數(shù)控車床進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型與改造
2022-5-6 來(lái)源： 榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 林學(xué)院 作者：王 海
摘要：某中職學(xué)校一臺(tái) ＣＫ－６１４０數(shù)控車床伺服系統(tǒng)電氣元器件開(kāi)始老化、性 能 變 差、控制技術(shù)已經(jīng)落后，經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)等故障，從而造成加工工件報(bào)廢。因此，對(duì)該車床伺服系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，以還原車床功能，滿足工件加工要求。
關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；伺服系統(tǒng)；改造
０、 引言
隨著機(jī)加工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，許多老舊數(shù)控機(jī)床長(zhǎng)期工作導(dǎo)致性能變差，控制技術(shù)落后，有的甚至不能工作。通過(guò)對(duì)數(shù)控車床的改造，可以用較少的投入、較短的周期改善機(jī)床的使用性能和功能，同時(shí)節(jié)約設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)。因此，本文著重介紹數(shù)控車床進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型與改造，對(duì)今后機(jī)床的伺服系統(tǒng)改造有著積極的意義。
１、 進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)的性能要求
數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與車床執(zhí)行部件的樞紐，數(shù)控車床性能的好壞在很大程度上是由進(jìn)給伺服裝置性能決定的，所以，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的開(kāi)發(fā)和研究是本次數(shù)控車床改造的關(guān)鍵技術(shù)之一。
進(jìn)給伺服系統(tǒng)是通過(guò)編程指令或機(jī)床操作而生成脈沖指令，經(jīng)過(guò)一系列處理反饋，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床刀具位置和運(yùn)動(dòng)速度的控制系統(tǒng)。它一般由位置控制、速度控制、伺服電動(dòng)機(jī)、檢測(cè)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，系統(tǒng)的組成如圖１所示。
圖１ 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成
進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的高低決定著數(shù)控車床質(zhì)量的好壞，所以，數(shù)控車床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)各部件都有很高的要求，具體有以下幾點(diǎn)：①調(diào)速范圍寬；②輸出位置度高；③穩(wěn)定性好；④動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；⑤負(fù)載特性要硬；⑥響應(yīng)速度快且無(wú)超調(diào)；⑦高性能電動(dòng)機(jī)；⑧伺服系統(tǒng)
的可靠性高，使用方便，維修購(gòu)買(mǎi)成本低。
２、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分類以及選擇
數(shù)控車床的控制形式有開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種，閉環(huán)控制又分為半閉環(huán)和全閉環(huán)控制。
（１）開(kāi)環(huán)控制伺服 系 統(tǒng)：該控制系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置，驅(qū)動(dòng)元件大部分選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，被廣泛應(yīng)用于精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，如圖２所示。
圖２ 開(kāi)環(huán)控制伺服系統(tǒng)框圖
（２）半閉環(huán)控制伺 服 系 統(tǒng)：檢測(cè)反饋裝置裝到伺服電動(dòng)機(jī)的非輸出軸端上，調(diào)試方便，可以獲得比較穩(wěn)定的控制特性，如圖３所示。
圖３ 半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)框圖
（３）全閉環(huán)控制伺 服 系 統(tǒng)：位置檢測(cè)裝置被裝在車床工作臺(tái)上，調(diào)試時(shí)，其系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)很難達(dá)到，如圖４所示。
圖４ 全閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖
通過(guò)分析上述各進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，為了提高進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能以滿足對(duì)車床加工精度的要求，本次數(shù)控車床改造選擇半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。
３、ＣＫ－６１４０進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)
３．１ 數(shù)控車床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀
３．２ 確定進(jìn)給伺服系統(tǒng)的改造方案
３．２．１ 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置的選擇
進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置的選擇與數(shù)控裝置的選擇是密不可分的，所以選擇進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置必須參考已選擇的數(shù)控裝置。進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置的選擇需要考慮各動(dòng)軸的進(jìn)給速度、工件的加工精度、加工范圍、傳動(dòng)方式等。目前大部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家都提供與自家生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)相匹配的進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所以，數(shù)控系統(tǒng)選擇完畢后，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置也基本確定了。
選擇進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置除了考慮上面因素外，還應(yīng)考慮以下幾方面：
（１）經(jīng)濟(jì)性：所選的驅(qū)動(dòng)裝置性價(jià)比要高。
（２）穩(wěn)定性：能保證無(wú)故障時(shí)間比較長(zhǎng)。
（３）可靠性：選擇的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置安全性一定要有保障。
（４）可操作性：驅(qū)動(dòng)裝置易于操作，便于維護(hù)。由于原車床的 Ｘ、Ｚ 軸的電動(dòng)機(jī)和Ｘ 軸的驅(qū)動(dòng)器都已經(jīng)不能工作，Ｚ 軸的驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行又不穩(wěn)定，同時(shí)原車床系統(tǒng)是廣州數(shù)控系統(tǒng)，考慮到性能的匹配，選用了廣州數(shù)控設(shè)備有限公司的進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)以及進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)器。
３．２．２ 伺服電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算
（２）伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的選擇。改造之前，Ｘ 軸電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為５Ｎ·ｍ，Ｚ 軸電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為７．７Ｎ·ｍ，本次改造，Ｘ 軸和Ｚ 軸的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩不能小于原電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。所以，本次改造Ｘ 軸選擇額定轉(zhuǎn)矩≥５Ｎ·ｍ 的伺服電動(dòng)機(jī)，Ｚ 軸選擇額定轉(zhuǎn)矩≥７．７Ｎ·ｍ的伺服電動(dòng)機(jī)。
根據(jù)上面對(duì)伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩和伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的選擇，再根據(jù)ＣＫ－６１４０數(shù)控車床的技術(shù)參數(shù)，最終Ｘ 軸和Ｚ 軸分別選用廣州數(shù)控設(shè)備有限公司的１３０ＳＪＴ－Ｍ０６０Ｄ和１３０ＳＪＴ－Ｍ１００Ｄ型伺服電機(jī)。所選電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表１。
表１ 電機(jī)參數(shù)表
３．２．３ 伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇
伺服驅(qū)動(dòng)單元是控制伺服電機(jī)高精度定位系統(tǒng)的一種設(shè)備。當(dāng) Ｘ 軸和Ｚ 軸的電動(dòng)機(jī)選取好后，我們根據(jù)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)的相關(guān)要求來(lái)選擇伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇必須要與伺服電動(dòng)機(jī)相匹配，即以過(guò)載倍數(shù)作為參考值，電流匹配為原則。為了能使伺服放大器和所選伺服電動(dòng)機(jī)完全匹配，必須要滿足下列幾點(diǎn)要求：
如果伺服進(jìn)給系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和動(dòng)態(tài)時(shí)間響應(yīng)都很高時(shí)，那么過(guò)載倍數(shù) Ｋ 也選擇一個(gè)較大值。一般盡可能選擇過(guò)載倍數(shù)≥２，這樣伺服進(jìn)給系統(tǒng)的性能比較好。根據(jù)上面條件和《ＤＡ９８Ａ 交流伺服驅(qū)動(dòng)單元使用手冊(cè)》，Ｘ 軸和Ｚ 軸伺服驅(qū)動(dòng)單元都可以選配 ＤＡ９８Ａ－３０＊驅(qū)動(dòng)器。
３．２．４ 工作電源
為了降低電源、電磁場(chǎng)干擾對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的影響，我們可以運(yùn)用隔離變壓器給伺服驅(qū)動(dòng)器供電。而隔離變壓器的選擇，應(yīng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的額定容量、負(fù)荷率和占載率來(lái)決定：當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)額定功率≥１ｋＷ 時(shí)，只能選用三相隔離變壓器供電；當(dāng)單個(gè)軸時(shí)，取隔離變壓器容量大于等于伺服電動(dòng)機(jī)額定功率的８０％為宜，客戶可以在伺服電動(dòng)機(jī)額定功率的７０％～１００％之間選取隔離變壓器容量；當(dāng)兩個(gè)軸以上時(shí)，取隔離變壓器容量大于等于總伺服電動(dòng)機(jī)額定功率的７０％為宜，客戶可以在總伺服電動(dòng)機(jī)額定功率的６０％～８０％之間選取隔離變壓器容量。
本文中，Ｘ 軸的伺服電動(dòng)機(jī)功率為１．５ｋＷ，Ｚ 軸的伺服電動(dòng)機(jī)功率為２．５ｋＷ，取總伺服電動(dòng)機(jī)功率的７０％為隔離變壓器容量，則 （１．５＋２．５）×７０％ ＝２．８ｋＷ，因此選用容量為 ３．０ｋＷ 的 伺 服 隔 離 變 壓器。隔離變壓器規(guī)格見(jiàn)表２。
根據(jù)以上 要 求，ＤＡ９８Ａ－３０＊ 驅(qū)動(dòng)單元的工作電源選擇型號(hào)為 ＢＳ－３００的隔離變壓器。
表２ 隔離變壓器規(guī)格表
4、結(jié)束語(yǔ)
數(shù)控車床進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造研究，就是利用進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能要求來(lái)合理選擇 ＣＫ－６１４０數(shù) 控車床的伺服控制系統(tǒng)、伺服電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器以及工作電源。通過(guò)本次對(duì)車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的改造，不僅讓閑置的機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，而且大大提升了車床的進(jìn)給速度、工件的加工精度和加工范圍。
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