钻攻中心的高速切削技术研究与优化

2014-04-23赖立迅

制造技术与机床 2014年12期

刘江赖立迅

(①常州机电职业技术学院，江苏常州 213164;②常州创胜特尔数控机床设备有限公司，江苏常州 213164)

钻攻中心凭借其高速、高精度的加工特点，备受市场青睐，是苹果、三星等3C 产品零件的制造关键设备。为了提高我国制造装备技术水平，从“中国制造”向“中国创造”转变，笔者单位与与常州创胜特尔数控机床设备有限公司“校中厂”共同研制ZH540B 钻攻中心，通过系列攻关，解决了钻攻中心高速切削的关键技术问题，总体技术指标已接近日本 FANUC 和BROTHER 公司的钻削中心的水平，并广泛用于企业生产。本文主要从系统研究钻攻中心的高速切削技术，充分提高加工效率，从而提高用户的单位时间产值，提高产品的竞争力。

TOM-ZH540B 钻攻中心采用FANUC-0I-MATED数控系统，主轴与主轴电动机采用联轴器直连方式，采用βiI 6/10 000 主轴电动机，主电机功率5.5/7.5 kW，主电动机扭矩35/47 N·m;采用X、Y、Z 这3 个伺服轴，其中X、Y 坐标轴为移动工作台，Z 坐标轴带动主轴垂直运动，三个轴均采用线性导轨、16 mm 大螺距丝杠传动，X 轴、Y 轴采用βis 12/3 000 伺服电动机，进给轴电动机12 N·m，Z 轴采用βis 22/3 000，进给轴电机22 N·m。通过对基本参数设定，坐标轴移动速度提高、刚性攻丝优化等方面进行研究与优化，机床的效率有了大幅提高，同时保证了加工零件的精度，满足了用户需求。

1 基本参数设定

1.1 进给轴电机初始化

由于数字伺服控制是通过软件方式进行运算控制的，而控制软件是存储在伺服ROM 中。通电时数控系统根据所设定的电动机规格号、齿轮传动比、检测倍乘比、电动机方向等其他适配参数，加载所需的伺服数据到工作存储区(伺服ROM 中写有各种规格的伺服控制数据)，而初始化设定正是进行电动机规格号和其他适配参数的设定。伺服电动机初始化参数设定见表1 所示。

FANUC 数控系统默认的检测单位为0.001 mm，则设置值为2 即可，为了提高机床的控制精度，现将系统的检测精度提高一个等级，采用检测单位为0.000 1 mm，即参数No.1820 设置值为20;伺服轴均采用联轴器直连方式，丝杠杆螺距为16 mm。

根据柔性齿轮比计算公式N/M=电动机一转丝杆移动的距离(检测单位为:0.1 μm)/1 000 000，对于螺距为16 mm 的轴，其柔性齿轮比为:No.2084/No.2085=16 ×10 000/1 000 000=4/25;参考计数器容量No.1821=16 ×10 000=160 000。

对于导入标准参数的机台，用户在进行伺服电动机初始化设置时，只需要根据电动机型号及进给轴方向，对参数No.2020、No.2022 进行设定后，断电重启即可。该设备伺服电动机初始化参数具体设定见表1。

表1 伺服电动机初始化参数设定

1.2 主轴电动机初始化设定

主轴电动机控制接口为主轴串行输出，串行输出中输出到主轴的命令值为数字数据，同时使用外接位置编码器与CNC 相连，用于检测主轴的位置。正确进行主轴电动机初始化设定，保证主轴定向、定向停等功能的实现。主轴电动机初始化参数设定见表2。

主轴电动机的最低/高钳制速度计算为:

P3735=(主轴电动机所要获得的最低钳制转速/主轴电动机的最高转速P4020 的值)×4 095

P3736=(主轴电动机所要获得的最高钳制转速/主轴电动机的最高转速P4020 的值)×4095

主轴电动机的最高转速为P4020 的值，该值在主轴电动机初始化后自动设定;由于钻削中心主轴与主轴电动机采用联轴器直连结构，故设置主轴最高转速值P3741 与P4020 一样。

参数P4002 设置主轴传感器的种类。钻削中心主轴采用电动机编码器进行位置反馈，即P4002#0=1即可。

用户在进行主轴初始化时，首先需要根据主轴电动机的型号对参数P4133 进行设置，通过参数P4019#7 设置为1 后断电重启，完成主轴初始化，最后根据表2 说明对参数P3741 和P4002 进行设置。具体主轴电动机初始化参数设定见表2。

表2 主轴电动机初始化参数设定

1.3 其他重要参数设定

进给轴和主轴完成初始化设定后，需要通过修改参数P1815#4、#5，完成机床原点设定。在原点设置成功后，通过参数P1320、P1321 的设置，对机床各轴软限位设定。由于采用夹臂式刀库换刀，换刀时Z 轴要向正方向移动，换刀时将G7.6 激活，存储行程极限I 有效，行程限位使用参数P1326、P1327 设定值，换刀结束后，回到正常加工时行程限位。其他重要参数设定见表3。

表3 其他重要参数设定

2 坐标轴移动速度提高

2.1 快速进给速度及各轴增益的提高

以X 轴调整为例，根据机床配置要求，结合机床伺服电动机、滚珠丝杠、线性导轨的承载能力，将G00快速进给速度提高到48 m/min，未更改速度环增益响应频率响应图形如图1 所示。通过提高各轴的速度环增益P2021 从200 调整到350，调整时结合滤波器功能消除各轴的高频振动点，然后再逐步提高伺服的速度环增益，最终设定速度环增益为极限值70%～80%，即图1 中幅频曲线开始下降的地方对应的频率接近10 dB，在1 000 Hz 附近的幅值应低于-20 dB。更改后频率响应图形，如图2 所示。

对应各轴速度环增益提高之后，再提高各轴位置环增益P1825，将各轴位置环增益从3 000 提高到5 000，提高各轴的伺服刚性，并通过测定各轴TCMD波形，保证各轴运行平稳。提高位置环增益后，各轴TCMD 波形如图3 所示。

2.2 各轴快速移动加速度的调整

各轴增益调整完成后，为进一步提高各轴速度，各轴的最高移动速度是一个决定因素，其中各轴的最大加速度也直接决定了机床的加工速度。TCMD 曲线调整要求是在加速和减速段(斜线段)过渡平滑，无过冲现象;恒速度(直线段)电流粗细一致，中间没有波动;TCMD 曲线电流最大值不超过放大器电流最大值的80%。减小G00 时间常数，同时确认加减速时的电流输出，在机械部件能承受的范围下，尽量提高加减速时的电流，使加减速时电流尽量接近对应放大器的最大输出电流，此时为最优快速加速时间常数设定。通过测定，将G00 加减速时间常数P1620、P1621 分别设定为100、40。同时将P1601#4 设为“1”，开启了快速移动程序段重叠功能，将P1722 设为“50”，设定快速移动程序段重叠时减速比为50;将P2212#6 设为“1”，切削/快速进给位置环分开控制P2201#1 设为“1”，将P1825 快速进给位置环增益改为300，切削时速度增益倍率由200 减小到150。更改之后对应各轴TCMD 波形如图4。

2.3 其他参数的更改

将P1801#4 设为“1”，使用快速进给与切削进给分开控制，将快速进给到位宽度P1826 从20 增加到2 000，切削进给到位宽度P1827 从0 增加到20。测试空行程程序运行时间为28 s，比调整增益、加减速时间常数后减少9 s。

更改先行前馈系数从7 000 到9 000、插补前加/减速的每个轴的允许最大加速度从200 到600。更改完成之后，测定空行程程序运行时间为21 s，比调整增益、加减速时间常数后减少16 s。

3 刚性攻丝的优化

提高机床各坐标轴移动速度后，对换刀、钻孔、攻丝速度的提高有一定的影响，但只是单纯从移动速度上的提高。对于刚性攻丝，还有其他参数对其有较大的影响，对参数设定数值进行更改，对比其对刚性攻丝速度、冲击、误差的影响，最终设定最佳的数据。未对参数进行更改优化时的刚性攻丝图形如图5 所示。

3.1 主轴速度环前馈系数的调整

通过逐渐提高P4037 主轴速度环前馈系数，且保持主轴前馈和攻丝轴Z 的前馈系数设定一致。分别测试参数P4037 为“0”与“200”时，执行刚性攻丝程序，运行时间减少1 s，但攻丝时主轴冲击声明显增大，且攻丝误差变大。故此参数保持为0。

3.2 刚性攻丝中主轴和攻丝轴的位置控制的环路增益的调整

刚性攻丝中主轴和攻丝轴的位置控制的环路增益，初始值设定为2 000。分别将刚性攻丝时的攻丝轴的位置增益P5280 与伺服方式/主轴同步控制时的主轴的位置增益P4065～P4068 设定为“3 000”与“5 000”，分别测试运行刚性攻丝程序，查看刚性攻丝误差诊断参数453。将位置环增益改为“3 000”后，时间减少0.4 s，无较大的冲击，但攻丝误差减小;将位置环增益改为“5 000”后，刚性攻丝误差超出笔者公司规定。故刚性攻丝参数设定为3 000，对应刚性攻丝图形如图6 所示。

3.3 刚性攻丝加/减速时间常数的调整

刚性攻丝加/减速时间常数的调整，在设定好固定攻丝最大速度下，逐步减小加/减速时间常数，保证刚性攻丝误差在允许范围之内。通过观察刚性攻丝图形及诊断参数，逐渐减小加减速时间常数，最终设定为300。运行刚性攻丝程序，时间减少9 s，刚性攻丝误差在笔者公司规定范围之内。对应刚性攻丝图形如图7所示。

3.4 伺服方式/主轴同步控制时电动机电压的调整

据相关资料表明，伺服方式/主轴同步控制时电动机电压初始设定值P4085 为“30”，此参数对刚性攻丝效率影响较大，建议将此参数设定为“100”。试验过程中，先后将此参数设定为50、80、100，通过对攻丝程序运行时间、攻丝误差、攻丝声音比较，发现电动机电压升高之后，对攻丝时间及攻丝误差影响不大，但攻丝时声音明显增加。所以此参数设定为30。

通过对刚性攻丝有关参数的单独更改测试，最终将主轴速度环前馈系数P4037 设定为“0”;刚性攻丝中主轴和攻丝轴的位置控制的环路增益P5280、P4065～4068设定为“3 000”;刚性攻丝加/减速时间常数P5261～5263 设定为“300”;伺服方式/主轴同步控制时电动机电压P4085)设定为“30”。参数调整完成之后，运行刚性攻丝程序，时间减少9 s，对应刚性攻丝图形如图8所示。