呼刚义，王丽洁

(西安理工大学 高等技术学院，西安 710062)

0 引言

许多加工用户使用的数控机床主要是国内早期的数控设备，系统功能简单并进入老化阶段，电气控制故障率逐年上升并且加工精度低，已严重影响到企业的正常生产。而新购设备投入较大，废弃旧设备又比较浪费，能否有一种途径花尽可能少的钱，就能使旧机床不仅具有和新机床一样的加工精度，而且还具备当前数控机床的功能，还能减少故障率、提高加工效率。针对这种情况，我们对ZJK7532A数控钻铣床进行全面了的系统、电气和机械升级改造。

1 升级改造的内容

ZJK7532A数控钻铣床是外配通用PC机的经济型数控装置，属于早期的华中2000系列数控系统，主轴为机械手动变速，进给为步进电机开环控制，采用梯形螺纹丝杠传动。系统落后、精度差及稳定差。故具体改造内容涉及数控系统升级，交流伺服电机半闭环控制，主轴无级调速改造和机械结构升级。

2 改造设计具体方案

2.1 机械结构的改进

机床主轴的改造是在原机床手动换档三级变速的基础上，充分利用原有三相异步电动机和主轴变速箱，采用变频器驱动实现手动换档分段无级变速的控制方式。这种方式很适合需要无级变速但又对低速和高速都不要求的场合，实现起来简单方便又比较经济，在较低速度时可通过机械变速装置扩大输出转矩，但其调速范围受到电动机最高转速的限制。进给轴结构改造如图1所示，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。

图1 x、y、z轴机械传动部分

2.2 强电电气控制设计

改进后机床强电电气原理图如图2所示。主要是主轴和进给伺服电机的电源及其控制连线。

2.3 数控系统的选择

综合性能、可靠性及经济性因素，本机床改造中我们选择华中“世纪星”数控系统，它是在华中I型、华中2000系列数控系统的基础上，满足用户对低价格、高性能、简单、可靠的要求而开发的数控系统，近年来国内用户对其认可度有很大提高。它采用了先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置7.5＂或9.4＂彩色液晶显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能。具体连线如图3所示。

图2 机床强电电气回路原理图

图3 系统连接总图

2.4 主轴电路

本机床改造中主轴变频调速采用日立SJ200-015HFE变频器，其采用正弦波脉宽调制（PWM）控制，额定容量2.9KVA，额定输入、输出电压三相交流380-480V+10%，额定输入电流5.0A，额定输出电流3.8A，输出频率范围1～ 360Hz，适用电机容量1.5KW，具有主轴过流、短路、过热等故障报警功能。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控制电动机旋转。速度指令为0～10V的模拟电压，旋转方向归PLC输出的开关量信号决定。具体连接如图4所示。

图4 主轴变频器与电机及控制器的连接图

2.5 进给驱动电路

本机床改造中的伺服电机驱动选用一款华中开发的型号为HSV-16全数字交流伺服驱动器，其内部采用最新专用运动控制DSP、FPGA和IPM等当今最新技术设计。具有控制简单灵活、状态显示齐全、宽调速比等特点。运行模式选为位置控制方式（脉冲量接口），其位置控制为主要目的，速度控制和转矩控制为辅，以保证电机的位置精度。连线如图5所示。

图5 HSV160伺服驱动器的典型连接方式（位置控制模式）

2.6 机床参数设置

系统参数设置如图6所示，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。其中正反电子齿轮比按一下公式计算。

其中，L——丝杠螺距所对应的内部脉冲当量。（对于世纪星系列的数控系统，在进行齿轮比计算的时候内部脉冲当量为0.001mm）

N——电机每转一圈,所需要的脉冲数.

X1——数控系统的细分数。

X2——伺服驱动器的内部电子齿轮比。

J——机床进给轴的机械传动齿轮比。

M——伺服电机码盘的每转脉冲数，即电机的码盘线数。

B——数控系统对伺服电机的码盘反馈的倍频数。

图6 机床参数

3 结束语

机床硬件安装、连线和系统参数设置完毕后，首先对机床主轴、坐标轴各个部分进行功能测试，然后整机联调及加工精度检测。目前改造后机床已投入使用，从加工使用情况来看，改造后机床功能丰富、性能稳定可靠、操作方便，而且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。本次改造，对于加工企业以较低成本升级早期数控机床档次具有重要借鉴意义。

[1] 梅晓宁,关雄飞,等.数控机床维修实训指导书[M].西安理工大学校内教材,2009.