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如何選擇立式車床的數控係統配置與選（xuǎn）型（xíng）

2017-12-20 來源：西南林業（yè）大學機械與交通學院作者（zhě）：易偉，楊潔

問：怎樣（yàng）立式車床的數控係（xì）統配置與選（xuǎn）型？

答：

隨（suí）著我國汽車、高鐵、電機等行業的發展，汽車輪轂（gū）、電機殼等中大型盤類零件的需求越來（lái）越多，在（zài）傳統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（jī）床生產企業為順應市場的需求，設計製造了多種（zhǒng）立式加工設備，極大地減少了裝夾時間（jiān），提高了加工精度和生（shēng）產效（xiào）率。

數控立式車床在保留原有普（pǔ）通立（lì）式車床大部（bù）分主體結構的前（qián）提（tí）下取消了進給係統，將原進給（gěi）傳動係統改為使用伺服電機直接（jiē）連（lián）接滾珠絲杠帶（dài）動車（chē）床本體運動; 保持原有的底座變速箱結構不變，將（jiāng）主電機由普通電機改為伺服主軸電（diàn）機（jī），同時在（zài）主軸底部安裝有編碼器，以實（shí）現無級變速和螺紋切削功能（néng）; 重新設計了滑動本體結構，在本體上安裝多（duō）工位電動刀台，從（cóng）而可實現根據數控程序自動換（huàn）刀等功能1］。

本文以 CKS5160 數控立式車床為例對機床電機的選型及數控係統的基本功能進行闡述。該設備通過控製伺服主軸電機來（lái）實現工作台（tái）的無級調速，控（kòng）製 X、Z 軸的交流伺服電機實現（xiàn）刀具的進給，同時（shí）針對工藝要求，調用 PLC 子程序實（shí）現對電動刀台、液（yè）壓係統的控製，粗、精加工可自動換刀並自動調整夾具的液壓夾緊力（lì）。機床外形結構如圖 1 所（suǒ）示。

圖 1 機床外形結構

1 、控製係統（tǒng）構成

機床控製係統（tǒng）可控製和保（bǎo）證（zhèng）機械係統的良好運轉，確保設（shè）備的精度（dù）。因此控製係統、電氣元器件等必須以機械係統結構（gòu）為依托進行選擇。

1. 1 傳動係統部件選（xuǎn）型

機床（chuáng）傳動係統簡圖如圖 2 所示。

圖 2 機床傳動係統簡圖

1．主電機; 2．底座主軸變（biàn）速箱; 3．主軸（zhóu）; 4． X 軸電機;5． Z 軸電機; 6．車床（chuáng）本（běn）體; 7．滑枕

立（lì）式車床主要包括底座、橫梁、立柱、滑枕（zhěn）、滑動本體（tǐ）、升降箱體等部（bù）件，傳動控製係統分為底座主傳動係統、X 軸進給係統、Z 軸進給係統三部分。

1. 1. 1 主電機類型選擇

數控立式車床主傳動係統（tǒng）由電機通過底座齒輪箱帶動主軸旋轉。為了保證加工過程中工件質量的一致性，需要（yào）保證恒線速度切削加工（gōng），即必（bì）須保（bǎo）證數控係統能（néng）夠對電機進（jìn）行無級調速; 同時為了保證車床有車削螺紋的功能，需要通過係統來協調工作台轉速與螺紋車刀之間的進給關（guān）係，因此在主軸底部安裝有光電式脈衝編碼器，通過編（biān）碼器將主（zhǔ）軸角位（wèi）移信（xìn）號傳遞給數控係統，數控係（xì）統對信（xìn）號進行處理後，再（zài）將信號傳送到進給電機，從而實現協調主軸轉速與（yǔ）進給量的目的［2］

。

為實現主軸的無級變速，有以下兩種方案可供選擇:

1) 主電機采用變（biàn）頻調速電機，通過（guò）變頻器控製（zhì）主軸電機的轉速變化，從而實現主軸的無（wú）級變速;

( 2) 主電機采用伺服主軸電機，通過伺服驅動係統來控製主電（diàn）機的旋轉速度。

變頻調速電機價格低廉（lián），易於安（ān）裝，但由於調速（sù）電機的結構特性（xìng），當電機調頻在基率（lǜ）以下時功率會急（jí）劇減小，因此一般隻適用於較高轉速的加工（gōng）情況，而伺服主軸電機則（zé）可以保證在較低轉速時依然（rán）有較高的輸出扭矩。

本文討論的 CKS5160 立式（shì）車床，工作速度一般為 50 ～ 100 r/min，而（ér）且切削量較大，變頻調速電機不能（néng）保（bǎo）證這種轉速的扭矩需求，因此主傳動係統中電機選用伺服主軸電機（jī），然後通過（guò）底座變速箱放大（dà）扭矩（jǔ）實現低速高扭矩輸出。

1. 1. 2 主電機參數選擇

功率和扭矩是電機的基本參（cān）數。首先根（gēn）據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參數計算切削力（lì），然後根據機床最大的加工直徑計算出切（qiē）削扭矩，繼而得出機（jī）床的主傳動功率。然後（hòu）根據計（jì）算出的扭矩、功率、主軸工（gōng）作轉速，以及底座變速箱的（de）齒數（shù）比來選擇電機［3］。切削力及切削功率（lǜ）的計算公式如下:

車削時（shí）切削力及功率公式中的係數和指數見表1，這些參數是在一定的試驗條（tiáo）件下得出的，若（ruò）計算的實際條件（jiàn）與試驗條件不（bú）符，則還需（xū）要分別乘以相應的修正係數［4］。

表 1 車削時切削力及功率公式中的係數（shù）和指數

1. 1. 3 主軸脈衝編碼器選擇（zé）

采用脈衝編碼器主要是（shì）為了實現切削螺紋功能，因此必須按照主軸的最高轉速來選擇。選擇（zé）時在滿（mǎn）足功能要求的基礎（chǔ）上還（hái）要盡量考慮（lǜ）到經濟實用。本文選擇的是（shì）長春博辰光電技術有限公司生產的 BC38S 係列（liè）增量式脈衝光電編碼器。

1. 2 橫向進給傳動係統（tǒng）

1. 2. 1 相關參數計算

立（lì）式車（chē）床橫向進給係統如圖 3 所示。

圖 3 立式車床（chuáng）橫向進給係統示意圖

根據具體切削（xuē）時的切削速度、進給量、工件（jiàn）最大直徑可計算出滾珠絲杠的轉速、絲杠壽命（mìng）及（jí）最大（dà）動載荷［5］，根據最大（dà）動載荷可查閱相關滾珠絲杠的（de）選型樣本進行選擇，然後再根據絲杠副的傳動效（xiào）率進行剛度（dù）及穩定性校核。

1. 2. 2 電機選擇

確定滾珠絲杠後，可根據車床本體、絲杠轉動慣量（liàng）、切削速度、絲杠尺寸參（cān）數來計算電機所需扭矩，從而選擇電機（jī）［6］

根據以上各式可計算出所需轉（zhuǎn）矩，計算（suàn）出相關參數（shù）後即（jí）可確定電機類型。

1. 3 縱向進給傳動係統

縱向進給傳動（dòng）係統設（shè）計與橫向進給傳動係統相似，電機通過聯軸（zhóu）器帶動滾珠絲（sī）杆移動，從（cóng）而實（shí）現刀（dāo）架在垂直方向上的上下運動。所不同的是由於是（shì）在垂直方向（xiàng）上運動，為了防止忽然斷電、掉（diào）刀或其他（tā）特殊情況發生（shēng）時出現事故，縱向電機需要帶抱（bào）閘（zhá）功能。

1. 4 數控係統

至此，數控（kòng）係統基（jī）本部件的選（xuǎn）擇已經完成。根據工件的材料、切削（xuē）速度、切削量等因素，確定切（qiē）削力、最大扭矩，再由切削（xuē）力確（què）定主電機的功率，並選擇與主電（diàn）機相（xiàng）關的元器（qì）件（jiàn）; 然後根據（jù）進給速度、切削力（lì）的大小確定滾珠絲杠並進行校驗; 選定滾珠絲杆後，根據整體的轉（zhuǎn）動慣量、進給速度（dù）及使用壽命等進一步確定（dìng）電機的相（xiàng）關參數，最後確定進給（gěi）電（diàn）機的型號。

由於數控立式車床加工（gōng）的零部件一般精度要求較低，因此控製係統大（dà）多選用開環控製。數控（kòng）係統需要能夠控製三個軸，其中包括兩個進給軸（zhóu）和一個主軸，同時伺服的（de）功率範圍應適合於已經確（què）定的電機，並且係統要運行速度快、安裝方便、性能穩定、價位合理，很多機械設備廠家都選擇西門子 808D 車削係統作為立（lì）式車（chē）床的數控係（xì）統（tǒng）。

2 、控製係統功能

808D 車削控製係統主要控製主軸轉速係（xì）統、X軸進（jìn）給係統、Z 軸進（jìn）給係（xì）統，根據（jù）西門子 808D 調試手冊，數控係統配置如圖 4 所示（shì）

圖 4 數控係統配置

2. 1 主（zhǔ）軸控製係統

立式車床主軸帶動工作台旋轉，工作台上（shàng）安裝四爪卡盤或專用夾具固定工件，通過車刀的水（shuǐ）平、垂直進給來完成對零件的切削。為了實現車削螺紋功能，需準確傳輸主軸的角位移信號（hào），同時（shí）還（hái）要（yào）保證編碼器的運（yùn）行平穩，因此將編碼器與（yǔ）主軸通過小型聯軸器同軸（zhóu）安裝。

根據控製主軸（zhóu）旋轉（zhuǎn）方向的不同方式，可以分為單極性主軸和雙（shuāng）極性主軸兩類，下（xià）麵以單（dān）極性主軸為例，說明其主（zhǔ）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（hào）來控製主軸（zhóu）的轉速。快速輸入/輸出接口 X21 的信號用於控製正反轉向，接口X60 用於接收主軸編碼器的信號，從而（ér）協調主軸轉速和 X 軸、Z 軸進給量，實現（xiàn）螺（luó）紋加工。

主軸編碼器接口先連接主軸（zhóu）伺服驅動器後再連接麵板 X60［8］，如圖 5 所示，雙極（jí）性主軸連接方式在（zài）調（diào）試手冊中有詳細說明。

2. 2 進給係統

立式（shì）車床控製的電機除主軸（zhóu）電機外，還包括另外兩個進給電機。進給係統包括 X 軸進給及 Z 軸（zhóu）進給，在麵（miàn）板控製單元中，X51、X52、X53 接口是脈衝驅動接口，用於連接到進給電（diàn）機伺服驅（qū）動（dòng）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 用於連接 MCP 的 USB 接口，X1 為電源接口等。麵板控（kòng）製單元接口布局( 後視圖) 如圖6 所示，接（jiē）口見表 2。

圖 5 單極性主軸連接示意圖

圖 6 麵板控製單元接口布局( 後視圖)

表 2 麵板控製單元( PPU) 接口（kǒu）

2. 3 其他

其餘如冷卻、刀架等相（xiàng）關輔助功能都是標準連接，在調試手冊中有詳細（xì）講解。需要注意的（de）是（shì）: 西門子數控係統在出廠（chǎng）時都配置有相（xiàng）應的樣（yàng）例 PLC 程序［9 － 11］，相應的 PLC 輸入輸出點已經（jīng）定義完成（chéng），設計控製線路時需要據此連接才能保證軟硬件（jiàn）的（de）配合。其他（tā）如電源、變壓（yā）器、必要的繼電器連接等（děng），大多在單獨的電器（qì）櫃中。

3 、結束語

隨著企業對零件加工精度和生產效率要求的日益提高，在汽車輪轂、電機殼、鑄件（jiàn）粗（cū）精加工等行業，數控立式車床比臥式的設備更加適合於流水線作業，同時還具有成本低、效率高、裝夾方便等特點，目前許（xǔ）多企業（yè）如江西特種電機股份有限公司、湖南天能電（diàn）機製造有限公司（sī）等企業（yè）都已逐步采用數控立式車床來替代原有的加工設備，並取得了良好的生產效益。國內外數控係統在基本的功能和運（yùn）用上沒有太大的區別，由於（yú）立式車（chē）床多用於粗加（jiā）工，一般所處生產環境比較惡劣，機床對係統的抗幹擾（rǎo）性（xìng）和（hé）穩定性要求比較高。

在同等價位的前提下（xià），西門子係（xì）統的穩定（dìng）性（xìng）和（hé）抗幹擾性有（yǒu）明顯優勢，加之模塊化（huà）設（shè）計及強大的擴（kuò）展功能，使得西門子係統（tǒng）在許多經濟型數控設備中被廣泛使用。

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