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T5钻攻中心的高速切削技术研究与优化

2023年02月21日 15:54:46 来源：东莞市宇匠数控设备有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：62

钻攻中心凭借其高速、高精度的加工特点,备受市场青睐，是苹果、三星等3C产品零件的制造关键设备。为了提高我国制造装备技术水平，从“中国制造” 向“中国创造”转变，T5钻攻中心通过系列攻关,解决了钻攻中心高速切削的关键技术问题，总体技术指标已接近日本FANUC和 BROTHER公司的钻削中心的水平，并广泛用于企业生产。本文主要从系统研究钻攻中心的高速切削技术，充分提高加工效率，从而提高用户的单位时间产值,提高产品的竞争力。

T5 钻攻中心采用 FANUC-3I-MATED 数控系统，主轴与主轴电动机采用联轴器直连方式，采用pil 6/10 000主轴电动机，主电机功率5. 5/7.5 kW, 主电动机扭矩35/47 N • m;采用X、F、Z这3个伺服轴，其中X、Y坐标轴为移动工作台,Z坐标轴带动主轴垂直运动，三个轴均采用线性导轨、16 mm大螺距丝杠传动,X轴、Y轴采用pis 12/3000伺服电动机，进给轴电动机12 N • m,Z轴采用pis 22/3 000,进给轴电机22 N*m。通过对基本参数设定，坐标轴移动速度提高、刚性攻丝优化等方面进行研究与优化，机床的效率有了大幅提高，同时保证了加工零件的精度,满足了用户需求。

1基本参数设定

1.1进给轴电机初始化

由于数字伺服控制是通过软件方式进行运算控制的，而控制软件是存储在伺服ROM中。通电时数控系统根据所设定的电动机规格号、齿轮传动比、检测倍乘比、电动机方向等其他适配参数，加载所需的伺服数据到工作存储区（伺服ROM中写有各种规格的伺服控制数据），而初始化设定正是进行电动机规格号和其他适配参数的设定。伺服电动机初始化参数设定见表1所示。

FANUC数控系统默认的检测单位为0. 001 mm, 则设置值为2即可，为了提高机床的控制精度,现将系统的检测精度提高一个等级，采用检测单位为0. 000 1 mm,即参数No. 1820设置值为20;伺服轴均采用联轴器直连方式,丝杠杆螺距为16 mm。

根据柔性齿轮比计算公式N/M =电动机一转丝杆移动的距离（检测单位为:0. 1 pm) /1 000 000,对于螺距为16 mm的轴，其柔性齿轮比为：No. 2084/ No. 2085 =16 x10 000/1 000 000 =4/25;参考计数器容量 No. 1821 =16 x10 000 = 160 000。

表2主轴电动机初始化参数设定

对于导入标准参数的机台，用户在进行伺服电动机初始化设置时,只需要根据电动机型号及进给轴方向，对参数No. 2020、No. 2022进行设定后，断电重启即可。该设备伺服电动机初始化参数具体设定见表1。

表1伺服电动机初始化参数设定

设定项	参数号	设定值
控制轴数	8130	3
伺服初始化设定	2100#1	0
伺服电动机代码	2020	496、496、313
任意倍乘比AMR	2001	00 000 000
指令倍乘比CMR	1820	20
柔性齿轮比	2084	4
柔性齿轮比	2085	25
方向设定	2022	111、-111,111
速度反馈脉冲数	2023	8 192
位置反馈脉冲数	2024	12 500
参考计数器容量	1821	16 000

1. 2主轴电动机初始化设定

主轴电动机控制接口为主轴串行输出，串行输出中输出到主轴的命令值为数字数据，同时使用外接位置编码器与CNC相连，用于检测主轴的位置。正确进行主轴电动机初始化设定,保证主轴定向、定向停等功能的实现。主轴电动机初始化参数设定见表2。

主轴电动机的/高钳制速度计算为：

P3735 =(主轴电动机所要获得的钳制转速/

主轴电动机的转速P4020的值） x 4 095

P3736 =(主轴电动机所要获得的钳制转速/

主轴电动机的转速P4020的值） x 4095

主轴电动机的转速为P4020的值，该值在主轴电动机初始化后自动设定；由于钻削中心主轴与主轴电动机采用联轴器直连结构，故设置主轴转速值 P3741 与 P4020 —样。

参数P4002设置主轴传感器的种类。钻削中心主轴采用电动机编码器进行位置反馈，即P4002#0 = 1 即可。

用户在进行主轴初始化时，首先需要根据主轴电动机的型号对参数P4133进行设置，通过参数P4019# 7设置为1后断电重启，完成主轴初始化，最后根据表 2说明对参数P3741和P4002进行设置。具体主轴电动机初始化参数设定见表2。

设定项	参数号	设定值
串行主轴控制	3716#0	1
主轴控制放大器号	3717	1
主轴初始化设定位	4019#7	1
主轴电动机代码	4133	333
主轴电动机钳制速度	3735	0
主轴电动机钳制速度	3736	4 095
每档主轴转速	3741	10 000
电动机转速	4020	10 000
电机编码器设置	4002	00 000 001

1.3其他重要参数设定

进给轴和主轴完成初始化设定后，需要通过修改参数P1815#4、#5,完成机床原点设定。在原点设置成功后，通过参数P1320、P1321的设置，对机床各轴软限位设定。由于采用夹臂式刀库换刀，换刀时Z轴要向正方向移动，换刀时将G7. 6激活,存储行程极限I有效，行程限位使用参数P1326、P1327设定值，换刀结束后，回到正常加工时行程限位。其他重要参数设定见表 3。

设定项	参数号	设定值
无挡块返回参考点	1005#1	1
直线轴设定	1006#0	0
参考点返回方向	1006#5	0
使用编码器	1815#5	1
设定机床原点	1815#4	1
位置环增益	1825	5 000
到位宽度	1826	2 000
移动中位置误差	1828	400 000
停止时位置误差	1829	2 000
正向软限位设定	1320	500. 5、0. 5、0
负向软限位设定	1321	-0.5、-400.5、-300.5
正向存储行程极限I	1326	500. 5、0. 5、157. 5
负向存储行程极限I	1327	-0.5、-400.5、-300.5
高速高精功能开启下轴的切削进给速度	1432	10 000

2坐标轴移动速度提高

2.1快速进给速度及各轴增益的提高

以X轴调整为例，根据机床配置要求，结合机床伺服电动机、滚珠丝杠、线性导轨的承载能力，将G00 快速进给速度提高到48 m/min未更改速度环增益响应频率响应图形如图1所示。通过提高各轴的速度环增益P2021从200调整到350,调整时结合滤波器功能消除各轴的高频振动点，然后再逐步提高伺服的速度环增益，最终设定速度环增益为极限值70%? 80%,即图1中幅频曲线开始下降的地方对应的频率接近10 dB,在1 000 Hz附近的幅值应低于-20 dB。更改后频率响应图形，如图2所示。

对应各轴速度环增益提高之后，再提高各轴位置环增益P1825,将各轴位置环增益从3 000提高到 5 000,提高各轴的伺服刚性，并通过测定各轴TCMD 波形，保证各轴运行平稳。提高位置环增益后，各轴 TCMD波形如图3所示。

2.2各轴快速移动加速度的调整

各轴增益调整完成后，为进一步提高各轴速度，各轴的移动速度是一个决定因素，其中各轴的加速度也直接决定了机床的加工速度。TCMD曲线调整要求是在加速和减速段（斜线段）过渡平滑，无过冲现象;恒速度（直线段）电流粗细一致，中间没有波动； TCMD曲线电流值不超过放大器电流值的

80%。减小G00时间常数，同时确认加减速时的电流输出，在机械部件能承受的范围下，尽量提高加减速时的电流，使加减速时电流尽量接近对应放大器的输出电流,此时为快速加速时间常数设定。通过测定，将G00加减速时间常数P1620、P1621分别设定为100、0。同时将P1601#4设为“1”，开启了快速移动程序段重叠功能，将P1722设为“50”，设定快速移动程序段重叠时减速比为50;将P2212#6设为“1”，切削/快速进给位置环分开控制P2201#1设为“1”，将 P1825快速进给位置环增益改为300,切削时速度增益倍率由200减小到150。更改之后对应各轴TCMD波形如图4。

2.3其他参数的更改

将P1801#4设为“1”使用快速进给与切削进给分开控制，将快速进给到位宽度P1826从20增加到 2 000,切削进给到位宽度P1827从0增加到20。测试空行程程序运行时间为28 s,比调整增益、加减速时间常数后减少9 s。

更改先行前馈系数从7 000到9 000、插补前加/ 减速的每个轴的允许加速度从200到600。更改完成之后,测定空行程程序运行时间为21 s,比调整增益、加减速时间常数后减少16 s。

3刚性攻丝的优化

提高机床各坐标轴移动速度后，对换刀、钻孔、攻丝速度的提高有一定的影响，但只是单纯从移动速度上的提高。对于刚性攻丝，还有其他参数对其有较大的影响，对参数设定数值进行更改，对比其对刚性攻丝速度、冲击、误差的影响，最终设定的数据。未对参数进行更改优化时的刚性攻丝图形如图5所示。

3.1主轴速度环前馈系数的调整

通过逐渐提高P4037主轴速度环前馈系数，且保持主轴前馈和攻丝轴Z的前馈系数设定一致。分别测试参数P4037为“0”与“200”时，执行刚性攻丝程序,运行时间减少1 s,但攻丝时主轴冲击声明显增大，且攻丝误差变大。故此参数保持为0。

3. 2刚性攻丝中主轴和攻丝轴的位置控制的环路增益的调整

刚性攻丝中主轴和攻丝轴的位置控制的环路增益,初始值设定为2 000。分别将刚性攻丝时的攻丝轴的位置增益P5280与伺服方式/主轴同步控制时的主轴的位置增益P4065?P4068设定为“3 000 ”与 “5 000”分别测试运行刚性攻丝程序，查看刚性攻丝误差诊断参数453。将位置环增益改为“3 000”后，时间减少0. 4 s,无较大的冲击，但攻丝误差减小;将位置环增益改为“5 000”后，刚性攻丝误差超出笔者公司规定。故刚性攻丝参数设定为3 000,对应刚性攻丝图形如图6所示。

3.3刚性攻丝加/减速时间常数的调整

刚性攻丝加/减速时间常数的调整，在设定好固定攻丝速度下，逐步减小加/减速时间常数，保证刚性攻丝误差在允许范围之内。通过观察刚性攻丝图形及诊断参数，逐渐减小加减速时间常数，最终设定为 300。运行刚性攻丝程序，时间减少9 s，刚性攻丝误差在笔者公司规定范围之内。对应刚性攻丝图形如图7 所示。

3.4伺服方式/主轴同步控制时电动机电压的调整据相关资料表明，伺服方式/主轴同步控制时电动机电压初始设定值P4085为“30”此参数对刚性攻丝效率影响较大，建议将此参数设定为“100”试验过程中，先后将此参数设定为50、80、100,通过对攻丝程序运行时间、攻丝误差、攻丝声音比较，发现电动机电压升高之后，对攻丝时间及攻丝误差影响不大,但攻丝时声音明显增加。所以此参数设定为30。

通过对刚性攻丝有关参数的单独更改测试,最终将主轴速度环前馈系数P4037设定为“0” ；刚性攻丝中主轴和攻丝轴的位置控制的环路增益P5280、P4065?4068 设定为“3 000”刚性攻丝加/减速时间常数P5261? 5263设定为“300” ；伺服方式/主轴同步控制时电动机电压P4085)设定为“30”。参数调整完成之后，运行刚性攻丝程序，时间减少9 s,对应刚性攻丝图形如图8 所示。

4结语

通过对钻攻中心基本参数设置、进给轴移动速度提高、刚性攻丝的优化，机床的效率有了大幅提高，同时保证了加工零件的精度，满足了用户需求。

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