国产数控系统在进口五坐标桥式高速龙门铣床上的应用

□ 周凤坤 □ 于赢佳 □ 郑 武 □ 陈 雨

1.沈阳飞机工业(集团)有限公司 沈阳 110034

2.沈阳华飞智能科技有限公司 沈阳 110034

3.武汉华中数控股份有限公司 武汉 430223

4.华中科技大学 武汉 430074

1 应用背景

航空企业是高端装备的聚集地，目前加工航空结构件使用的数控系统基本上是国外品牌产品。而多数航空企业又是军工企业，大量使用进口数控机床和数控系统，在功能和性能上受到国外技术的封锁和限制，再加上企业本身的保密性需求，导致在加工装备的采购、维修和技术升级等方面总是处于被动状态。对国外技术的过度依赖还影响到航空企业的生产和国防安全，基于此，笔者改造项目中采用国产数控系统［1-3］。

MINUMAC-TH五坐标桥式高速龙门铣床于2000年从法国引进，长期用于加工壁板类航空复杂结构件。机床的控制系统是法国NUM1060系统，系统的元器件老化，性能和精度下降，稳定性差，功能落后，故障率高，给生产带来了隐患［4］。考虑到该机床机械部分仍可以满足使用需求，因此采用华中HNC-848数控系统进行电气升级改造，以使其工作稳定，效率提升。

2 技术选型

五坐标桥式高速龙门铣床对动态特性要求较高，电机的选型是改造是否成功的关键因素，其中需重点考虑电机的扭矩、转速、转动惯量。原则上，新选择的伺服电机在这三方面指标上应高于原有的伺服电机。

对比原有NUM伺服电机的各项参数，华中数控伺服电机的选型见表1。

华中GK8系列伺服电机是高动态响应永磁同步电机，各项指标均优于原有电机，改造后保证了机床的高动态响应特性。

表1 改造前后电机选型对比

3 电气设计

针对元器件老化、故障率高的问题，对五坐标桥式高速龙门铣床电气柜中的元器件采取全部更换的措施，并根据HNC-8系列数控系统的控制原理重新设计了电气原理图。

HNC-848数控系统电气部分由 HPC-100 CNC单元、MCP操作面板单元、UPS-NC供电单元、HIO-1000A PLC单元、HSV-180UD伺服驱动单元、HSV-180US主轴驱动单元和相关辅助电路组成。系统各单元之间采用NCUC总线协议进行数据传输，数控系统与操作面板、PLC单元、伺服驱动单元的数据总线连接如图1所示。

图2所示为伺服驱动单元连接图。该伺服驱动单元使用标准交流380 V电压供电，除含有控制标准伺服电机的接口外，还具有XS6外置编码器接口，支持ENDAT 2.1/2.2绝对值反馈、ABZ差动信号、1 Vpp信号，可满足全闭环控制需求。

4 五轴RTCP标定

进行机电联调，保证五坐标桥式高速龙门铣床各功能正常后，对机械部分进行检修，确保各项机械几何精度均在误差允许范围内，然后进行五轴RTCP标定[5-8]。

根据HNC-8系列数控系统通道参数表中需要填写的数据，经过多次调整，总结出一套标定方法。

五坐标桥式高速龙门铣床是C轴、B轴双摆头结构五轴机床，主动轴为C轴，从动轴为B轴。HNC-8系列数控系统RTCP需要标定的参数包括主轴头长度（H）、主轴轴线X偏置距离（Xs）、主轴轴线Y偏置距离（Ys）、B轴C轴轴线偏置距离（Xsc），如图 3 所示。

4.1 主轴头长度（H）

（1） 令B轴至 0°，C轴至 0°。

（2）如图4所示，用百分表测主轴端面，并记录读数。

（3）在系统中使用相对清零功能对Z轴坐标清零，令Z=0。

（4） 令B轴至 90°，C轴至 0°。

（5）如图5所示，在主轴上装检棒，用百分表测检棒下母线，移动Z轴，移动到表的读数与第（2）步相同为止。

（6）查看Z轴的相对坐标值，记录为Z1，则主轴头的长度为：

式中：d为检棒直径。

4.2 主轴轴线X偏置距离（Xs）

（1） 令B轴至 0°，C轴至 0°。

（2）如图6所示，将百分表安装在检棒的X轴负方向位置，测检棒侧母线，记录读数，X轴相对坐标值清零。

（3） 令B轴至 0°，C轴至 180°。

（4）移动X轴，观察百分表的数值变化，使百分表数值与第（2）步记录的值相同。

▲图1 数据总线连接

▲图2 伺服驱动单元连接图

（5）查看X轴的相对坐标值，记录为X1，则主轴轴线X偏置距离为：

4.3 主轴轴线 Y偏置距离（Ys）

（1） 令B轴至 0°，C轴至 0°。

（2）如图7所示，将百分表安装在检棒的Y轴负方向位置，测检棒侧母线，记录读数，Y轴相对坐标值清零。

（3） 令B轴至 0°，C轴至 180°。

（4）移动Y轴，观察百分表的数值变化，使百分表的数值与第（2）步记录的值相同。

（5）查看Y轴的相对坐标值，记录为Y1，则主轴轴线Y偏置距离为：

4.4 B轴C轴轴线偏置距离（Xsc）

（1） 令B轴至 90°，C轴至 0°。

（2）如图8所示，在主轴上安装检棒，百分表测检棒下母线，记录读数，机床Z轴相对坐标值清零。

（3） 令B轴至-90°，C轴至 0°。

（4）如图9所示，再次用百分表测检棒下母线，记录读数，移动机床Z轴，使表的读数与第（2）步记录的值相同。

（5）查看Z轴的相对坐标值，记录为Z1。

由于测得的Xs值是第一旋转轴中心和第二旋转轴中心与主轴中心的偏差之和，根据华中数控系统的参数填写规则，需要分别填写。

▲图3 RTCP标定参数

B轴轴线相对于主轴轴线的偏移距离Xsb为：

B轴C轴轴线偏置距离为：

将上述标定计算的数值填入华中数控系统的通道参数中，见表2。

5 RTCP功能检测

（1） 令B轴至 0°，C轴至 0°。

（2）如图10所示，在主轴上安装标准球，用百分表测标准球底部，找到最高点。

（3）采用五轴机床标准对刀方式对刀，刀具长度补偿参数为主轴端面到球心的距离。

表2 华中数控系统通道参数

（4） 编写五轴 G 代码测试程序［9］：

（5）执行第（4）步的程序，观察百分表变化情况，按照公差要求，检测精度为-0.03～0.03 mm。

（6）如图11所示，在主轴上安装标准球，用百分表测标准球Y轴方向，找到最高点。

（7） 对刀［10］。

（8）考虑干涉问题，修改五轴G代码测试程序：

（9）执行第（8）步的程序，观察百分表变化情况，按照公差要求，检测精度为-0.03～0.03 mm。

（10）C轴旋转 90°，重新执行第（1）～第（9）步，检测精度均为-0.03～0.03 mm判为合格。

6 结束语

▲图4 百分表测主轴端面

▲图5 百分表测检棒下母线

▲图6 百分表沿X轴方向测检棒侧母线

▲图7 百分表沿Y轴方向测检棒侧母线

▲图8 百分表测检棒下侧母线（B轴+90°）

▲图9 百分表测检棒下侧母线（B轴-90°）

▲图10 百分表测标准球底部

▲图11 百分表测标准球Y轴方向

笔者无法完整阐述进口五坐标桥式高速龙门铣床改造的全过程，只针对技术选型、电气设计、五轴标定三个关键点进行介绍。通过改造前后的性能对比，确认改造后机床完全满足切削和高动态特性的要求，系统稳定性也大大提高。笔者的RTCP标定方法经过现场多次验证，可以快速准确地标定华中数控系统，为国产数控系统配套进口五轴机床提供了经验。