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立（lì）式車床的數控係統配置與選型

2017-12-20 來源（yuán）：西南林業大學機械與交通學院作者：易（yì）偉，楊潔

摘要: 以西門子 808D 係統在立式（shì）車床的應用為例，從軟（ruǎn）硬件兩個方麵闡述了立（lì）式車床傳動的功能布局及控製係統的作用，並對係統配置選（xuǎn）型（xíng）時所（suǒ）采用的計算方法及相關步驟進行了闡述。

關鍵詞: 立式車床; 數控係統; 配置; 選型

隨著我國汽（qì）車、高鐵、電機等（děng）行業（yè）的發展，汽車輪轂、電機殼等中大型盤類零件的（de）需求越來越多，在傳統加工中一般使用中大型的臥式車床，其缺陷是（shì）裝夾工件不便（biàn），精度及加工效率低。

因此許多機床（chuáng）生產企業為順應市場的需求，設計（jì）製造了多種立式加工設備，極大地減少了（le）裝（zhuāng）夾時間，提高（gāo）了加工精度和生產效率。

數控立式（shì）車床在保留（liú）原（yuán）有普通立式車床大部分主體結構的前提下（xià）取消了進給係統，將原進給傳（chuán）動係統改為使用伺服電（diàn）機直接連接滾珠絲杠帶動（dòng）車床本體（tǐ）運動; 保持原有的底座變速箱結構不變，將主電機（jī）由普通電機改為伺（sì）服（fú）主軸（zhóu）電（diàn）機，同時在主軸底部安裝有編碼器，以實現無級變速和螺紋切削（xuē）功能; 重新設（shè）計了滑（huá）動本體結構，在（zài）本體上安裝多（duō）工位電動（dòng）刀台，從（cóng）而可實現根據數控程序自動換刀等功能1］。

本文以 CKS5160 數控立式車床為例對機床（chuáng）電機的（de）選型（xíng）及數控係統的基本功能進行闡述。該設（shè）備通過控製伺服主（zhǔ）軸（zhóu）電機（jī）來（lái）實現工作台的無級調速，控製 X、Z 軸的交流伺（sì）服電機（jī）實現刀具的進給，同時針（zhēn）對工藝要求，調用（yòng） PLC 子程序實現對電動刀台、液（yè）壓（yā）係統（tǒng）的控製，粗、精（jīng）加工可自動換刀並自動調整夾具的液壓夾（jiá）緊（jǐn）力。機床（chuáng）外形結構如圖（tú） 1 所示。

圖 1 機床外形結構

1 、控製係統構成

機床控製係統可控製和保證（zhèng）機械（xiè）係統的良好運（yùn）轉（zhuǎn），確（què）保（bǎo）設（shè）備的精度。因此控製係統、電氣元器件等必須以機械係統結構為依托進行（háng）選擇。

1. 1 傳動係統部件選（xuǎn）型

機床（chuáng）傳動（dòng）係統（tǒng）簡圖如圖 2 所示。

圖（tú） 2 機床傳動係統簡圖

1．主電機; 2．底（dǐ）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（shì）車床主要包括（kuò）底座、橫梁、立柱、滑（huá）枕、滑動本體、升降箱體等部件，傳動控製係（xì）統分為底（dǐ）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（dòng）係統由電機通過底座（zuò）齒輪箱帶動（dòng）主軸旋轉。為了保證加工過程中工件（jiàn）質量的一致性，需要保證（zhèng）恒線速度切削加工，即必須保證數（shù）控係統能夠對電機進行無級調速; 同時為了保證車床有車削螺紋的功（gōng）能，需要通（tōng）過係統來協調工作台（tái）轉速與螺紋車刀之間的進給關係，因此在主軸底部安（ān）裝有光電式脈衝編碼器，通過編碼器將主（zhǔ）軸角位移（yí）信（xìn）號傳遞給數（shù）控係統，數控係（xì）統對信號進行處理後，再將（jiāng）信號傳送到進給電機，從（cóng）而實現協調主（zhǔ）軸轉速與進給量的目的［2］

。

為實現主軸（zhóu）的無級變速，有（yǒu）以（yǐ）下兩種方案可供選擇:

1) 主電機采用變頻調速電機，通過變頻（pín）器（qì）控製（zhì）主軸電機的轉速變化，從而實現主軸的（de）無級變速;

( 2) 主（zhǔ）電機采用伺服主（zhǔ）軸電機，通過伺服驅動係（xì）統來控製主（zhǔ）電（diàn）機的旋轉速度。

變（biàn）頻調速電（diàn）機價格低廉，易於安（ān）裝，但由於（yú）調速電機的結（jié）構特性，當電機調頻在基率以下時功率會急劇減（jiǎn）小，因（yīn）此一般隻適用於較高轉速的加工情況（kuàng），而伺服主軸（zhóu）電機則可以保證在較低轉（zhuǎn）速時依然有較高（gāo）的輸出扭矩。

本文討論的 CKS5160 立式（shì）車床（chuáng），工作速度（dù）一般為 50 ～ 100 r/min，而（ér）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，因此主傳動係統中電（diàn）機選用伺服主軸電機，然後通過底座變速箱放大扭矩實現低速高扭矩輸（shū）出。

1. 1. 2 主電機參數選擇

功率和扭矩是電機的基本參數。首先（xiān）根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（xiàng）關參數計算切削力，然後（hòu）根據機（jī）床最大的加工直徑（jìng）計算出切削扭矩，繼而得出機床的主傳動功率。然後根據計算出的扭矩、功率、主軸工（gōng）作轉速，以及底座變速（sù）箱的齒數比來選擇電機［3］。切削力（lì）及切削功率的計算公式如下:

車削（xuē）時切（qiē）削力及功率公式中的（de）係數和指數見表1，這（zhè）些參（cān）數是在一定的試驗條件下得出的，若計算的（de）實際條件與試驗條件不符，則還需要分別乘以相應的修正係數［4］。

表（biǎo） 1 車削時切削力及功率（lǜ）公式中的係（xì）數和指數

1. 1. 3 主軸脈衝（chōng）編碼器選擇

采用脈衝編碼器主要是為了實現切削螺紋功（gōng）能，因此必須按照主軸的最高轉速來選擇。選擇時在滿足功能要求的基礎上（shàng）還要盡量考慮到（dào）經（jīng）濟實用。本（běn）文選（xuǎn）擇的是（shì）長春博辰光電（diàn）技術有限（xiàn）公司生產的 BC38S 係列（liè）增量式脈衝光電編碼器。

1. 2 橫向（xiàng）進給傳動係統

1. 2. 1 相關參數計算

立式車床橫向進給係統如圖 3 所示（shì）。

圖 3 立式車床橫向進給係統示意圖

根據（jù）具（jù）體切削時的（de）切削速度、進（jìn）給量、工件最大直徑可計算出滾珠絲（sī）杠的轉速、絲杠壽（shòu）命及最大動載荷［5］，根據最大動（dòng）載荷可查閱相關滾珠絲杠的選型（xíng）樣本進行選擇，然後（hòu）再根據絲杠（gàng）副的傳動效率進行剛度及穩定性校核。

1. 2. 2 電機選擇

確定（dìng）滾珠絲（sī）杠後，可根（gēn）據車床本體、絲杠轉動慣量、切（qiē）削速度、絲杠尺寸參數來計（jì）算電機所需扭矩，從而選擇（zé）電機［6］

根據以上各式可計算出所需轉矩，計算出相關（guān）參數後即可確定電機類型。

1. 3 縱向進給（gěi）傳動係統

縱向進（jìn）給傳動係統設（shè）計與橫向進給傳動係統相似，電機通過聯軸（zhóu）器帶動（dòng）滾珠絲杆移動，從而實現刀架在垂直方向上的上下運動。所不同的是由於是（shì）在垂直（zhí）方向上運（yùn）動（dòng），為了防止忽然斷電、掉刀或其他特殊情況發生時出現事故，縱向電機需要帶抱閘功能。

1. 4 數控係統

至此，數控係統（tǒng）基本部件的選擇已經完成。根據工件（jiàn）的材料、切削速度、切削量等因素，確定切削力、最（zuì）大扭矩，再由切削力確定主電機（jī）的功率，並選擇與主電機相關的（de）元器件; 然後根據進（jìn）給（gěi）速度、切削力的大小確定滾珠絲杠並進行校驗; 選定滾珠絲杆後，根據整體的轉動慣量、進給速度及使用壽命等進一步確定電機的相關參數，最後確定進（jìn）給（gěi）電機的型號。

由於數控立式車床加工的零部件一般精度要求較低，因此控製係統大多選用開環（huán）控製。數控係統需（xū）要能夠控製三（sān）個（gè）軸，其中（zhōng）包括兩個進給軸和一個主軸，同時伺服的功率範圍應適合於已經確定（dìng）的（de）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（xuǎn）擇西門子 808D 車削係統作為（wéi）立式車床的數控係統（tǒng）。

2 、控（kòng）製係統功（gōng）能

808D 車（chē）削控製（zhì）係統主要控製主軸轉速係（xì）統、X軸進給係統、Z 軸進給係統，根據西（xī）門子 808D 調試（shì）手冊，數控係統配置如圖 4 所示

圖 4 數控（kòng）係統配置

2. 1 主（zhǔ）軸（zhóu）控製係（xì）統

立式車床主軸（zhóu）帶動工作台（tái）旋轉，工作台上安裝四爪卡盤（pán）或專用夾具（jù）固定工件，通過車刀的水平、垂直進給來完（wán）成（chéng）對零件的切削。為了實現車削螺紋功能，需準確傳輸（shū）主（zhǔ）軸的角位移信號，同時還（hái）要保證編碼器的運行平穩，因此將編碼器與主軸（zhóu）通過小型聯軸器（qì）同軸安裝（zhuāng）。

根據控製主軸（zhóu）旋轉方向的不同方式，可（kě）以分為單極（jí）性主軸和雙極性主軸兩類，下麵以單極性主軸為例，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製主軸的轉速。快速（sù）輸入/輸出接口 X21 的（de）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，從而協調主軸轉速和 X 軸、Z 軸進給量（liàng），實（shí）現螺紋加工。

主軸編碼器接口先連接主軸伺服驅動器後再連接麵板 X60［8］，如圖 5 所示，雙極性主軸連接方（fāng）式在調試手冊中有詳細說明。

2. 2 進給係統

立式車床控製的電機除主軸電機外，還包括另外兩個進給電（diàn）機。進給係統包括 X 軸（zhóu）進給及 Z 軸進給，在麵板控製單元中，X51、X52、X53 接口是脈（mò）衝驅動接口，用於連接到進給電機伺服驅動器。其他（tā）如X10 為手輪輸入，X54 為模擬量（liàng）主（zhǔ）軸接口（kǒu），X2 為ＲS232 接口，X30 用於連接 MCP 的（de） USB 接口，X1 為電源接口等。麵板控製單元接口布局( 後視圖) 如圖（tú）6 所（suǒ）示（shì），接（jiē）口見表 2。

圖 5 單極性主軸連接示意圖

圖（tú） 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

2. 3 其他

其（qí）餘如（rú）冷卻、刀架等相關輔助功能都是標準連接，在調試手冊中有詳細講解。需要注意的是: 西門子數控係統在出廠時都配置有相應的樣例 PLC 程序［9 － 11］，相應的 PLC 輸入（rù）輸出點（diǎn）已經（jīng）定義完成，設（shè）計控製線路時需要據此連接才能保證軟硬件的配合。其他（tā）如電源、變壓器、必要的繼電器連接等，大多在單獨的電器櫃中。

3 、結束語

隨著企業對零件（jiàn）加工精度和生（shēng）產效率要求的日益提高，在汽車輪轂、電機（jī）殼、鑄件粗精加工（gōng）等行業（yè），數控立式車床比臥式的設備更（gèng）加適合於流水線作業，同時還具有成本低、效率高、裝夾（jiá）方便等特（tè）點，目前許多企（qǐ）業如江西特種電機股（gǔ）份有限公司、湖南天（tiān）能（néng）電機（jī）製造有限公司等企業都已逐（zhú）步采用（yòng）數控立式車床來替（tì）代原有（yǒu）的加工設備，並取得（dé）了良好的生產效益。國內外（wài）數控係統在基本的（de）功能和運用上沒（méi）有太大的區別，由於立式車（chē）床（chuáng）多用於粗加工，一般所處生（shēng）產環境比較惡劣，機床（chuáng）對係統的抗幹擾性和穩定性要（yào）求比較（jiào）高（gāo）。

在同等價位的前提（tí）下，西門子係統的穩（wěn）定性和抗幹擾性有明（míng）顯優勢，加之模塊化設計及強大的擴（kuò）展功能，使得西門子係統在許多經濟型數控設（shè）備中被廣（guǎng）泛使用（yòng）。

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