CNC 数控机床改造技术分析

李念周

（河南中铝装备有限公司，河南 郑州 450041）

CNC 机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，切削动作自动控制，很难由人工进行调整、补偿，设计制造要求比普通切削机床更严格，需采取加强刚性、减小热变形、提高精度等方面措施。数控技术是数字控制（NC，NumericalControl）技术的简称，它是一种用数字化的信息（数字、字母和符号）对某一工作过程进行可编程的自动控制技术。数控技术是综合机械加工技术、自动化技术、计算机技术、测量技术和微电子技术而形成的一门边缘学科。目前机械制造业的竞争，其实质是智能制造的竞争，衡量一个国家的机械发展水平，主要是看其数控机床的普及率。采用华中数控技术，对C650 车床等设备逐步进行了改造，以较小的成本实现了机床的数控要求，既为节约了资金，又为企业创造了经济效益。

1 C650 车床改造的思路

C650 是一台中型卧式车床，主要完成一些中等工件产品的加工任务。其最大加工直径1m。该设备使用中故障率高，维修不方便，且电气元件参数受环境温度影响，经常出现季节性故障。为此，我们拟对该设备进行彻底的电气及机械大修改造。

首先，机械部分根据原有设备状况进行部分修理和改造，保留了床头箱内的所有变速系统，对溜板箱进行全面改造更换，以保证适应伺服调速系统的需要。并对床身导轨进行加工保证其精度。

其次，运用全数字式直流调速装置对花盘主回路及右刀架进给进行改造；为方便操作，在右刀架上加装X 轴和Y轴两套数显装置；运用“世纪星”数控系统对左刀架进行改造，其伺服驱动部分选用了某数控集团公司生产的ZSS1系列直流伺服调速装置；逻辑控制部分，选用日本三菱的PLC(FX2N-128MR)取代原机床的交流继电器控制。

2 C650 车床改造过程综述

2.1 机械部分的改造

拆除原有老式的溜板箱，采用简单调速箱，使其在伺服系统控制下能稳定可靠的执行动作；对大拖板及小拖板进行更换，主要是改变其部分位置的尺寸，增加安装伺服系统、数控显屏的位置，并保证其平衡度及运行精度；床身导轨面进行重新加工，保证其粗糙度在Ra1.6 以下，平面度在±0.01mm 以内并进行表面淬火，表面硬度达到HRC56 以上。拖板与导轨进行充分研磨，达到完美配合。

2.2 花盘及右刀架直流调速系统的改造

在原有的直流调速控制系统下，机床的花盘经常出现带不动负荷现象，生产效率低，而模拟系统的参数调节又比较困难，且其参数经常随季节而变化，需要维修人员定期检修和调试。右刀架进给系统的主要问题在于其低速不稳定性，当“吃”刀量很小时，转速表呈明显抖动。这主要是由于原系统的速度调节器的核心元件放大器存在阻尼振荡造成的，走刀系统的不稳定严重影响了机床的加工精度，为此，将原来落后的模拟系统改造为目前较为先进的欧陆全数字式直流调速系统。根据C650 车床主电机及进给电机参数的要求，选用欧陆360 系列SSD-360120A 控制花盘传动，用SSD-36035A 控制走刀。在参数设定中，依据车床的特点，对欧陆360 进行以下灵活运用。

（1）合理调整花盘停车时间。车床的花盘反转是刀具的一大杀手，因此在设定花盘停车时间(下降时间)时，要严格以花盘无反转(停车时，花盘朝相反方向回转)为限度。

（2）增加花盘点动的“慢点”、“快点”功能。车床的工件对刀一直是操作工人的难点，以往的花盘点动就只有一个速度，靠电柜内部的电位器进行设定，往往很难兼顾，慢了，花盘转一圈花费时间太长；快了，花盘到目标点停不住，造成效率低下。为此，在360 中利用其数字输入点C6(正点)、C7(反点)、C8(复位)以及其内部软件模块实现快、慢速点动，速度大小由操作者摁点动按钮的时间长短决定。释放按钮，则花盘速度归零。这样可以做到快速靠近，低速到达。

（3）设定电压限幅值要考虑电压波动。

（4）对走刀电机启动斜坡进行调整。走刀电机启动之前，首先刹车电磁铁要吸合，松开抱闸，所以走刀电机要考虑电磁线圈的吸合时间，延时一段时间再升速，避免电机因背力而过流。

在公司的多项设备改造中，直流调速系统都用到全数字式直流调速装置，可靠性还是性价比较高，尤其是其液晶显示的人机操作界面使参数设置变得简单易行。360 系列控制器采用标准Windows 菜单树形结构，简单方便，容易读取和设定传动参数。显示出的数值可观察或改变。

在调试之初，首先要进行参数设定(SETUPPARAMETERS)，其 中“ 斜 坡”(RAMPS)、“ 上 升/ 下 降”(RAISE/LOWER)主要针对花盘或刀架启动、停止的过程控制；“辅助输入/ 输出”(AUXI/O) 用来设定对象的给定；“励磁控制”(FIELDCONTROL)决定了系统的励磁方式，是内磁场，或是外磁场，以及磁场的限幅大小；“电流环”(CURRENTLOOP)、“速度环”(SPEEDLOOP)则调节系统的动态特性，例如稳定性、带负载能力等。以上参数都要根据机床的实际逐一进行设定，当然，360 内部的自整定、自调谐功能也可以在调试中带来很大的便利。

在传动系统“菜单级”(MENULEVER)中，有一栏为报警状态(ALARMSTATUS)，当系统发生故障时，前面板上的“正常”发光二极管熄灭，人机接口便会自动显示报警，并且显示器将显示所有报警中的当前故障，以便维修人员进行诊断和处理。常见的故障报警有:OVERSPEEDLEVER(超速报警)、SPEEDFBKALARM( 速反报警)、FIELDFALL( 励磁故障) 等，由此，可以方便地查找故障。

2.3 车床左刀架的数控改造

对于左刀架的数控改造，首先是基于左侧刀架传动机构的改造。原有的传动机构是由1 台直流电机控制走刀，一台交流电机控制快送，刀架运动方向由十字开关控制进刀箱内的电磁阀决定；现在的传动机构则由2 台伺服电机分别带动光杆和丝杆，各自控制一个方向，这样两轴联动，从而走出型线。伺服电机与传动轴之间通过4:1 的齿轮箱进行减速。伺服电机型号为S-CZK250，额定转矩75N·m，最高转速1000r/min。伺服电机尾部安装1 台测速发电机和1 台编码器(LEC-200BM-G05P)，分别作速度环和位置环的反馈。HNC-21 系列数控装置采用开放式体系结构，内置嵌入式工业PC 机、高性能CPU，配置触摸屏，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC 接口、远程I/O 接口于一体。

(1)4 轴联动。

(2)可选配各种类型的脉冲式、模拟式交流伺服驱动器或步进电机驱动器以及HSV-11 系列串行式伺服单元。

(3)配置标准机床工程面板，不占用PLC 的输入/输出接口。

(4)配置40 路输入接口和32 路功率放大光电隔离开关量输出接口、手持单元接口、模拟主轴控制接口与编码器接口，以及远程I/O 板扩展接口。

(5)采用10 英寸触摸器，全汉字操作界面，具有故障诊断与报警设置，多种图形加工轨迹显示和仿真功能。

(6)采用国际标准G 代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容，具有直线、圆弧、螺旋线插补，固定循环、旋转、缩放、镜像、刀具补偿、宏程序等功能。

(7)加工断点保存恢复功能，为用户安全、方便使用提供保证。

“世纪星”数控系统是开放式的数控系统软件平台，适宜二次开发，能灵活地组配不同类型的数控系统和扩充系统的功能，因此这种结构具有良好的开放性和可维护性。其中，“编辑程序”可以由工艺人员或操作者在该界面内对加工图形进行编程，亦可由USB 接口直接导入入经CAD/CAM 编制的加工程序；“参数设置”用来对系统参数、通道参数、坐标轴参数、轴补偿值参数、硬件配置参数、PMC 系统参数、PMC用户参数、外部报警参数等进行设置，在修改或设置参数之前，必须输入修改权限密码，否则无法更改；“PLC 管理”是针对“世纪星”的内嵌式PLC，其标准的PLC 应用程序和配套的PMC 用户参数文件基本上可以满足用户的绝大部分需要。

由于车床身较大，在数控装置的连接过程中，要特别注意尽量减少信号的衰减，信号线全部采用屏蔽线，两头用电烙铁焊牢，中间不要有过渡。

3 C650 车床改造的使用效果

C650 车床改造后，带负载能力明显增强，加工精度也大为提高，并通过数控改造，使这台车床顺利完成了球面、椭圆面等外环型线的加工任务，满足了生产需要，基本上达到了改造的预期目标。