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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鉆攻中心通過系列攻關(guān),解決了鉆攻中心高速切削的關(guān)鍵技術(shù)問題，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)定見表1。

表1伺服電動(dòng)機(jī)初始化參數(shù)設(shè)定

設(shè)定項(xiàng)	參數(shù)號(hào)	設(shè)定值
控制軸數(shù)	8130	3
伺服初始化設(shè)定	2100#1	0
伺服電動(dòng)機(jī)代碼	2020	496、496、313
任意倍乘比AMR	2001	00 000 000
指令倍乘比CMR	1820	20
柔性齒輪比	2084	4
柔性齒輪比	2085	25
方向設(shè)定	2022	111、-111,111
速度反饋脈沖數(shù)	2023	8 192
位置反饋脈沖數(shù)	2024	12 500
參考計(jì)數(shù)器容量	1821	16 000

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)定見表2。

主軸電動(dòng)機(jī)的最低/高鉗制速度計(jì)算為：

P3735 =(主軸電動(dòng)機(jī)所要獲得的最低鉗制轉(zhuǎn)速/

主軸電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速P4020的值） x 4 095

P3736 =(主軸電動(dòng)機(jī)所要獲得的最高鉗制轉(zhuǎn)速/

主軸電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速P4020的值） x 4095

主軸電動(dòng)機(jī)的最高轉(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)置主軸最高轉(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，通過參數(shù)P4019# 7設(shè)置為1后斷電重啟，完成主軸初始化，最后根據(jù)表 2說明對(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)最低鉗制速度	3735	0
主軸電動(dòng)機(jī)最高鉗制速度	3736	4 095
每檔主軸最高轉(zhuǎn)速	3741	10 000
電動(dòng)機(jī)最高轉(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)定見表 3。

設(shè)定項(xiàng)	參數(shù)號(hào)	設(shè)定值
無擋塊返回參考點(diǎn)	1005#1	1
直線軸設(shè)定	1006#0	0
參考點(diǎn)返回方向	1006#5	0
使用絕對(duì)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
高速高精功能開啟下軸的最大切削進(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，最終設(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，各軸的最高移動(dòng)速度是一個(gè)決定因素，其中各軸的最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）過渡平滑，無過沖現(xiàn)象;恒速度（直線段）電流粗細(xì)一致，中間沒有波動(dòng)； TCMD曲線電流最大值不超過放大器電流最大值的

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)放大器的最大輸出電流,此時(shí)為最優(yōu)快速加速時(shí)間常數(shù)設(shè)定。通過測(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)軸的允許最大加速度從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，最終設(shè)定最佳的數(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)定好固定攻絲最大速度下，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)，最終設(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)過程中，先后將此參數(shù)設(shè)定為50、80、100,通過對(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。

通過對(duì)剛性攻絲有關(guān)參數(shù)的單獨(dú)更改測(cè)試,最終將主軸速度環(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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經(jīng)特征試件檢測(cè)五軸加工直線軸動(dòng)態(tài)誤差及補(bǔ)

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