IMS 系列伺服控制器和TSM 系列交流異步伺服電機(jī)在齒輪機(jī)床上的應(yīng)用
2015-4-5 來源： 天津第一機(jī)床總廠 作者：杜鴻起
摘 要 本文介紹將IMS系列伺服控制器和TSM系列交流異步伺服電機(jī)的新技術(shù)應(yīng)用到齒輪機(jī)床，做為刀具主軸驅(qū)動的新方法。由此使數(shù)控銑齒機(jī)和數(shù)控插齒機(jī)刀具主軸的控制技術(shù)升級。1.實現(xiàn)了數(shù)控銑齒機(jī)用手輪脈沖發(fā)生器（簡稱“手脈”）控制刀具主軸調(diào)整找正刀具的功能，解決了銑齒機(jī)長期以來機(jī)械手動找刀的問題，提高了機(jī)床自動化程度和工作效率，降低了工人勞動強(qiáng)度。2.利用強(qiáng)勁轉(zhuǎn)矩特性、過載能力強(qiáng)的優(yōu)點，取消銑齒機(jī)原有的刀具主軸驅(qū)動掛輪箱，縮短機(jī)械傳動鏈，解決了機(jī)床噪音大、加工精度偏低的問題，降低了機(jī)床成本。3.利用低速大轉(zhuǎn)矩輸出、零速力矩鎖定、電機(jī)準(zhǔn)停功能實現(xiàn)數(shù)控插齒機(jī)刀具主軸上停功能和工件的準(zhǔn)確對刀，解決了插齒機(jī)機(jī)械抱閘裝置上停不可靠、機(jī)床維修不方便、工件對刀不準(zhǔn)確的問題。
一、引言
設(shè)計數(shù)控銑齒機(jī)、數(shù)控插齒機(jī)時考慮到機(jī)床成本，刀具主軸驅(qū)動一般不采用NC伺服模塊主軸驅(qū)動，而采用交流變頻器和變頻電機(jī)驅(qū)動。由于變頻電機(jī)的特性軟，需要靠機(jī)械傳動的升降速來滿足刀具主軸的轉(zhuǎn)速和帶載能力，造成機(jī)床的傳動鏈長，噪音大，累計誤差大，加工精度偏低。交流變頻器沒有”手脈”輸入接口，實現(xiàn)不了刀具主軸的“手脈”控制功能。變頻電機(jī)沒有零態(tài)轉(zhuǎn)矩和準(zhǔn)停功能，數(shù)控插齒機(jī)只能靠機(jī)械抱閘實現(xiàn)刀具主軸上停動作。現(xiàn)在急需一種新型低成本的控制元件做齒輪機(jī)床的刀具主軸驅(qū)動。
二、交流變頻控制與交流異步伺服控制做刀具主軸驅(qū)動的分析比較
1．控制功能的分析比較
從表一可以看出交流異步伺服電機(jī)安裝編碼器，控制器可對其位置、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行高精度控制，控制系統(tǒng)可實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩輸出，零速力矩鎖定功能，這些控制功能都是齒輪加工機(jī)床需要的，而交流變頻器無法實現(xiàn)。
2.交流變頻器與交流異步伺服的轉(zhuǎn)矩特性比較
從圖一可以看出，變頻驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性軟，需要靠機(jī)械傳動來滿足刀具主軸的運動要求。變頻器在低于5HZ時，電機(jī)有轉(zhuǎn)動死區(qū)，而交流異步伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性硬，低速大扭矩輸出，電機(jī)沒有轉(zhuǎn)動死區(qū)，最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的3倍。
3.成本分析比較
通過表二看出使用國產(chǎn)交流異步伺服控制器降低了機(jī)床成本。
三、IMS系列伺服控制器與TSM系列交流異步伺服電機(jī)在齒輪加工機(jī)床上的應(yīng)用實例及效果
1.實現(xiàn)數(shù)控銑齒機(jī)“手脈”控制刀具主軸調(diào)整找正刀具的功能數(shù)控銑齒機(jī)在精銑齒輪時，為保證齒輪加工精度，必須找正銑齒刀頭的刀高和徑向跳動在0.002以內(nèi)。
使用交流變頻器作刀具主軸驅(qū)動，沒有“手脈”輸入接口，低速轉(zhuǎn)動有死區(qū)，只能用機(jī)械手動調(diào)刀裝置實現(xiàn)調(diào)刀。以YK2232A機(jī)床為例（見圖二），轉(zhuǎn)動機(jī)械手輪，經(jīng)過208 — 207 — 32223齒輪傳動使刀具主軸轉(zhuǎn)動。人工手搖機(jī)械傳動部件找正銑齒刀，勞動量大，需要多半天時間，費時費力，效率低。再加上齒輪傳動間隙大，手搖有撞擊，運動不平穩(wěn)，調(diào)刀精度差，影響零件加工精度。
IMS 系列伺服控制器有“手脈”輸入接口，利用控制器的“脈沖控制”功能，用“手脈”控制刀具主軸的轉(zhuǎn)速及方向，還能準(zhǔn)停到位，實現(xiàn)銑齒刀的找正調(diào)整，調(diào)刀只需要1-2小時，效率高，勞動強(qiáng)度低。
（1）“手脈”功能的控制原理（圖三）、（圖四）
A．使用刀具主軸“手脈”功能進(jìn)行調(diào)刀時，接通操作面板按鍵，使輸出信號Q4.6=1，這時中間繼電器KA14、KA15同時吸合，KA14接通“手脈”使能X5，同時斷開速度到達(dá)信號Y3（為防止“手脈”搖動時，速度到達(dá)控制繼電器頻繁通斷損壞），中間繼電器KA15吸合，其開點使手輪脈沖發(fā)生器與主軸伺服控制器的JENC2端子連接。這樣就可以實現(xiàn)手輪脈沖發(fā)生器控制主軸的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速。
B．不使用刀具主軸“手脈”功能進(jìn)行調(diào)刀時:斷開操作面板按鍵，輸出點Q4.6=0，KA14、KA15 斷開，KA14 使“手脈”使能X5 復(fù)位，速度到達(dá)信號Y3有效，主軸使能由主軸伺服控制器JIN的端子X2、X3控制，主軸速度由系統(tǒng)給出的（0-10V電壓）的模擬量到主軸伺服控制器的JANO端子的AN0 和GND控制。這時KA15的閉點使手輪脈沖發(fā)生器與數(shù)控系統(tǒng)連接，從而控制系統(tǒng)的NC軸的運動。
（2）“手脈”調(diào)刀功能取得的效果
A．結(jié)束了銑齒機(jī)靠機(jī)械傳動手動調(diào)刀的歷史，實現(xiàn)了機(jī)床的自動化，增強(qiáng)了機(jī)床功能特性。
B．降低了工人勞動強(qiáng)度，提高工作效率5-6倍。
C．提高了找刀精度，保證了零件加工精度。
D．取消了機(jī)床原有的機(jī)械手動調(diào)刀裝置，降低成本4000元/臺，實現(xiàn)了機(jī)床的降本增效，提高了機(jī)床的市場競爭力。
E．刀具主軸“手脈”調(diào)刀功能已推廣到各系列的數(shù)控銑齒機(jī)上，為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
2. 取消YK2212A數(shù)控銑齒機(jī)刀具主軸驅(qū)動掛輪箱機(jī)械結(jié)構(gòu)，解決機(jī)床噪音大、加工精度偏低的問題
（1）原有刀具主軸機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)
YK2212A機(jī)床為滿足1.1吋~3.5吋銑齒刀盤的使用,保證變頻電機(jī)有很好的轉(zhuǎn)矩特性，克服變頻電機(jī)速度控制范圍小精度低的缺點，設(shè)計了刀具主軸驅(qū)動掛輪箱結(jié)構(gòu)（見圖五）。運動由變頻電機(jī)輸出, 經(jīng)弧齒錐齒輪1、2 和圓柱齒輪3-4-5-6-7-8-9-10-11 傳動，使刀具主軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速的改變由交換齒輪3和4及變頻電機(jī)的調(diào)速來完成。刀具主軸高速旋轉(zhuǎn)時，機(jī)床燥音很難控制到83dB以下，用戶意見大。而且傳動鏈長，故障率高，傳動累計誤差大，切齒精度不易保證，機(jī)床市場竟?fàn)師o優(yōu)勢。
（2）改進(jìn)后的刀具主軸機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)
選用TSM-1P5C22伺服電機(jī)和IMS-SCT41P5WG-NN伺服控制器做刀具主軸驅(qū)動，利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性硬，低速大轉(zhuǎn)矩輸出，過載能力強(qiáng)，速度控制范圍大精度高的特點，取消刀具主軸驅(qū)動掛輪箱結(jié)構(gòu)（取消弧齒錐齒輪1、2和圓柱齒輪3-4-5-6傳動）。由伺服電機(jī)輸出, 經(jīng)圓柱齒輪7-8-9-10-11 降速傳動，使刀具主軸旋轉(zhuǎn)，達(dá)到轉(zhuǎn)速要求。機(jī)床經(jīng)過重切試驗,，電機(jī)帶載能力完全滿足機(jī)床使用要求。
（3）取得的效果：
A．大大降低了機(jī)床噪音（800rpm運行時，由83dB以上降到70dB以下；400-500rpm運行時，機(jī)床燥音在65dB以下），改善了機(jī)床工作環(huán)境。是機(jī)床技術(shù)的重大突破。
B．機(jī)床切齒精度容易達(dá)到GB/T 11365-1989標(biāo)準(zhǔn)的5-6級，比原來提升1—2級，解決了原有機(jī)床切齒不容易合格的問題。
C．每臺機(jī)床降低成本2萬元，實現(xiàn)了機(jī)床的降本增效，提高了機(jī)床的市場競爭力。
D．成功經(jīng)驗正在推廣應(yīng)用到同類產(chǎn)品。
3. 實現(xiàn)數(shù)控插齒機(jī)刀具主軸上停動作和準(zhǔn)確對刀功能數(shù)控插齒機(jī)刀具主軸往復(fù)插削運動中一個特殊動作就是刀軸上停，其作用使插齒刀停在高出加工工件端面的固定位置，保證加工工件安全退出。尤其是插內(nèi)齒工件，上停動作更為必要。
（1）刀具主軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
YK58A刀具主軸運動（見圖六），由變頻電動機(jī)1輸出, 經(jīng)皮帶輪2、3 —齒輪4、5 —交換齒輪a、b（兩檔，滿足刀具主軸不同沖程要求）—曲柄連桿機(jī)構(gòu)6—扇形輪7傳動，使刀具主軸8上下往復(fù)運動。在皮帶輪3處安裝電磁離合器機(jī)構(gòu)（機(jī)械抱閘）。上停動作通過控制機(jī)械抱閘實現(xiàn)。機(jī)床傳動皮帶是易損件，定時要更換，更換皮帶必須將電磁離合器機(jī)構(gòu)先拆下再裝上。工人工作量很大，需要一天多的時間，不便于機(jī)床機(jī)械維修。切削工件時由于刀具主軸傳動慣性大，不易使刀具準(zhǔn)確停在對刀位置上。使用主軸伺服控制器后，取消了電磁離合器裝置，利用伺服控制器的電機(jī)準(zhǔn)停和準(zhǔn)停到位功能實現(xiàn)了刀具主軸上停動作。并且利用伺服控制器的零速伺服和零速到達(dá)的功能，使切削刀具能夠準(zhǔn)確停在工
件的對刀位置上。
（2）取得的效果：
A．實現(xiàn)了刀具主軸準(zhǔn)確上停動作，解決了機(jī)械抱閘上停不可靠的問題。
B．便于工件對刀，解決了因傳動慣性大不易使刀具準(zhǔn)確停在對刀位置上的問題。。
C．解決了機(jī)床的裝配和機(jī)械維修不方便的問題，降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。
D．降低了機(jī)床制造成本8000元/臺，實現(xiàn)了機(jī)床的降本增效，提高了機(jī)床的市場競爭力。
四、結(jié)束語
通過以上3個改進(jìn)實例說明，應(yīng)用IMS系列伺服控制器和TSM系列交流異步伺服電機(jī)新技術(shù)做齒輪機(jī)床的刀具主軸驅(qū)動，為數(shù)控銑齒機(jī)、數(shù)控插齒機(jī)的刀具主軸控制帶來了飛躍性的技術(shù)升級。不僅增加了機(jī)床功能特性，提高了機(jī)床自動化程度和工作效率，解決了機(jī)床的噪音大、零件加工精度偏低、機(jī)械維修不方便等問題，而且降低了機(jī)床制造成本和工人的勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)了機(jī)床的降本增效，提高了機(jī)床的市場競爭力。
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