基于开放式数控系统的简式数控车床机电一体化升级改造的研究

王丽洁，呼刚义，徐德凯，梅小宁

（西安理工大学高等技术学院，陕西西安 710082）

由于我国数控化起步比较晚，20世纪90年代开始积极推进数控化进程。在20世纪90年代和2000年初期，普通机床改造成数控机床曾经有过一个小高潮；在新世纪的十几年中，数控机床改造主要是将原有的数控机床升级换代。由于越来越多的数控机床系统老化，备件支持匮乏，电气维修成本高，采用数控系统升级可以解决上述困惑，恢复原机床功能，基本实现原机床的可利用价值，使老机床经改造之后上一个档次。本文对CJK6032A简式数控车床进行了全面的系统、电气和机械升级改造，改造后的机床性能稳定、可靠性和加工效率高、能广泛满足各种加工要求。

1 数控机床改造的要求与步骤

对于旧数控机床的升级改造，首先要有针对性，改造方案是针对原机床中存在的问题提出的，应做到与生产紧密结合；其次要提高精度、效率和稳定性，旧机床改造，可根据生产技术及科技水平，选择先进的控制系统，从而提高机床的自动化水平和效率；最后数控机床改造要充分发挥现有技术力量，调动技术人员的积极性与创造性，培养锻炼队伍，提高了技术水平。

旧数控机床的升级改造一般分为3个阶段。

（1）改造前技术准备。首先要调研及系统选型，数控系统选型主要考虑在原机床的机械结构限制下，达到或超过原机床的功能，要综合考虑机床状况、用户对功能的要求、改造经费及各种数控系统的特点。其次进行机械部分准备、新系统资料消化、新旧系统接口的设计等。

（2）改造的具体实施。包括原机床的全面保养及其精度测量；优化调整的电气系统部分；原系统拆除及新系统固定及布线；非标件设计加工、参数设置等。

（3）调试与验收。调试验收中注意防止人身、设备事故发生，按照先空载后加载、先模拟后实动、先手动后自动的原则进行调试与验收。

2 改造总体技术方案

CJK6032A数控车床是外配通用PC机的经济型数控车床，数控系统采用华中I型系统，系上个世纪90年代初期产品；X、Z轴进给驱动采用步进电机；主轴电机采用普通异步电动机驱动，机械变速；整个系统需外配计算机，结构不紧凑；系统稳定性不好，经常出现故障。

综上所述，本次改造总体技术方案如下：

（1）将原电脑控制系统和NC板控制取消，更换为华中数控“世纪星”HNC-180XP/T3数控系统，提高机床系统的稳定性；

（2）将进给轴步进电机开环控制更换为交流伺服驱动的半闭环控制，提高进给驱动部分的带载能力、控制精度、运行稳定性和装备水平；

（3）原主轴机械式变速系统保留，主轴驱动电机改为变频器控制，实现电控无级变速+手动机械变速，提高主轴驱动控制水平，扩展主轴变速范围；

（4）重新设计电控系统和电气柜，以满足新装系统的控制要求；

（5）进给驱动部分相应的连接机构、减速传动机构等做相应的机械设计改造；

（6）数控系统主机安装于防护门上，主机采用嵌入式安装，单独加工主机箱并与防护滑门固定连接；

（7）增加手摇单元，完善机床外观设计。

3 改造的设计与实现

3.1 数控系统升级

数控系统升级采用华中“世纪星”HNC-180XP/T3车床数控装置，该数控系统具有高性能、结构紧凑、可靠性高、易于使用、价格低等特点，采用先进的开放式数控体系结构，内置嵌入式工业PC机、高性能32位中央处理器，配置7"彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成了进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，以及USB程序读取功能，主要适用于数控车床控制。

3.2 数控机床电气控制系统设计

数控机床电气控制系统包括电源电路、继电器控制电路、系统开关量输入输出信号连接设计等三大部分。其中对于系统开关量输入输出控制电路和系统内PLC控制程序相关，而系统生产商已在系统内安装了标准的车床控制梯形图，所以实际的输入输出电路设计是结合标准梯形图将机床相关信号和对应端子连接即可，在设计时需注意急停信号链和超程解除信号链为多个元件组成的关联信号，需进行相关的外围电路设计。

图1 机床强电电气回路原理图

本机床的电源电路设计如图1所示，系统信号输入输出电路如图2所示。在对电控柜的元件安装及布局时，应注意各元件的安装空间和间距要求，并在元件排列时弱电信号和强电电路分开布置，强弱电走线尽量远离以防止干扰。体积较大、重量较重的元件应靠近电控柜内下部分安装以降低重心。

图2 系统信号输入输出电路

3.3 进给系统的连接和调试

本机床改造中，进给系统是将步进电机开环控制更换为交流伺服驱动的半闭环控制，伺服驱动系统采用的是武汉华中数控股份有限公司的HSV-162A-020双轴交流伺服驱动器及武汉华大电机的110ST-M04030LFB交流伺服电机。HSV-162A-020双轴交流伺服驱动器是经济型全数字双轴交流伺服驱动单元，采用运动控制专用数字信号处理器（DSP）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和新一代智能功率模块（IPM）等元器件设计，易于安装，调试方便，操作简单。一台驱动单元可以同时控制两台交流永磁同步伺服电机，具有结构小巧、使用方便、高性价比等特点。图3所示为改造后的进给驱动系统连线图。

3.4 主轴单元

原主轴单元采用的机械式变速系统仍保留，主轴驱动电机改为变频器控制，实现电控无级变速+手动机械变速。主轴变频调速采用日立SJ100-037变频器，根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交变电流来控制电动机旋转，速度指令为0～10 V的模拟电压，旋转方向由PLC输出的开关量信号决定。主轴变频器与电动机及控制器连接如图4所示。

3.5 机械结构的改进

机械结构的改进主要包括进给驱动部分相应的连接机构、减速传动机构等，在进给轴结构改造中，伺服电机通过1:1的齿形带轮带动滚珠丝杠旋转，实现工作台的运动，替换了原有的梯形螺纹丝杠，提高了机床的精度和快速响应性。

3.6 机床参数设置

数控机床的参数设置正确与否，直接影响数控机床的使用及其性能的发挥。在机床硬件安装完成后、试运行开始前，需对机床各参数进行设置。机床参数设置实际上是对系统内部所有硬件设备进行登记，包括功能配置参数、输入输出模块接口参数、控制方式和所对应的接口的设置参数，以实现系统的信息相互传递。

图3 进给驱动系统连接图

华中数控“世纪星”HNC-180XP/T3数控系统常用参数的类型有：系统类参数、通道类参数、轴控制类参数、PLC（PMC）参数、DNC参数、参考点类参数、伺服类参数、主轴类参数和误差补偿类参数等。其主要参数关系如图5所示。

图4 主轴控制单元电路

图5 主要参数关系图

4 总结

机床数控升级改造中，在机床安装、系统各参数按要求设置完成之后，首先对机床主轴、坐标轴各个部分进行功能测试，然后进行机电整机联调以及加工精度检测。从实际加工使用情况来看，改造后的机床功能丰富、性能稳定可靠、操作方便，加工精度和效率明显提高，能适应更广泛的加工要求，与购买同档次的全新数控机床相比，所用成本大大降低。

［1］贺大松.GS30数控车床机电一体化改造研究［J］.装备制造技术，2012（5）：146-149.

［2］呼刚义，王丽洁.基于华中数控系统的ZJK7532A数控钻铣床升级改造［J］.制造业自动化，2011（11）：146-148.

［3］孟俊焕.经济型数控机床改造的优化方案研究［J］.机床与液压，2005（7）：200-201.

［4］张魁林.数控机床故障诊断［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［5］王丽洁.数控机床故障诊断与维修实训［M］.北京：机械工业出版社，2011.