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T5鉆攻中心的高速切削技術研究與優化
閱讀：103 發布時間：2020-8-12鉆攻中心憑借其高速、高精度的加工特點,備受市 場青睞，是蘋果、三星等3C產品零件的制造關鍵設 備。為了提高我國制造裝備技術水平，從“中國制造” 向“中國創造”轉變，T5鉆攻中心通過系列攻關,解決了鉆攻中心高速切削的關鍵技 術問題，總體技術指標已接近日本FANUC和 BROTHER公司的鉆削中心的水平，并廣泛用于企業 生產。本文主要從系統研究鉆攻中心的高速切削技 術，充分提高加工效率，從而提高用戶的單位時間產 值,提高產品的競爭力。
T5 鉆攻中心采用 FANUC-3I-MATED 數控系統，主軸與主軸電動機采用聯軸器直連方式，采 用pil 6/10 000主軸電動機，主電機功率5. 5/7.5 kW, 主電動機扭矩35/47 N • m;采用X、F、Z這3個伺服 軸，其中X、Y坐標軸為移動工作臺,Z坐標軸帶動主 軸垂直運動，三個軸均采用線性導軌、16 mm大螺距絲 杠傳動,X軸、Y軸采用pis 12/3000伺服電動機，進給 軸電動機12 N • m,Z軸采用pis 22/3 000,進給軸電 機22 N*m。通過對基本參數設定，坐標軸移動速度提高、剛性攻絲優化等方面進行研究與優化，機床的效 率有了大幅提高，同時保證了加工零件的精度,滿足了用戶需求。
1基本參數設定
1.1進給軸電機初始化
由于數字伺服控制是通過軟件方式進行運算控制 的，而控制軟件是存儲在伺服ROM中。通電時數控 系統根據所設定的電動機規格號、齒輪傳動比、檢測倍 乘比、電動機方向等其他適配參數，加載所需的伺服數 據到工作存儲區（伺服ROM中寫有各種規格的伺服 控制數據），而初始化設定正是進行電動機規格號和 其他適配參數的設定。伺服電動機初始化參數設定見 表1所示。
FANUC數控系統默認的檢測單位為0. 001 mm, 則設置值為2即可，為了提高機床的控制精度,現將系 統的檢測精度提高一個等級，采用檢測單位為0. 000 1 mm,即參數No. 1820設置值為20;伺服軸均采用聯軸 器直連方式,絲杠桿螺距為16 mm。
根據柔性齒輪比計算公式N/M =電動機一轉絲 桿移動的距離（檢測單位為:0. 1 pm) /1 000 000,對于 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;參考計數器 容量 No. 1821 =16 x10 000 = 160 000。
表2主軸電動機初始化參數設定
對于導入標準參數的機臺，用戶在進行伺服電動 機初始化設置時,只需要根據電動機型號及進給軸方 向，對參數No. 2020、No. 2022進行設定后，斷電重啟 即可。該設備伺服電動機初始化參數具體設定見 表1。
| 表1伺服電動機初始化參數設定
|
1. 2主軸電動機初始化設定
主軸電動機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字數據，同時使用外接位 置編碼器與CNC相連，用于檢測主軸的位置。正確進 行主軸電動機初始化設定,保證主軸定向、定向停等功 能的實現。主軸電動機初始化參數設定見表2。
主軸電動機的低/高鉗制速度計算為：
P3735 =(主軸電動機所要獲得的低鉗制轉速/
主軸電動機的高轉速P4020的值） x 4 095
P3736 =(主軸電動機所要獲得的高鉗制轉速/
主軸電動機的高轉速P4020的值） x 4095
主軸電動機的高轉速為P4020的值，該值在主 軸電動機初始化后自動設定；由于鉆削中心主軸與主 軸電動機采用聯軸器直連結構，故設置主軸高轉速 值 P3741 與 P4020 —樣。
參數P4002設置主軸傳感器的種類。鉆削中心主 軸采用電動機編碼器進行位置反饋，即P4002#0 = 1 即可。
用戶在進行主軸初始化時，首先需要根據主軸電 動機的型號對參數P4133進行設置，通過參數P4019# 7設置為1后斷電重啟，完成主軸初始化，后根據表 2說明對參數P3741和P4002進行設置。具體主軸電 動機初始化參數設定見表2。
| 設定項 | 參數號 | 設定值 |
| 串行主軸控制 | 3716#0 | 1 |
| 主軸控制放大器號 | 3717 | 1 |
| 主軸初始化設定位 | 4019#7 | 1 |
| 主軸電動機代碼 | 4133 | 333 |
| 主軸電動機低鉗制速度 | 3735 | 0 |
| 主軸電動機高鉗制速度 | 3736 | 4 095 |
| 每檔主軸高轉速 | 3741 | 10 000 |
| 電動機高轉速 | 4020 | 10 000 |
| 電機編碼器設置 | 4002 | 00 000 001 |
1.3其他重要參數設定
進給軸和主軸完成初始化設定后，需要通過修改 參數P1815#4、#5,完成機床原點設定。在原點設置成 功后，通過參數P1320、P1321的設置，對機床各軸軟限 位設定。由于采用夾臂式刀庫換刀，換刀時Z軸要向 正方向移動，換刀時將G7. 6激活,存儲行程極限I有 效，行程限位使用參數P1326、P1327設定值，換刀結束 后，回到正常加工時行程限位。其他重要參數設定見 表 3。
| 設定項 | 參數號 | 設定值 |
| 無擋塊返回參考點 | 1005#1 | 1 |
| 直線軸設定 | 1006#0 | 0 |
| 參考點返回方向 | 1006#5 | 0 |
| 使用編碼器 | 1815#5 | 1 |
| 設定機床原點 | 1815#4 | 1 |
| 位置環增益 | 1825 | 5 000 |
| 到位寬度 | 1826 | 2 000 |
| 移動中位置誤差 | 1828 | 400 000 |
| 停止時位置誤差 | 1829 | 2 000 |
| 正向軟限位設定 | 1320 | 500. 5、0. 5、0 |
| 負向軟限位設定 | 1321 | -0.5、-400.5、-300.5 |
| 正向存儲行程極限I | 1326 | 500. 5、0. 5、157. 5 |
| 負向存儲行程極限I | 1327 | -0.5、-400.5、-300.5 |
| 高速高精功能開啟下軸的 大切削進給速度 | 1432 | 10 000 |
2坐標軸移動速度提高
2.1快速進給速度及各軸增益的提高
以X軸調整為例，根據機床配置要求，結合機床伺服電動機、滾珠絲杠、線性導軌的承載能力，將G00 快速進給速度提高到48 m/min未更改速度環增益響 應頻率響應圖形如圖1所示。通過提高各軸的速度環 增益P2021從200調整到350,調整時結合濾波器功 能消除各軸的高頻振動點，然后再逐步提高伺服的速 度環增益，終設定速度環增益為極限值70%? 80%,即圖1中幅頻曲線開始下降的地方對應的頻率接近10 dB,在1 000 Hz附近的幅值應低于-20 dB。 更改后頻率響應圖形，如圖2所示。
對應各軸速度環增益提高之后，再提高各軸位置 環增益P1825,將各軸位置環增益從3 000提高到 5 000,提高各軸的伺服剛性，并通過測定各軸TCMD 波形，保證各軸運行平穩。提高位置環增益后，各軸 TCMD波形如圖3所示。
2.2各軸快速移動加速度的調整
各軸增益調整完成后，為進一步提高各軸速度，各 軸的高移動速度是一個決定因素，其中各軸的大 加速度也直接決定了機床的加工速度。TCMD曲線調 整要求是在加速和減速段（斜線段）過渡平滑，無過沖 現象;恒速度（直線段）電流粗細一致，中間沒有波動； TCMD曲線電流大值不超過放大器電流大值的
80%。減小G00時間常數，同時確認加減速時的電流 輸出，在機械部件能承受的范圍下，盡量提高加減速時 的電流，使加減速時電流盡量接近對應放大器的大 輸出電流,此時為快速加速時間常數設定。通過 測定，將G00加減速時間常數P1620、P1621分別設定 為100、0。同時將P1601#4設為“1”，開啟了快速移 動程序段重疊功能，將P1722設為“50”，設定快速移 動程序段重疊時減速比為50;將P2212#6設為“1”，切 削/快速進給位置環分開控制P2201#1設為“1”，將 P1825快速進給位置環增益改為300,切削時速度增益 倍率由200減小到150。更改之后對應各軸TCMD波 形如圖4。
2.3其他參數的更改
將P1801#4設為“1”使用快速進給與切削進給 分開控制，將快速進給到位寬度P1826從20增加到 2 000,切削進給到位寬度P1827從0增加到20。測試 空行程程序運行時間為28 s,比調整增益、加減速時間 常數后減少9 s。
更改先行前饋系數從7 000到9 000、插補前加/ 減速的每個軸的允許大加速度從200到600。更改 完成之后,測定空行程程序運行時間為21 s,比調整增 益、加減速時間常數后減少16 s。
3剛性攻絲的優化
提高機床各坐標軸移動速度后，對換刀、鉆孔、 攻絲速度的提高有一定的影響，但只是單純從移動 速度上的提高。對于剛性攻絲，還有其他參數對其 有較大的影響，對參數設定數值進行更改，對比其對 剛性攻絲速度、沖擊、誤差的影響，終設定的 數據。未對參數進行更改優化時的剛性攻絲圖形如 圖5所示。
3.1主軸速度環前饋系數的調整
通過逐漸提高P4037主軸速度環前饋系數，且保 持主軸前饋和攻絲軸Z的前饋系數設定一致。分別 測試參數P4037為“0”與“200”時，執行剛性攻絲程 序,運行時間減少1 s,但攻絲時主軸沖擊聲明顯增大，且攻絲誤差變大。故此參數保持為0。
3. 2剛性攻絲中主軸和攻絲軸的位置控制的環路增 益的調整
剛性攻絲中主軸和攻絲軸的位置控制的環路增 益,初始值設定為2 000。分別將剛性攻絲時的攻絲軸 的位置增益P5280與伺服方式/主軸同步控制時的主 軸的位置增益P4065?P4068設定為“3 000 ”與 “5 000”分別測試運行剛性攻絲程序，查看剛性攻絲 誤差診斷參數453。將位置環增益改為“3 000”后，時 間減少0. 4 s,無較大的沖擊，但攻絲誤差減小;將位置 環增益改為“5 000”后，剛性攻絲誤差超出筆者公司規 定。故剛性攻絲參數設定為3 000,對應剛性攻絲圖形 如圖6所示。
3.3剛性攻絲加/減速時間常數的調整
剛性攻絲加/減速時間常數的調整，在設定好固定 攻絲大速度下，逐步減小加/減速時間常數，保證剛 性攻絲誤差在允許范圍之內。通過觀察剛性攻絲圖形 及診斷參數，逐漸減小加減速時間常數，終設定為 300。運行剛性攻絲程序，時間減少9 s，剛性攻絲誤差 在筆者公司規定范圍之內。對應剛性攻絲圖形如圖7 所示。
3.4伺服方式/主軸同步控制時電動機電壓的調整 據相關資料表明，伺服方式/主軸同步控制時電動 機電壓初始設定值P4085為“30”此參數對剛性攻絲 效率影響較大，建議將此參數設定為“100”試驗過 程中，先后將此參數設定為50、80、100,通過對攻絲程 序運行時間、攻絲誤差、攻絲聲音比較，發現電動機電壓升高之后，對攻絲時間及攻絲誤差影響不大,但攻絲 時聲音明顯增加。所以此參數設定為30。
通過對剛性攻絲有關參數的單獨更改測試,終將 主軸速度環前饋系數P4037設定為“0” ；剛性攻絲中主 軸和攻絲軸的位置控制的環路增益P5280、P4065?4068 設定為“3 000”剛性攻絲加/減速時間常數P5261? 5263設定為“300” ；伺服方式/主軸同步控制時電動機 電壓P4085)設定為“30”。參數調整完成之后，運行剛 性攻絲程序，時間減少9 s,對應剛性攻絲圖形如圖8 所示。
4結語
通過對鉆攻中心基本參數設置、進給軸移動速度提高、剛性攻絲的優化，機床的效率有了大幅提高，同 時保證了加工零件的精度，滿足了用戶需求。
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