如何選擇立式車床的數(shù)控系統(tǒng)配置與選型
2017-12-20 來源：西南林業(yè)大學(xué)機械與交通學(xué)院 作者：易 偉， 楊 潔
問：怎樣立式車床的數(shù)控系統(tǒng)配置與選型？
答：
隨著我國汽車、高鐵、電機等行業(yè)的發(fā)展，汽車輪轂、電機殼等中大型盤類零件的需求越來越多，在傳統(tǒng)加工中一般使用中大型的臥式車床，其缺陷是裝夾工件不便，精度及加工效率低。
因此許多機床生產(chǎn)企業(yè)為順應(yīng)市場的需求，設(shè)計制造了多種立式加工設(shè)備，極大地減少了裝夾時間，提高了加工精度和生產(chǎn)效率。
數(shù)控立式車床在保留原有普通立式車床大部分主體結(jié)構(gòu)的前提下取消了進給系統(tǒng)，將原進給傳動系統(tǒng)改為使用伺服電機直接連接滾珠絲杠帶動車床本體運動; 保持原有的底座變速箱結(jié)構(gòu)不變，將主電機由普通電機改為伺服主軸電機，同時在主軸底部安裝有編碼器，以實現(xiàn)無級變速和螺紋切削功能; 重新設(shè)計了滑動本體結(jié)構(gòu)，在本體上安裝多工位電動刀臺，從而可實現(xiàn)根據(jù)數(shù)控程序自動換刀等功能1］。
本文以 CKS5160 數(shù)控立式車床為例對機床電機的選型及數(shù)控系統(tǒng)的基本功能進行闡述。該設(shè)備通過控制伺服主軸電機來實現(xiàn)工作臺的無級調(diào)速，控制 X、Z 軸的交流伺服電機實現(xiàn)刀具的進給，同時針對工藝要求，調(diào)用 PLC 子程序?qū)崿F(xiàn)對電動刀臺、液壓系統(tǒng)的控制，粗、精加工可自動換刀并自動調(diào)整夾具的液壓夾緊力。機床外形結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
圖 1 機床外形結(jié)構(gòu)
1 、控制系統(tǒng)構(gòu)成
機床控制系統(tǒng)可控制和保證機械系統(tǒng)的良好運轉(zhuǎn)，確保設(shè)備的精度。因此控制系統(tǒng)、電氣元器件等必須以機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依托進行選擇。
1. 1 傳動系統(tǒng)部件選型
機床傳動系統(tǒng)簡圖如圖 2 所示。
圖 2 機床傳動系統(tǒng)簡圖
1． 主電機; 2． 底座主軸變速箱; 3． 主軸; 4． X 軸電機;5． Z 軸電機; 6． 車床本體; 7． 滑枕
立式車床主要包括底座、橫梁、立柱、滑枕、滑動本體、升降箱體等部件，傳動控制系統(tǒng)分為底座主傳動系統(tǒng)、X 軸進給系統(tǒng)、Z 軸進給系統(tǒng)三部分。
1. 1. 1 主電機類型選擇
數(shù)控立式車床主傳動系統(tǒng)由電機通過底座齒輪箱帶動主軸旋轉(zhuǎn)。為了保證加工過程中工件質(zhì)量的一致性，需要保證恒線速度切削加工，即必須保證數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)﹄姍C進行無級調(diào)速; 同時為了保證車床有車削螺紋的功能，需要通過系統(tǒng)來協(xié)調(diào)工作臺轉(zhuǎn)速與螺紋車刀之間的進給關(guān)系，因此在主軸底部安裝有光電式脈沖編碼器，通過編碼器將主軸角位移信號傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)對信號進行處理后，再將信號傳送到進給電機，從而實現(xiàn)協(xié)調(diào)主軸轉(zhuǎn)速與進給量的目的［2］
。
為實現(xiàn)主軸的無級變速，有以下兩種方案可供選擇:
1) 主電機采用變頻調(diào)速電機，通過變頻器控制主軸電機的轉(zhuǎn)速變化，從而實現(xiàn)主軸的無級變速;
( 2) 主電機采用伺服主軸電機，通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)來控制主電機的旋轉(zhuǎn)速度。
變頻調(diào)速電機價格低廉，易于安裝，但由于調(diào)速電機的結(jié)構(gòu)特性，當電機調(diào)頻在基率以下時功率會急劇減小，因此一般只適用于較高轉(zhuǎn)速的加工情況，而伺服主軸電機則可以保證在較低轉(zhuǎn)速時依然有較高的輸出扭矩。
本文討論的 CKS5160 立式車床，工作速度一般為 50 ～ 100 r/min，而且切削量較大，變頻調(diào)速電機不能保證這種轉(zhuǎn)速的扭矩需求，因此主傳動系統(tǒng)中電機選用伺服主軸電機，然后通過底座變速箱放大扭矩實現(xiàn)低速高扭矩輸出。
1. 1. 2 主電機參數(shù)選擇
功率和扭矩是電機的基本參數(shù)。首先根據(jù)待加工的零件材料類型、切削深度、切削速度及進給量等相關(guān)參數(shù)計算切削力，然后根據(jù)機床最大的加工直徑計算出切削扭矩，繼而得出機床的主傳動功率。然后根據(jù)計算出的扭矩、功率、主軸工作轉(zhuǎn)速，以及底座變速箱的齒數(shù)比來選擇電機［3］。切削力及切削功率的計算公式如下:
車削時切削力及功率公式中的系數(shù)和指數(shù)見表1，這些參數(shù)是在一定的試驗條件下得出的，若計算的實際條件與試驗條件不符，則還需要分別乘以相應(yīng)的修正系數(shù)［4］。
表 1 車削時切削力及功率公式中的系數(shù)和指數(shù)
1. 1. 3 主軸脈沖編碼器選擇
采用脈沖編碼器主要是為了實現(xiàn)切削螺紋功能，因此必須按照主軸的最高轉(zhuǎn)速來選擇。選擇時在滿足功能要求的基礎(chǔ)上還要盡量考慮到經(jīng)濟實用。本文選擇的是長春博辰光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 BC38S 系列增量式脈沖光電編碼器。
1. 2 橫向進給傳動系統(tǒng)
1. 2. 1 相關(guān)參數(shù)計算
立式車床橫向進給系統(tǒng)如圖 3 所示。
圖 3 立式車床橫向進給系統(tǒng)示意圖
根據(jù)具體切削時的切削速度、進給量、工件最大直徑可計算出滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速、絲杠壽命及最大動載荷［5］，根據(jù)最大動載荷可查閱相關(guān)滾珠絲杠的選型樣本進行選擇，然后再根據(jù)絲杠副的傳動效率進行剛度及穩(wěn)定性校核。
1. 2. 2 電機選擇
確定滾珠絲杠后，可根據(jù)車床本體、絲杠轉(zhuǎn)動慣量、切削速度、絲杠尺寸參數(shù)來計算電機所需扭矩，從而選擇電機［6］
根據(jù)以上各式可計算出所需轉(zhuǎn)矩，計算出相關(guān)參數(shù)后即可確定電機類型。
1. 3 縱向進給傳動系統(tǒng)
縱向進給傳動系統(tǒng)設(shè)計與橫向進給傳動系統(tǒng)相似，電機通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲桿移動，從而實現(xiàn)刀架在垂直方向上的上下運動。所不同的是由于是在垂直方向上運動，為了防止忽然斷電、掉刀或其他特殊情況發(fā)生時出現(xiàn)事故，縱向電機需要帶抱閘功能。
1. 4 數(shù)控系統(tǒng)
至此，數(shù)控系統(tǒng)基本部件的選擇已經(jīng)完成。根據(jù)工件的材料、切削速度、切削量等因素，確定切削力、最大扭矩，再由切削力確定主電機的功率，并選擇與主電機相關(guān)的元器件; 然后根據(jù)進給速度、切削力的大小確定滾珠絲杠并進行校驗; 選定滾珠絲桿后，根據(jù)整體的轉(zhuǎn)動慣量、進給速度及使用壽命等進一步確定電機的相關(guān)參數(shù)，最后確定進給電機的型號。
由于數(shù)控立式車床加工的零部件一般精度要求較低，因此控制系統(tǒng)大多選用開環(huán)控制。數(shù)控系統(tǒng)需要能夠控制三個軸，其中包括兩個進給軸和一個主軸，同時伺服的功率范圍應(yīng)適合于已經(jīng)確定的電機，并且系統(tǒng)要運行速度快、安裝方便、性能穩(wěn)定、價位合理，很多機械設(shè)備廠家都選擇西門子 808D 車削系統(tǒng)作為立式車床的數(shù)控系統(tǒng)。
2 、控制系統(tǒng)功能
808D 車削控制系統(tǒng)主要控制主軸轉(zhuǎn)速系統(tǒng)、X軸進給系統(tǒng)、Z 軸進給系統(tǒng)，根據(jù)西門子 808D 調(diào)試手冊，數(shù)控系統(tǒng)配置如圖 4 所示
圖 4 數(shù)控系統(tǒng)配置
2. 1 主軸控制系統(tǒng)
立式車床主軸帶動工作臺旋轉(zhuǎn)，工作臺上安裝四爪卡盤或?qū)Ｓ脢A具固定工件，通過車刀的水平、垂直進給來完成對零件的切削。為了實現(xiàn)車削螺紋功能，需準確傳輸主軸的角位移信號，同時還要保證編碼器的運行平穩(wěn)，因此將編碼器與主軸通過小型聯(lián)軸器同軸安裝。
根據(jù)控制主軸旋轉(zhuǎn)方向的不同方式，可以分為單極性主軸和雙極性主軸兩類，下面以單極性主軸為例，說明其主要連接方式［7］。X54 為主軸模擬量接口，AO 和 AGND 引腳輸出0 ～ 10V 模擬量電壓信號來控制主軸的轉(zhuǎn)速。快速輸入/輸出接口 X21 的信號用于控制正反轉(zhuǎn)向，接口X60 用于接收主軸編碼器的信號，從而協(xié)調(diào)主軸轉(zhuǎn)速和 X 軸、Z 軸進給量，實現(xiàn)螺紋加工。
主軸編碼器接口先連接主軸伺服驅(qū)動器后再連接面板 X60［8］，如圖 5 所示，雙極性主軸連接方式在調(diào)試手冊中有詳細說明。
2. 2 進給系統(tǒng)
立式車床控制的電機除主軸電機外，還包括另外兩個進給電機。進給系統(tǒng)包括 X 軸進給及 Z 軸進給，在面板控制單元中，X51、X52、X53 接口是脈沖驅(qū)動接口，用于連接到進給電機伺服驅(qū)動器。其他如X10 為手輪輸入，X54 為模擬量主軸接口，X2 為ＲS232 接口，X30 用于連接 MCP 的 USB 接口，X1 為電源接口等。面板控制單元接口布局( 后視圖) 如圖6 所示，接口見表 2。
圖 5 單極性主軸連接示意圖
圖 6 面板控制單元接口布局( 后視圖)
表 2 面板控制單元( PPU) 接口
2. 3 其他
其余如冷卻、刀架等相關(guān)輔助功能都是標準連接，在調(diào)試手冊中有詳細講解。需要注意的是: 西門子數(shù)控系統(tǒng)在出廠時都配置有相應(yīng)的樣例 PLC 程序［9 － 11］，相應(yīng)的 PLC 輸入輸出點已經(jīng)定義完成，設(shè)計控制線路時需要據(jù)此連接才能保證軟硬件的配合。其他如電源、變壓器、必要的繼電器連接等，大多在單獨的電器柜中。
3 、結(jié)束語
隨著企業(yè)對零件加工精度和生產(chǎn)效率要求的日益提高，在汽車輪轂、電機殼、鑄件粗精加工等行業(yè)，數(shù)控立式車床比臥式的設(shè)備更加適合于流水線作業(yè)，同時還具有成本低、效率高、裝夾方便等特點，目前許多企業(yè)如江西特種電機股份有限公司、湖南天能電機制造有限公司等企業(yè)都已逐步采用數(shù)控立式車床來替代原有的加工設(shè)備，并取得了良好的生產(chǎn)效益。國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)在基本的功能和運用上沒有太大的區(qū)別，由于立式車床多用于粗加工，一般所處生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣，機床對系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性要求比較高。
在同等價位的前提下，西門子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性有明顯優(yōu)勢，加之模塊化設(shè)計及強大的擴展功能，使得西門子系統(tǒng)在許多經(jīng)濟型數(shù)控設(shè)備中被廣泛使用。
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