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【摘要】本文以S7620普通内螺纹磨床为研究对象，采用华中HNC-18i数控系统，对磨床径向进给工作台（X轴）进行数控化改造；采用水冷式电主轴磨头代替原来机械式磨头；对原来车头直流电机调速改为普通交流电机采用变频器控制；采用菜单编程模式进行磨削加工，实际使用情况表明，改造后操作简单实用，机床故障率降低，生产效率和产品磨削质量提高，同时实现一人多机操作，这种改造模式可进行应用推广。
【关键词】内螺纹磨床；华中HNC-18i；数控改造
1.引言
我公司是专业生产商用车转向器厂家，在数控技术未普及年代，转向器活塞螺母热处理后内滚道磨削，全靠汉江机床厂生产的S7620普通内螺纹磨床进行加工。该设备采用液压与机械联合进给半自动操作模式；进刀和砂轮修整靠手动操作；设备老化后造成磨削尺寸不稳定因素诸多，全靠工人操作经验保证。由于不能进行全自动磨削加工、一人操作一台设备、加工效率又低，不适合公司推行精益生产的一人多机模式，加上设备老化后故障率高，严重制约公司的产能发展，为了提高产品质量，推行精益生产，因此将该设备进行数控化改造迫在眉睫。
2.改造方案确定
S7620普通内螺纹磨床由液压、机械、电气联合控制的半自动内螺纹磨床，电气控制是最典型的继电器接触器控制线路，机床机械结构由径向进给工作台、轴向滑台、砂轮修整三部分组成。
径向进给工作台由砂轮磨头、工作台、丝杠、油缸和操作手柄组成，油缸驱动工作台快速移动和定位，磨削进刀和砂轮修整进刀靠手柄旋转，经过减速机构带动丝杠驱动滑台进行磨削和砂轮修整进刀，该部分结构复杂，零件繁多，空间紧凑，故障率高，维修不方便。由此径向进给工作台的改造方案是去除原来机械机构和液压驱动部分，采用伺服驱动进给，伺服电机转速为2000转/分，传动丝杠采用螺距为5mm高精度滚珠丝杠，移动直线速度最高达10米/分，伺服电机以及高精度滚珠丝杠组合使用的精度和速度完全满足产品磨削工艺和精度的要求。
轴向滑台由车头、滑台、滚珠丝杠副和车头电机组成，车头电机驱动车头旋转，车头通过配比悬挂齿轮同滑台滚珠丝杠连接，来实现磨削工件旋转一周，轴向滑台移动一个螺距的联动，通过滑台行程限位开关控制车头电机正反转，控制工件靠近砂轮磨削和退出磨削，由于改造成本限制，保留该部分经典的机械结构，修复轴向滑台传动精度，将车头驱动方式进行优化，实现螺纹滚道双向磨削，将磨削效率提高一倍。
砂轮修整原来采用金刚笔修整，金刚笔采用摆动方式修整砂轮，由于摆动轨道磨损，每次修整后的砂轮形状同工件螺纹滚道外形难保证一致，该部分改造方案是去除原来的结构，采用成形金刚滚轮修整模式，成形金剛滚轮尺寸参数同工件螺纹滚道一致，经成形金刚滚轮重复修整后的砂轮的外形尺寸可以保持一致性，解决一处尺寸出现不稳定环节。
3.改造方案实施
3.1数控系统以及伺服选型
华中HNC-18i型系统是经济实用型数控系统，可支持2轴联动，可配各种类型的脉冲驱动单元，除标准的操作面板外，还配置32路开关量输入和24路开关量输出接口，另外还配手持单元接口和主轴控制接口，由于机械结构简化后，控制输入输出点数足以满足要求，更加重要的是该系统提供20个断电保存用户宏变量，这是能否作为磨床系统应用的关键点，上述基本功能已经满足该设备数控化改造要求，再加上华中系统厂家的地理位置和显著的服务优势，所以推荐使用华中HNC-18i数控系统。
伺服系统选择松下MINAS A5系列驱动装置以及其对应伺服电机构成，该系统性能稳定、电机体积小、抗干扰能力强、定位精准，为以后的稳定磨削加工提供条件。
3.2砂轮磨头控制
S7620普通内螺纹磨床原来砂轮磨头是普通机械磨头，由于转速固定，随着砂轮磨削修整直径变小后，砂轮线速度也降低，产品磨削后的光洁度下降，并且普通机械磨头在使用后有一定温升，从而导致加工尺寸不稳定。
改造后采用较为先进的水冷式电主轴磨头，功率7.3KW，频率600HZ，转速36000转/分，足以满足所有产品加工转速要求范围，采用7.5KW变频驱动，型号为台达VFD075B43A，砂轮转速由数控系统S指令控制系统主轴接口的0-10V模拟电压输出来控制变频器实现无级变速，砂轮启动停止由M代码控制，具体执行在加工程式中控制，随着砂轮修整直径变小，用户可以直接操作面板主轴速度倍率来调整砂轮转速，改造后既给操作带来方便，又在一个环节消除磨削出现不稳定的因素。
3.3车头旋转速度控制
改造前的S7620普通内螺纹磨床，车头旋转由一台直流电机驱动，电柜内直流电机驱动模块电路老化，故障频繁，转速由面板电位计调整，在磨削过程中需靠手工调节来改变粗磨和精磨的磨削速度。
根据原直流电机的功率和转速值作参考，采用1.5KW普通三相交流电机驱动车头，用一台2.2KW变频器控制电机，型号为台达VFD022B43A，使用此方案对原车头的直流电机的控制做出改造，控制原理图见图1。
改造后的速度控制采用变频器的7段速控制方式来实现多种磨削速度，分别对应频率为10Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、50Hz，系统控制对应的用户自定义M代码分别为M20、M21、M22、M23、M24、M25、M26。
3.4伺服控制
改造后松下MINAS A5伺服驱动由HNC-18i系统控制，伺服电机编码器是2500线，由于HNC-18i系统系统对指令有四细分，驱动器对电机编码器有四倍频，伺服电机旋转一圈，工作台直线移动5mm，数控系统需发送发2500*4*4=40000个脉冲，同时伺服电机编码器通过伺服驱动器反馈2500*4=10000个脉冲到数控系统，外部脉冲当量分子与外部脉冲当量分母之比为坐标轴实际脉冲当量，即每个位置单位所对应坐标轴实际移动距离，即系统电子齿轮比，根据上述数据分析计算，系统电子齿轮比为5000/40000=1/8。 数控系统将发出的脉冲数和返回的脉冲数进行实时监控和跟踪比较，当误差超出一定范围，产生跟踪误差报警，提示用户查找问题，数控系统、伺服驱动和伺服电机之间构成一个闭环控制系统，具有很高的位置精度控制能力。
4.程序设计
4.1磨削過程
机床径向控制采用伺服控制（X轴），轴向采用M代码控制工件左右运动，可以实现在工件两端自动进给的轴向磨削循环。磨削循环过程，执行M35轴向滑台磨削右行后，当砂轮相对移到工件的左端时，X轴进给移动，砂轮前进一个值，执行M36轴向滑台磨削左行后，当砂轮相对移到工件的右端时，X轴进给移动，砂轮前进一个值，在工件运动过程中X轴径向不得进给移动，如此进行粗磨、半精磨、精磨循环后，当磨削余量变为零时，必须执行M34轴向滑台左行，工件远离砂轮后，进行砂轮自动修整，然后进行光磨。
实际使用中，在程序合适位置设置一个选择停M01，方便实现砂轮对刀。当X轴移动到循环磨削起点位置时，执行M01暂停，然后操作者插入手动磨削，根据磨削火花状况，左右调整轴向滑台的位置，使得砂轮在螺纹滚道中间位置，然后再转入自动磨削。
4.2菜单编程
将磨削所需数据用系统断电保存的宏变量表示，编程时，操作者只需把所需数据输入，不需要修改程序。零件变化时，只需改变相关位置数据，实现菜单编程，使得操作更加简单直观。菜单编程界面如表1。
4.3磨削程序
机床磨削程序按照主程序，子程序结构编制。
5.结束语
经过数控化改造后的S7620螺纹磨床，实现自动磨削和砂轮修整，一人多机操作，生产效率高，降低生产成本和设备投资，同时磨削加工产品的质量和设备的运行都非常的稳定可靠，达到预期的改造效果；目前公司10余台早已全部改造完工，最初改造使用至今已近8年，给公司创造巨大的经济效益。据统计，多数转向器生产企业均有此类设备，因此该改造案例在业内具有极大的推广价值。
参考文献
[1]蓝文谨.从螺纹磨床的改造探讨设备改造的途径.设备管理维修，1981（01） .
[2]赵艺兵，高世平.基于西门子802D数控系统的螺纹磨床改造.中国制造业信息化，2007（9）：58-59.
[3]HNC-18i数控系统连接说明书.武汉华中数控股份有限公司.
[4]Panasonic Main A4系列AC伺服驱动器技术资料汇编.松下电器产业株式会社.
[5]赵永强，李志峰，魏伟锋.螺纹磨床CNC砂轮修整器的参数设计.制造业自动化，2012（12） .
[6]VFD-B使用手册.中达电通股份有限公司.
[7]华中数控PLC编程说明书.武汉华中数控股份有限公司.
[8]孙德茂.使用FANUC宏程序编制单轴磨削循环及补偿功能.制造技术与机床，2003（2）：74-76.
作者简介
第一作者：周国和，男，1981年出生，大学本科，工程师，主要从事工业自动化，数控技术开发与应用。
【关键词】内螺纹磨床；华中HNC-18i；数控改造
1.引言
我公司是专业生产商用车转向器厂家，在数控技术未普及年代，转向器活塞螺母热处理后内滚道磨削，全靠汉江机床厂生产的S7620普通内螺纹磨床进行加工。该设备采用液压与机械联合进给半自动操作模式；进刀和砂轮修整靠手动操作；设备老化后造成磨削尺寸不稳定因素诸多，全靠工人操作经验保证。由于不能进行全自动磨削加工、一人操作一台设备、加工效率又低，不适合公司推行精益生产的一人多机模式，加上设备老化后故障率高，严重制约公司的产能发展，为了提高产品质量，推行精益生产，因此将该设备进行数控化改造迫在眉睫。
2.改造方案确定
S7620普通内螺纹磨床由液压、机械、电气联合控制的半自动内螺纹磨床，电气控制是最典型的继电器接触器控制线路，机床机械结构由径向进给工作台、轴向滑台、砂轮修整三部分组成。
径向进给工作台由砂轮磨头、工作台、丝杠、油缸和操作手柄组成，油缸驱动工作台快速移动和定位，磨削进刀和砂轮修整进刀靠手柄旋转，经过减速机构带动丝杠驱动滑台进行磨削和砂轮修整进刀，该部分结构复杂，零件繁多，空间紧凑，故障率高，维修不方便。由此径向进给工作台的改造方案是去除原来机械机构和液压驱动部分，采用伺服驱动进给，伺服电机转速为2000转/分，传动丝杠采用螺距为5mm高精度滚珠丝杠，移动直线速度最高达10米/分，伺服电机以及高精度滚珠丝杠组合使用的精度和速度完全满足产品磨削工艺和精度的要求。
轴向滑台由车头、滑台、滚珠丝杠副和车头电机组成，车头电机驱动车头旋转，车头通过配比悬挂齿轮同滑台滚珠丝杠连接，来实现磨削工件旋转一周，轴向滑台移动一个螺距的联动，通过滑台行程限位开关控制车头电机正反转，控制工件靠近砂轮磨削和退出磨削，由于改造成本限制，保留该部分经典的机械结构，修复轴向滑台传动精度，将车头驱动方式进行优化，实现螺纹滚道双向磨削，将磨削效率提高一倍。
砂轮修整原来采用金刚笔修整，金刚笔采用摆动方式修整砂轮，由于摆动轨道磨损，每次修整后的砂轮形状同工件螺纹滚道外形难保证一致，该部分改造方案是去除原来的结构，采用成形金刚滚轮修整模式，成形金剛滚轮尺寸参数同工件螺纹滚道一致，经成形金刚滚轮重复修整后的砂轮的外形尺寸可以保持一致性，解决一处尺寸出现不稳定环节。
3.改造方案实施
3.1数控系统以及伺服选型
华中HNC-18i型系统是经济实用型数控系统，可支持2轴联动，可配各种类型的脉冲驱动单元，除标准的操作面板外，还配置32路开关量输入和24路开关量输出接口，另外还配手持单元接口和主轴控制接口，由于机械结构简化后，控制输入输出点数足以满足要求，更加重要的是该系统提供20个断电保存用户宏变量，这是能否作为磨床系统应用的关键点，上述基本功能已经满足该设备数控化改造要求，再加上华中系统厂家的地理位置和显著的服务优势，所以推荐使用华中HNC-18i数控系统。
伺服系统选择松下MINAS A5系列驱动装置以及其对应伺服电机构成，该系统性能稳定、电机体积小、抗干扰能力强、定位精准，为以后的稳定磨削加工提供条件。
3.2砂轮磨头控制
S7620普通内螺纹磨床原来砂轮磨头是普通机械磨头，由于转速固定，随着砂轮磨削修整直径变小后，砂轮线速度也降低，产品磨削后的光洁度下降，并且普通机械磨头在使用后有一定温升，从而导致加工尺寸不稳定。
改造后采用较为先进的水冷式电主轴磨头，功率7.3KW，频率600HZ，转速36000转/分，足以满足所有产品加工转速要求范围，采用7.5KW变频驱动，型号为台达VFD075B43A，砂轮转速由数控系统S指令控制系统主轴接口的0-10V模拟电压输出来控制变频器实现无级变速，砂轮启动停止由M代码控制，具体执行在加工程式中控制，随着砂轮修整直径变小，用户可以直接操作面板主轴速度倍率来调整砂轮转速，改造后既给操作带来方便，又在一个环节消除磨削出现不稳定的因素。
3.3车头旋转速度控制
改造前的S7620普通内螺纹磨床，车头旋转由一台直流电机驱动，电柜内直流电机驱动模块电路老化，故障频繁，转速由面板电位计调整，在磨削过程中需靠手工调节来改变粗磨和精磨的磨削速度。
根据原直流电机的功率和转速值作参考，采用1.5KW普通三相交流电机驱动车头，用一台2.2KW变频器控制电机，型号为台达VFD022B43A，使用此方案对原车头的直流电机的控制做出改造，控制原理图见图1。
改造后的速度控制采用变频器的7段速控制方式来实现多种磨削速度，分别对应频率为10Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、50Hz，系统控制对应的用户自定义M代码分别为M20、M21、M22、M23、M24、M25、M26。
3.4伺服控制
改造后松下MINAS A5伺服驱动由HNC-18i系统控制，伺服电机编码器是2500线，由于HNC-18i系统系统对指令有四细分，驱动器对电机编码器有四倍频，伺服电机旋转一圈，工作台直线移动5mm，数控系统需发送发2500*4*4=40000个脉冲，同时伺服电机编码器通过伺服驱动器反馈2500*4=10000个脉冲到数控系统，外部脉冲当量分子与外部脉冲当量分母之比为坐标轴实际脉冲当量，即每个位置单位所对应坐标轴实际移动距离，即系统电子齿轮比，根据上述数据分析计算，系统电子齿轮比为5000/40000=1/8。 数控系统将发出的脉冲数和返回的脉冲数进行实时监控和跟踪比较，当误差超出一定范围，产生跟踪误差报警，提示用户查找问题，数控系统、伺服驱动和伺服电机之间构成一个闭环控制系统，具有很高的位置精度控制能力。
4.程序设计
4.1磨削過程
机床径向控制采用伺服控制（X轴），轴向采用M代码控制工件左右运动，可以实现在工件两端自动进给的轴向磨削循环。磨削循环过程，执行M35轴向滑台磨削右行后，当砂轮相对移到工件的左端时，X轴进给移动，砂轮前进一个值，执行M36轴向滑台磨削左行后，当砂轮相对移到工件的右端时，X轴进给移动，砂轮前进一个值，在工件运动过程中X轴径向不得进给移动，如此进行粗磨、半精磨、精磨循环后，当磨削余量变为零时，必须执行M34轴向滑台左行，工件远离砂轮后，进行砂轮自动修整，然后进行光磨。
实际使用中，在程序合适位置设置一个选择停M01，方便实现砂轮对刀。当X轴移动到循环磨削起点位置时，执行M01暂停，然后操作者插入手动磨削，根据磨削火花状况，左右调整轴向滑台的位置，使得砂轮在螺纹滚道中间位置，然后再转入自动磨削。
4.2菜单编程
将磨削所需数据用系统断电保存的宏变量表示，编程时，操作者只需把所需数据输入，不需要修改程序。零件变化时，只需改变相关位置数据，实现菜单编程，使得操作更加简单直观。菜单编程界面如表1。
4.3磨削程序
机床磨削程序按照主程序，子程序结构编制。
5.结束语
经过数控化改造后的S7620螺纹磨床，实现自动磨削和砂轮修整，一人多机操作，生产效率高，降低生产成本和设备投资，同时磨削加工产品的质量和设备的运行都非常的稳定可靠，达到预期的改造效果；目前公司10余台早已全部改造完工，最初改造使用至今已近8年，给公司创造巨大的经济效益。据统计，多数转向器生产企业均有此类设备，因此该改造案例在业内具有极大的推广价值。
参考文献
[1]蓝文谨.从螺纹磨床的改造探讨设备改造的途径.设备管理维修，1981（01） .
[2]赵艺兵，高世平.基于西门子802D数控系统的螺纹磨床改造.中国制造业信息化，2007（9）：58-59.
[3]HNC-18i数控系统连接说明书.武汉华中数控股份有限公司.
[4]Panasonic Main A4系列AC伺服驱动器技术资料汇编.松下电器产业株式会社.
[5]赵永强，李志峰，魏伟锋.螺纹磨床CNC砂轮修整器的参数设计.制造业自动化，2012（12） .
[6]VFD-B使用手册.中达电通股份有限公司.
[7]华中数控PLC编程说明书.武汉华中数控股份有限公司.
[8]孙德茂.使用FANUC宏程序编制单轴磨削循环及补偿功能.制造技术与机床，2003（2）：74-76.
作者简介
第一作者：周国和，男，1981年出生，大学本科，工程师，主要从事工业自动化，数控技术开发与应用。