tǒng)XS10、XS11端口輸入，X5-X29字節(jié)用于擴(kuò)展輸入信號(hào)，X30-X45字節(jié)用于MCP面板和MDI鍵盤輸入信號(hào)。開關(guān)量輸出總組數(shù)為38，Y0-Y3字節(jié)用于基本輸出信號(hào)，由系統(tǒng)XS20、XS21端口輸出，Y4-Y27字節(jié)用于擴(kuò)展輸出信號(hào)，Y28-Y29字節(jié)用于主軸D/A數(shù)字量輸出信號(hào)，Y30-Y37字節(jié)用于MCP面板和MDI鍵盤輸出信號(hào)。

3 外部運(yùn)行允許控制

外部運(yùn)行允許控制即數(shù)控機(jī)床的急停控制，它是數(shù)控設(shè)備的保護(hù)電路，如圖2所示。急?？刂评^電器KA9采用DC24V供電，它與行程限位開關(guān)閉點(diǎn)、急停按鈕串聯(lián)，超程解除按鈕與行程開關(guān)閉點(diǎn)并聯(lián)。數(shù)控系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，旋開急停按鈕，KA9線圈得電，外部運(yùn)行允許信號(hào)X2.3由PLC信號(hào)轉(zhuǎn)接板輸入，系統(tǒng)由急停變成復(fù)位，機(jī)床可正常工作。手動(dòng)運(yùn)行十字滑臺(tái)X、Z軸至超程位置，進(jìn)給軸停止運(yùn)行，系統(tǒng)顯示急停與超程報(bào)警，按住超程解除，將行程限位短路，可移動(dòng)進(jìn)給軸向相反方向運(yùn)行，報(bào)警消除。

4 設(shè)置步進(jìn)X軸

實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)給軸X采用開環(huán)控制，應(yīng)用雷塞步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)軸0參數(shù)界面，外部脈沖當(dāng)量分子為25，分母為256，伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為46，伺服驅(qū)動(dòng)器部件號(hào)為0，電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為200，步進(jìn)電機(jī)拍數(shù)為4，快移加減速時(shí)間常數(shù)為100，快移加速度時(shí)間常數(shù)為64，加工加減速時(shí)間常數(shù)為100，加工加速度時(shí)間常數(shù)為64。

機(jī)床行程軟限位的設(shè)定，軟限位對(duì)機(jī)床起到雙重保護(hù)的作用。車床X軸為直徑編程，系統(tǒng)顯示值為實(shí)際機(jī)床移動(dòng)距離的2倍，在設(shè)定機(jī)床軟限位時(shí)，應(yīng)輸入機(jī)床實(shí)際所走的位移值。

5 調(diào)試伺服Z軸

實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)給軸Z采用半閉環(huán)控制，應(yīng)用三洋伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)軸2參數(shù)界面，外部脈沖當(dāng)量分子為5，分母為2，伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為45，伺服驅(qū)動(dòng)器部件號(hào)為2，最大定位誤差為20，最大跟蹤誤差為12000，電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為2000，反饋電子齒輪比為1：1。

改變驅(qū)動(dòng)器相關(guān)參數(shù)能夠提高其運(yùn)動(dòng)性能，位置比例增益PA000設(shè)30，值越大，增益越高，剛度越大。速度比例增益PA002設(shè)50，值越大，增益越高，剛度越大。在系統(tǒng)不振蕩條件下，PA000和PA002盡量設(shè)較大值。速度積分時(shí)間常數(shù)PA003設(shè)20，值越小，積分速度越快，在系統(tǒng)不振蕩條件下，PA003盡量設(shè)較小值。依次修改參數(shù)，觀察Z軸電機(jī)狀態(tài)，查看系統(tǒng)跟蹤誤差，將其調(diào)到比較理想狀態(tài)。

6 系統(tǒng)與伺服脈沖匹配

數(shù)控系統(tǒng)可輸出單脈沖、雙脈沖與AB相脈沖三種信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器也可接收以上指令脈沖。通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)與伺服參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)指令類型的匹配。

硬件配置0確定系統(tǒng)控制指令類型，大小是一個(gè)字節(jié)，D3-D0指定伺服軸為2號(hào)軸，數(shù)值為0010;D5-D4指定系統(tǒng)脈沖指令形式，缺省單脈沖輸出為00，單脈沖輸出為01，雙脈沖輸出為10，AB相輸出為11;D7-D6指定系統(tǒng)接收反饋脈沖的形式，缺省AB相反饋為00，單脈沖反饋為01，雙脈沖反饋為10，AB相反饋為11。如果系統(tǒng)輸出指令與反饋脈沖均為AB相脈沖，通過(guò)計(jì)算配置0應(yīng)設(shè)50/242。伺服驅(qū)動(dòng)指令脈沖接收形式由PA400定義，雙脈沖為00H，AB相脈沖為10H，單脈沖為20H。

如果系統(tǒng)輸出單脈沖，反饋AB脈沖，通過(guò)計(jì)算配置0可設(shè)2/18/194/210，伺服PA400應(yīng)采用單脈沖設(shè)20H才合適。如果系統(tǒng)輸出雙脈沖，反饋AB脈沖，通過(guò)計(jì)算配置0可設(shè)34/192，伺服PA400采用單脈沖設(shè)20H，這時(shí)運(yùn)行Z軸，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)Z軸可動(dòng)，但無(wú)法判斷方向，所以機(jī)床要正常運(yùn)行必須匹配好系統(tǒng)與伺服的指令脈沖。

7 變頻主軸控制

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主軸采用變頻控制，應(yīng)用日立變頻器及三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。線路連接完成后，首先初始化變頻器，初始化模式B85設(shè)01，初始化有效B84設(shè)01，同時(shí)按下FANC、▲和▼鍵，再按STOP/RESET鍵3秒以上，先松開STOP/RESET直至顯示D01并閃爍，再松開FANC、▲和▼鍵，閃爍完成，出現(xiàn)游動(dòng)的浮標(biāo)，最后停止顯示D01，表示初始化完成。

電機(jī)運(yùn)行前先確認(rèn)變頻器相關(guān)參數(shù)是否與電機(jī)參數(shù)相匹配，額定電壓A82設(shè)380V，額定功率H03設(shè)0.55kW，磁極數(shù)H04設(shè)4極，額定頻率A03設(shè)50Hz，最小頻率A15設(shè)01（0Hz），最大頻率A04設(shè)50Hz，斜坡上升時(shí)間F02設(shè)10s，斜坡下降時(shí)間F03設(shè)10s。

變頻器接收數(shù)控系統(tǒng)給定頻率，需設(shè)置變頻器相關(guān)參數(shù)。參數(shù)A01設(shè)01，參數(shù)A02設(shè)01。智能端子1和2用于主軸正反轉(zhuǎn)的控制，相應(yīng)參數(shù)設(shè)C01設(shè)00，C02設(shè)01。

8 刀架控制分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用四工位刀架完成刀具的自動(dòng)更換，由動(dòng)作控制中心PMC實(shí)現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)給定換刀指令T0101→（如果當(dāng)前位置不是1號(hào)刀具）刀架電機(jī)正向?qū)さ叮≒LC控制Y0.3信號(hào)輸出→中間繼電器KA4吸合→接觸器KM1動(dòng)作）→檢測(cè)到刀位信號(hào)X1.1→正轉(zhuǎn)延時(shí)0.1S→刀架電機(jī)反向鎖緊（PLC控制Y0.4信號(hào)輸出→中間繼電器KA5吸合→接觸器KM2動(dòng)作）→反向鎖緊1s后刀架電機(jī)斷電。如果在換刀允許最大時(shí)間10s內(nèi)沒(méi)有找到刀位信號(hào)，系統(tǒng)提示換到超時(shí)報(bào)警。

9 機(jī)械精度檢測(cè)與補(bǔ)償

螺距誤差和反向間隙影響機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用光柵尺進(jìn)行精度檢測(cè)，光柵尺與系統(tǒng)通過(guò)XS31接口連接，系統(tǒng)參數(shù)軸1設(shè)為旋轉(zhuǎn)軸，單元型號(hào)設(shè)45，部件號(hào)設(shè)1，定位誤差和跟蹤誤差設(shè)0。螺距補(bǔ)償類型設(shè)2，補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)設(shè)5，參考點(diǎn)偏差號(hào)設(shè)4，補(bǔ)償間隔設(shè)50000。

被測(cè)點(diǎn)位置0定義在Z軸負(fù)向最遠(yuǎn)端，向坐標(biāo)軸正向排列依次為0、1、2、3、4，運(yùn)行螺補(bǔ)測(cè)量程序如表1，將Z軸正向移動(dòng)誤差輸入軸補(bǔ)償參數(shù)中的偏差值[0]、[1]、[2]、[3]、[4]中，將Z軸負(fù)向移動(dòng)誤差輸入到軸補(bǔ)償參數(shù)中的偏差值[5]、[6]、[7]、[8]、[9]中，均按照被測(cè)點(diǎn)位置0、1、2、3、4輸入。雙向螺補(bǔ)已將反向間隙補(bǔ)償?shù)铰菥嗾`差中，不需單獨(dú)測(cè)量，重啟系統(tǒng)再次測(cè)量，觀察補(bǔ)償后的變化。

10 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備調(diào)試注重實(shí)際機(jī)床的電氣控制原理分析、設(shè)計(jì)與安裝，機(jī)械部件精度的檢測(cè)與調(diào)整。通過(guò)調(diào)試過(guò)程的學(xué)習(xí)，能夠達(dá)到數(shù)控機(jī)床調(diào)試人員的基本技能要求。

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