機(jī)床商務(wù)網(wǎng)技術(shù)文章
T5鉆攻中心的高速切削技術(shù)研究與優(yōu)化
閱讀：102 發(fā)布時(shí)間：2020-8-12鉆攻中心憑借其高速、高精度的加工特點(diǎn),備受市 場(chǎng)青睞，是蘋果、三星等3C產(chǎn)品零件的制造關(guān)鍵設(shè) 備。為了提高我國(guó)制造裝備技術(shù)水平，從“中國(guó)制造” 向“中國(guó)創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變，T5鉆攻中心通過(guò)系列攻關(guān),解決了鉆攻中心高速切削的關(guān)鍵技 術(shù)問(wèn)題，總體技術(shù)指標(biāo)已接近日本FANUC和 BROTHER公司的鉆削中心的水平，并廣泛用于企業(yè) 生產(chǎn)。本文主要從系統(tǒng)研究鉆攻中心的高速切削技 術(shù)，充分提高加工效率，從而提高用戶的單位時(shí)間產(chǎn) 值,提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。
T5 鉆攻中心采用 FANUC-3I-MATED 數(shù)控系統(tǒng)，主軸與主軸電動(dòng)機(jī)采用聯(lián)軸器直連方式，采 用pil 6/10 000主軸電動(dòng)機(jī)，主電機(jī)功率5. 5/7.5 kW, 主電動(dòng)機(jī)扭矩35/47 N • m;采用X、F、Z這3個(gè)伺服 軸，其中X、Y坐標(biāo)軸為移動(dòng)工作臺(tái),Z坐標(biāo)軸帶動(dòng)主 軸垂直運(yùn)動(dòng)，三個(gè)軸均采用線性導(dǎo)軌、16 mm大螺距絲 杠傳動(dòng),X軸、Y軸采用pis 12/3000伺服電動(dòng)機(jī)，進(jìn)給 軸電動(dòng)機(jī)12 N • m,Z軸采用pis 22/3 000,進(jìn)給軸電 機(jī)22 N*m。通過(guò)對(duì)基本參數(shù)設(shè)定，坐標(biāo)軸移動(dòng)速度提高、剛性攻絲優(yōu)化等方面進(jìn)行研究與優(yōu)化，機(jī)床的效 率有了大幅提高，同時(shí)保證了加工零件的精度,滿足了用戶需求。
1基本參數(shù)設(shè)定
1.1進(jìn)給軸電機(jī)初始化
由于數(shù)字伺服控制是通過(guò)軟件方式進(jìn)行運(yùn)算控制 的，而控制軟件是存儲(chǔ)在伺服ROM中。通電時(shí)數(shù)控 系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)定的電動(dòng)機(jī)規(guī)格號(hào)、齒輪傳動(dòng)比、檢測(cè)倍 乘比、電動(dòng)機(jī)方向等其他適配參數(shù)，加載所需的伺服數(shù) 據(jù)到工作存儲(chǔ)區(qū)（伺服ROM中寫有各種規(guī)格的伺服 控制數(shù)據(jù)），而初始化設(shè)定正是進(jìn)行電動(dòng)機(jī)規(guī)格號(hào)和 其他適配參數(shù)的設(shè)定。伺服電動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)設(shè)定見(jiàn) 表1所示。
FANUC數(shù)控系統(tǒng)默認(rèn)的檢測(cè)單位為0. 001 mm, 則設(shè)置值為2即可，為了提高機(jī)床的控制精度,現(xiàn)將系 統(tǒng)的檢測(cè)精度提高一個(gè)等級(jí)，采用檢測(cè)單位為0. 000 1 mm,即參數(shù)No. 1820設(shè)置值為20;伺服軸均采用聯(lián)軸 器直連方式,絲杠桿螺距為16 mm。
根據(jù)柔性齒輪比計(jì)算公式N/M =電動(dòng)機(jī)一轉(zhuǎn)絲 桿移動(dòng)的距離（檢測(cè)單位為:0. 1 pm) /1 000 000,對(duì)于 螺距為16 mm的軸，其柔性齒輪比為：No. 2084/ No. 2085 =16 x10 000/1 000 000 =4/25;參考計(jì)數(shù)器 容量 No. 1821 =16 x10 000 = 160 000。
表2主軸電動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)設(shè)定
對(duì)于導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的機(jī)臺(tái)，用戶在進(jìn)行伺服電動(dòng) 機(jī)初始化設(shè)置時(shí),只需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)型號(hào)及進(jìn)給軸方 向，對(duì)參數(shù)No. 2020、No. 2022進(jìn)行設(shè)定后，斷電重啟 即可。該設(shè)備伺服電動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)具體設(shè)定見(jiàn) 表1。
| 表1伺服電動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)設(shè)定
|
1. 2主軸電動(dòng)機(jī)初始化設(shè)定
主軸電動(dòng)機(jī)控制接口為主軸串行輸出，串行輸出 中輸出到主軸的命令值為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，同時(shí)使用外接位 置編碼器與CNC相連，用于檢測(cè)主軸的位置。正確進(jìn) 行主軸電動(dòng)機(jī)初始化設(shè)定,保證主軸定向、定向停等功 能的實(shí)現(xiàn)。主軸電動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表2。
主軸電動(dòng)機(jī)的低/高鉗制速度計(jì)算為：
P3735 =(主軸電動(dòng)機(jī)所要獲得的低鉗制轉(zhuǎn)速/
主軸電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速P4020的值） x 4 095
P3736 =(主軸電動(dòng)機(jī)所要獲得的高鉗制轉(zhuǎn)速/
主軸電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速P4020的值） x 4095
主軸電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速為P4020的值，該值在主 軸電動(dòng)機(jī)初始化后自動(dòng)設(shè)定；由于鉆削中心主軸與主 軸電動(dòng)機(jī)采用聯(lián)軸器直連結(jié)構(gòu)，故設(shè)置主軸高轉(zhuǎn)速 值 P3741 與 P4020 —樣。
參數(shù)P4002設(shè)置主軸傳感器的種類。鉆削中心主 軸采用電動(dòng)機(jī)編碼器進(jìn)行位置反饋，即P4002#0 = 1 即可。
用戶在進(jìn)行主軸初始化時(shí)，首先需要根據(jù)主軸電 動(dòng)機(jī)的型號(hào)對(duì)參數(shù)P4133進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)參數(shù)P4019# 7設(shè)置為1后斷電重啟，完成主軸初始化，后根據(jù)表 2說(shuō)明對(duì)參數(shù)P3741和P4002進(jìn)行設(shè)置。具體主軸電 動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表2。
| 設(shè)定項(xiàng) | 參數(shù)號(hào) | 設(shè)定值 |
| 串行主軸控制 | 3716#0 | 1 |
| 主軸控制放大器號(hào) | 3717 | 1 |
| 主軸初始化設(shè)定位 | 4019#7 | 1 |
| 主軸電動(dòng)機(jī)代碼 | 4133 | 333 |
| 主軸電動(dòng)機(jī)低鉗制速度 | 3735 | 0 |
| 主軸電動(dòng)機(jī)高鉗制速度 | 3736 | 4 095 |
| 每檔主軸高轉(zhuǎn)速 | 3741 | 10 000 |
| 電動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速 | 4020 | 10 000 |
| 電機(jī)編碼器設(shè)置 | 4002 | 00 000 001 |
1.3其他重要參數(shù)設(shè)定
進(jìn)給軸和主軸完成初始化設(shè)定后，需要通過(guò)修改 參數(shù)P1815#4、#5,完成機(jī)床原點(diǎn)設(shè)定。在原點(diǎn)設(shè)置成 功后，通過(guò)參數(shù)P1320、P1321的設(shè)置，對(duì)機(jī)床各軸軟限 位設(shè)定。由于采用夾臂式刀庫(kù)換刀，換刀時(shí)Z軸要向 正方向移動(dòng)，換刀時(shí)將G7. 6激活,存儲(chǔ)行程極限I有 效，行程限位使用參數(shù)P1326、P1327設(shè)定值，換刀結(jié)束 后，回到正常加工時(shí)行程限位。其他重要參數(shù)設(shè)定見(jiàn) 表 3。
| 設(shè)定項(xiàng) | 參數(shù)號(hào) | 設(shè)定值 |
| 無(wú)擋塊返回參考點(diǎn) | 1005#1 | 1 |
| 直線軸設(shè)定 | 1006#0 | 0 |
| 參考點(diǎn)返回方向 | 1006#5 | 0 |
| 使用編碼器 | 1815#5 | 1 |
| 設(shè)定機(jī)床原點(diǎn) | 1815#4 | 1 |
| 位置環(huán)增益 | 1825 | 5 000 |
| 到位寬度 | 1826 | 2 000 |
| 移動(dòng)中位置誤差 | 1828 | 400 000 |
| 停止時(shí)位置誤差 | 1829 | 2 000 |
| 正向軟限位設(shè)定 | 1320 | 500. 5、0. 5、0 |
| 負(fù)向軟限位設(shè)定 | 1321 | -0.5、-400.5、-300.5 |
| 正向存儲(chǔ)行程極限I | 1326 | 500. 5、0. 5、157. 5 |
| 負(fù)向存儲(chǔ)行程極限I | 1327 | -0.5、-400.5、-300.5 |
| 高速高精功能開(kāi)啟下軸的 大切削進(jìn)給速度 | 1432 | 10 000 |
2坐標(biāo)軸移動(dòng)速度提高
2.1快速進(jìn)給速度及各軸增益的提高
以X軸調(diào)整為例，根據(jù)機(jī)床配置要求，結(jié)合機(jī)床伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠、線性導(dǎo)軌的承載能力，將G00 快速進(jìn)給速度提高到48 m/min未更改速度環(huán)增益響 應(yīng)頻率響應(yīng)圖形如圖1所示。通過(guò)提高各軸的速度環(huán) 增益P2021從200調(diào)整到350,調(diào)整時(shí)結(jié)合濾波器功 能消除各軸的高頻振動(dòng)點(diǎn)，然后再逐步提高伺服的速 度環(huán)增益，終設(shè)定速度環(huán)增益為極限值70%? 80%,即圖1中幅頻曲線開(kāi)始下降的地方對(duì)應(yīng)的頻率接近10 dB,在1 000 Hz附近的幅值應(yīng)低于-20 dB。 更改后頻率響應(yīng)圖形，如圖2所示。
對(duì)應(yīng)各軸速度環(huán)增益提高之后，再提高各軸位置 環(huán)增益P1825,將各軸位置環(huán)增益從3 000提高到 5 000,提高各軸的伺服剛性，并通過(guò)測(cè)定各軸TCMD 波形，保證各軸運(yùn)行平穩(wěn)。提高位置環(huán)增益后，各軸 TCMD波形如圖3所示。
2.2各軸快速移動(dòng)加速度的調(diào)整
各軸增益調(diào)整完成后，為進(jìn)一步提高各軸速度，各 軸的高移動(dòng)速度是一個(gè)決定因素，其中各軸的大 加速度也直接決定了機(jī)床的加工速度。TCMD曲線調(diào) 整要求是在加速和減速段（斜線段）過(guò)渡平滑，無(wú)過(guò)沖 現(xiàn)象;恒速度（直線段）電流粗細(xì)一致，中間沒(méi)有波動(dòng)； TCMD曲線電流大值不超過(guò)放大器電流大值的
80%。減小G00時(shí)間常數(shù)，同時(shí)確認(rèn)加減速時(shí)的電流 輸出，在機(jī)械部件能承受的范圍下，盡量提高加減速時(shí) 的電流，使加減速時(shí)電流盡量接近對(duì)應(yīng)放大器的大 輸出電流,此時(shí)為快速加速時(shí)間常數(shù)設(shè)定。通過(guò) 測(cè)定，將G00加減速時(shí)間常數(shù)P1620、P1621分別設(shè)定 為100、0。同時(shí)將P1601#4設(shè)為“1”，開(kāi)啟了快速移 動(dòng)程序段重疊功能，將P1722設(shè)為“50”，設(shè)定快速移 動(dòng)程序段重疊時(shí)減速比為50;將P2212#6設(shè)為“1”，切 削/快速進(jìn)給位置環(huán)分開(kāi)控制P2201#1設(shè)為“1”，將 P1825快速進(jìn)給位置環(huán)增益改為300,切削時(shí)速度增益 倍率由200減小到150。更改之后對(duì)應(yīng)各軸TCMD波 形如圖4。
2.3其他參數(shù)的更改
將P1801#4設(shè)為“1”使用快速進(jìn)給與切削進(jìn)給 分開(kāi)控制，將快速進(jìn)給到位寬度P1826從20增加到 2 000,切削進(jìn)給到位寬度P1827從0增加到20。測(cè)試 空行程程序運(yùn)行時(shí)間為28 s,比調(diào)整增益、加減速時(shí)間 常數(shù)后減少9 s。
更改先行前饋系數(shù)從7 000到9 000、插補(bǔ)前加/ 減速的每個(gè)軸的允許大加速度從200到600。更改 完成之后,測(cè)定空行程程序運(yùn)行時(shí)間為21 s,比調(diào)整增 益、加減速時(shí)間常數(shù)后減少16 s。
3剛性攻絲的優(yōu)化
提高機(jī)床各坐標(biāo)軸移動(dòng)速度后，對(duì)換刀、鉆孔、 攻絲速度的提高有一定的影響，但只是單純從移動(dòng) 速度上的提高。對(duì)于剛性攻絲，還有其他參數(shù)對(duì)其 有較大的影響，對(duì)參數(shù)設(shè)定數(shù)值進(jìn)行更改，對(duì)比其對(duì) 剛性攻絲速度、沖擊、誤差的影響，終設(shè)定的 數(shù)據(jù)。未對(duì)參數(shù)進(jìn)行更改優(yōu)化時(shí)的剛性攻絲圖形如 圖5所示。
3.1主軸速度環(huán)前饋系數(shù)的調(diào)整
通過(guò)逐漸提高P4037主軸速度環(huán)前饋系數(shù)，且保 持主軸前饋和攻絲軸Z的前饋系數(shù)設(shè)定一致。分別 測(cè)試參數(shù)P4037為“0”與“200”時(shí)，執(zhí)行剛性攻絲程 序,運(yùn)行時(shí)間減少1 s,但攻絲時(shí)主軸沖擊聲明顯增大，且攻絲誤差變大。故此參數(shù)保持為0。
3. 2剛性攻絲中主軸和攻絲軸的位置控制的環(huán)路增 益的調(diào)整
剛性攻絲中主軸和攻絲軸的位置控制的環(huán)路增 益,初始值設(shè)定為2 000。分別將剛性攻絲時(shí)的攻絲軸 的位置增益P5280與伺服方式/主軸同步控制時(shí)的主 軸的位置增益P4065?P4068設(shè)定為“3 000 ”與 “5 000”分別測(cè)試運(yùn)行剛性攻絲程序，查看剛性攻絲 誤差診斷參數(shù)453。將位置環(huán)增益改為“3 000”后，時(shí) 間減少0. 4 s,無(wú)較大的沖擊，但攻絲誤差減小;將位置 環(huán)增益改為“5 000”后，剛性攻絲誤差超出筆者公司規(guī) 定。故剛性攻絲參數(shù)設(shè)定為3 000,對(duì)應(yīng)剛性攻絲圖形 如圖6所示。
3.3剛性攻絲加/減速時(shí)間常數(shù)的調(diào)整
剛性攻絲加/減速時(shí)間常數(shù)的調(diào)整，在設(shè)定好固定 攻絲大速度下，逐步減小加/減速時(shí)間常數(shù)，保證剛 性攻絲誤差在允許范圍之內(nèi)。通過(guò)觀察剛性攻絲圖形 及診斷參數(shù)，逐漸減小加減速時(shí)間常數(shù)，終設(shè)定為 300。運(yùn)行剛性攻絲程序，時(shí)間減少9 s，剛性攻絲誤差 在筆者公司規(guī)定范圍之內(nèi)。對(duì)應(yīng)剛性攻絲圖形如圖7 所示。
3.4伺服方式/主軸同步控制時(shí)電動(dòng)機(jī)電壓的調(diào)整 據(jù)相關(guān)資料表明，伺服方式/主軸同步控制時(shí)電動(dòng) 機(jī)電壓初始設(shè)定值P4085為“30”此參數(shù)對(duì)剛性攻絲 效率影響較大，建議將此參數(shù)設(shè)定為“100”試驗(yàn)過(guò) 程中，先后將此參數(shù)設(shè)定為50、80、100,通過(guò)對(duì)攻絲程 序運(yùn)行時(shí)間、攻絲誤差、攻絲聲音比較，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電壓升高之后，對(duì)攻絲時(shí)間及攻絲誤差影響不大,但攻絲 時(shí)聲音明顯增加。所以此參數(shù)設(shè)定為30。
通過(guò)對(duì)剛性攻絲有關(guān)參數(shù)的單獨(dú)更改測(cè)試,終將 主軸速度環(huán)前饋系數(shù)P4037設(shè)定為“0” ；剛性攻絲中主 軸和攻絲軸的位置控制的環(huán)路增益P5280、P4065?4068 設(shè)定為“3 000”剛性攻絲加/減速時(shí)間常數(shù)P5261? 5263設(shè)定為“300” ；伺服方式/主軸同步控制時(shí)電動(dòng)機(jī) 電壓P4085)設(shè)定為“30”。參數(shù)調(diào)整完成之后，運(yùn)行剛 性攻絲程序，時(shí)間減少9 s,對(duì)應(yīng)剛性攻絲圖形如圖8 所示。
4結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)鉆攻中心基本參數(shù)設(shè)置、進(jìn)給軸移動(dòng)速度提高、剛性攻絲的優(yōu)化，機(jī)床的效率有了大幅提高，同 時(shí)保證了加工零件的精度，滿足了用戶需求。
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