T5钻攻中心的高速切削技术研究与优化

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
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。
主轴电动机的低/高钳制速度计算为:
p3735 =(主轴电动机所要获得的低钳制转速/
主轴电动机的高转速p4020的值) x 4 095
p3736 =(主轴电动机所要获得的高钳制转速/
主轴电动机的高转速p4020的值) x 4095
主轴电动机的高转速为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,故设置主轴高转速 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,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
主轴电动机低钳制速度
3735
0
主轴电动机高钳制速度
3736
4 095
每档主轴高转速
3741
10 000
电动机高转速
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 大切削进给速度
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,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 轴的高移动速度是一个决定因素,其中各轴的大 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曲线电流大值不超过放大器电流大值的
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大 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大加速度从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,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 攻丝大速度下,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,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,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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