CA8311B车磨车床数控化改造

潘阳云，宋谦强

（中车长江车辆有限公司武汉分部，湖北武汉 430212）

CA8311B车磨车床数控化改造

潘阳云，宋谦强

（中车长江车辆有限公司武汉分部，湖北武汉 430212）

原铁路货车RD2车轴卸荷槽不退轮加工在CA8311B车磨车床上采用成型刀加工，不能满足工艺要求。车床数控化改造后，车轴加工不仅成型好且效率高，完全适应了RD2轴轴颈与防尘座不同等级、不同组合形状的加工要求。

CA8311B车磨车床；数控改造；参数设置；硬件配置

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.56

1 存在的问题

中车长江车辆有限公司CA8311B车磨床于1999年投产，RD2轴卸荷槽采用成型刀加工，其轴颈与防尘座不同等级、不同组合形状如图1所示，目前存在4个缺点。

（1）成型刀加工时切削宽度太大，引起刀具振动，加工精度不能满足产品要求。

（2）成型刀磨损后，无条件精确恢复刀具形状尺寸，且刀具使用寿命短。

（3）加工切削量手动不好控制，且形状不能保证图纸的技术要求，加工效率低。

（4）在投产前检修规程就车轴加工规定，RD2轴卸荷槽加工必须采用数控或仿形加工，因此该机床手动成型刀加工不符合铁道行业标准。

根据本系统的特点，整个技术改造方案的确定都是围绕着车轴数控加工来展开的，难点有4个。①选择一套经济实用、性能可靠、功能灵活的数控系统，选择一套满足RD2轴加工量的经济驱动系统。②在现有手动进给刀架上改加滚珠丝杆，并配合驱动和数控进行改造。③对数控系统和PLC部分针对此机床进行系统参数整定和改写。④针对RD2轴的不同等级加工要求编制加工程序。

图1 RD2车轴图

2 数控和驱动系统选用

选用性价比适合的SINUMERIK802S系统，SINUMERIK802S是西门子公司面向中国市场研究开发的经济型数控系统，其主要特点是系统简单、内部结构紧凑、功能强大、操作简单，配备中/英文菜单显示。1块集成面板、1块操作面板、1个数控单元和PLC输入/输出接口、配以西门子公司的步进驱动器和步进电机，即组成1套完整的数控系统，原理框图见图2。SINUMERIK802S系统可控制2到3个步进电机轴和一个开环主轴，步进电机的控制信号为脉冲、方向及使能，步距角为0.36°（1 r 1000步）。NC单元（ECU）带有全部接口，由于原车磨车床已有主轴控制功能且操作独立，这次改造取消了图2中虚线框的主轴控制部分。ECU最多可配4个输入/输出模块，本次只配了一个输入/输出模块，具有16输入和16输出。

图2 原理框图

3 系统参数整定和改写

3.1 硬件配置

1块集成面板，1块操作面板，1个数控单元和PLC输入/输出接口，配置见图3，配以西门子公司的步进驱动器和步进电机，配备一个手轮和坐标选择开关，就组成了一套完整的数控系统。由于车磨车床两边车轴对称，因此配备两套相同的数控系统，只是在轴向的坐标反向即可。

3.2 参数设置

本机床采用电机与丝杆直连的方式，机床参数、PLC参数和坐标参数根据实际情况设定。

（1）其中回参考点配置见图4。在坐标轴上有减速开关，在丝杆上有一接近开关（丝杆1 r产生1个脉冲）。减速开关接到DI/O的输入，接近开关接到系统的高速输入（X20）。该方式可高速寻找减速开关，然后低速寻找接近开关，返回参考点的速度快且精度高。

图3 输入/输出口配置

图4 参考点配置

（2）接近开关还可作脉冲监控，在机床参数中设定脉冲数容差为10，即每转一周的实际脉冲数与标准相差＞10，系统就发出报警信号，这样可将步进电机因失步引起的误差控制在0.06 mm以内。

3.3 进给坐标动态特性调试

系统可对坐标的动态特性进行优化，利用点动方式测试进给轴的动态特性，设定各坐标的最高速度，并选择合适的加速度曲线（图 5）。

图5 加速度特性曲线

3.4 参考点逻辑调试

802S系统的很多功能都建立在参考点的基础上。自动方式和MDA方式只有在机床返回参考点后才能进行操作，反向间隙补偿和丝杆螺距误差补偿也只有在返回参考点后才生效。选择图6所示的回参考点逻辑，其中，vc是寻找减速挡块速度，vm是寻找接近开关信号速度，vp是参考点定位速度，Rv是参考点偏移，Rk是参考点坐标。

图6 回参考点逻辑

3.5 软件限位设定

回参考点后，用手动移动各进给轴，分别到达各硬件限位处，记下其坐标，结合现场加工工件范围，确定其软件限位值。

3.6 PLC程序

802S基本系统已将一个实用于经济型数控车床的PLC实用程序（IAP）集成于系统之中，机床具有普通交流电机作为主轴，两个步进电机驱动的坐标轴，4或6工位刀架等，具体的控制可通过机床参数设定，以满足不同型号机床的要求。IAP是集成PLC实用程序的简称，IAP对NC、机床及机床面板的信号进行处理，实施对急停及超程信号的监控并完成对坐标轴、主轴、刀架、冷却、润滑等功能的控制。本次改造刀架按一工位定制，无主轴、冷却、润滑控制功能，因此对应的功能通过机床PLC参数设置来使其有效或失效，且硬件也作相应配置。由于原手轮控制哪一轴是通过面板中软件操作来选择的，而现场需要通过硬件选择开关控制，因此对原手轮控制部分的PLC程序进行改动。

4 刀具进给系统

刀具进给系统是数控加工的执行系统，为保证数控传动精度和加工质量，刀架由步进电机带动滚珠丝杆进行进给走刀，刀具本身采用机夹式硬质合金不重磨车刀。除保留大、中、小刀架体外，刀架其他部分根据改造要求作了相应改进。

5 RD2轴加工程序编制

（1）图1中所示RD2轴卸荷槽及防尘座有多种组合形状，因此实际加工过程中，有多种组合，充分利用802S系统的参数化编程功能适应了加工要求，编制了4个加工程序，供操作者选择。利用参数表示的RD2轴简图如图7所示，其中，Φ0是轴径直径，Φ1是防尘座直径，Φ2是车轮处直径，Φ3是卸荷槽直径，A点为Z轴方向编程零点。

图7 RD2轴参数化简图

（2）操作过程。①开机，按照先X轴再Z轴顺序回参考点。②如果刀杆移动则需对刀，确定刀具T1的L1长度，否则跳过此步，进入下一步。③将刀具移动到卸荷槽A处，操作面板计算、确认零偏G54。④按照表1和表2，根据加工部位选择程序及输入所需Φ参数。⑤启动主轴。⑥在“自动”工作方式下启动加工程序。

表1 加工要求

表2 等级修尺寸 mm

6 改造后的机床技术参数

（1）X轴、Z轴联动控制。坐标轴X最大行程90 mm，坐标轴Z最大行程264 mm。

（2）快速进给速度。X轴和Z轴均为1500 mm/min。

（3）最小设定单位。X轴和Z轴均为0.006 mm/脉冲。

（4）定位精度。X轴和Z轴均为0.036 mm。

（5）重复定位精度。X轴和Z轴均为0.018 mm。

（6）步进电机力矩。X轴和Z轴均为18 N·m。

TG659

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〔编辑 凌 瑞〕