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立式車床的數（shù）控係統配置與選型

2017-12-20 來源：西南林業大學機械與交通（tōng）學院作者：易偉，楊潔（jié）

摘要: 以西門子 808D 係統在立式車床的應用為例，從軟硬（yìng）件兩個方麵闡述了立式車床傳動的（de）功（gōng）能布局及控製係統的作用，並對係統配（pèi）置選型（xíng）時所（suǒ）采用的計算方法及（jí）相關步驟進行了闡述。

關鍵詞: 立式車（chē）床; 數控係（xì）統（tǒng）; 配置; 選型（xíng）

隨著我國汽車、高鐵、電機等行業的發展，汽車輪轂、電機殼等（děng）中大型（xíng）盤（pán）類零件（jiàn）的需求越來越多，在傳統加（jiā）工中（zhōng）一般使（shǐ）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（dī）。

因此許多機床生產（chǎn）企業為順應（yīng）市場的需求，設計（jì）製（zhì）造了多種（zhǒng）立式（shì）加工設備，極大地減少了裝夾時間，提高了加工精（jīng）度（dù）和生產效（xiào）率。

數控（kòng）立式車床在（zài）保留原有普通立式車床大部分主體結構的前（qián）提下取消了進（jìn）給係統，將（jiāng）原進給傳動係統改為使用伺服電（diàn）機直接連接滾珠絲（sī）杠帶動車床本體運（yùn）動; 保持（chí）原有的底座變速箱結構（gòu）不變，將（jiāng）主電機（jī）由普通電機改（gǎi）為伺服主軸電機，同時在主軸底部安裝有（yǒu）編碼器，以實現無級變速和螺紋切（qiē）削功能; 重（chóng）新設計（jì）了滑動（dòng）本（běn）體結構，在本體（tǐ）上安裝多工位電動刀台，從而（ér）可（kě）實現（xiàn）根據數控程序自動換刀等功能（néng）1］。

本文以 CKS5160 數控立式車（chē）床為（wéi）例對（duì）機床電機的選型及（jí）數控係統的基本功能進行闡（chǎn）述。該設備通過控（kòng）製（zhì）伺服主軸（zhóu）電機來實（shí）現工作台的無級（jí）調速，控製（zhì） X、Z 軸的交流伺服電機實現刀具的進給（gěi），同時針對工藝要求，調用（yòng） PLC 子程（chéng）序實現對電動刀台、液壓係統的控製，粗、精加工（gōng）可自動換刀並自（zì）動調整夾具的液壓（yā）夾緊力。機床外形結構如（rú）圖 1 所示。

圖（tú） 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機械係統的良（liáng）好運轉，確（què）保設（shè）備的精度。因此控製係（xì）統、電氣元器件（jiàn）等必須以機械係統結構為依托進行選擇。

1. 1 傳動係統部件選型

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．底座主軸變速箱; 3．主（zhǔ）軸; 4． X 軸電機;5． Z 軸電機; 6．車（chē）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（tǐ）、升降箱體等部件，傳動控製係統分為底座主傳動係（xì）統（tǒng）、X 軸進給（gěi）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由電機通過底座齒輪箱帶動主軸旋轉。為了保證加工過（guò）程中工件質量的一致性，需（xū）要保證恒（héng）線速度（dù）切削加工（gōng），即（jí）必須保證數（shù）控係統能夠對電機進行無（wú）級調速; 同時（shí）為（wéi）了保證車床有車削螺紋的（de）功能，需要通過係統來協調工作（zuò）台轉速與螺紋車刀之間的（de）進給關係，因此在主軸底部安裝有光電式脈衝編碼器，通過編（biān）碼器將主軸角位移信號傳遞給數控係（xì）統，數控係統對信（xìn）號進行處理後，再將信號傳送到進給電機，從而實現協調（diào）主軸轉速與進給量的目的［2］

。

為實現主（zhǔ）軸的無（wú）級變速，有以下兩種方（fāng）案可供選擇:

1) 主電機（jī）采用變頻調速電機，通過變頻器控製主軸電機的轉速變化，從而實現（xiàn）主軸的無級變速;

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

變頻調速（sù）電機價格低廉，易（yì）於安裝，但由於調速（sù）電機的結構特性，當（dāng）電機調（diào）頻在基率以下時功率會急劇減小，因（yīn）此一般隻適用於較（jiào）高轉速的加（jiā）工情況（kuàng），而伺服主軸電機則可（kě）以保證在較低轉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（sù）度一般為 50 ～ 100 r/min，而且切（qiē）削量較大，變頻調（diào）速電機不能保證這種轉速的扭矩需求，因此（cǐ）主（zhǔ）傳動係統（tǒng）中電機選用（yòng）伺服（fú）主軸（zhóu）電機，然後通過底座變速箱放大扭矩實現（xiàn）低速高扭矩（jǔ）輸出。

1. 1. 2 主電機參數選擇

功率和扭矩是電機的基本參數。首先根據待加工的零件材料類型、切削深度（dù）、切削速度及進給量等相關參數計算切削力，然後根據機（jī）床（chuáng）最大（dà）的（de）加工直（zhí）徑計算出切削扭矩，繼而得出機床的主傳動功（gōng）率。然後根據計算出的（de）扭矩、功率、主軸工作轉速，以及底座變速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:

車削時切削力及（jí）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件下得（dé）出的（de），若計算的（de）實際條（tiáo）件與試驗條件不符，則還需要分別（bié）乘以相應的修正（zhèng）係數［4］。

表 1 車削時切（qiē）削力及功率公式中的係數和指數（shù）

1. 1. 3 主軸脈衝編（biān）碼器選（xuǎn）擇

采用脈衝編（biān）碼器主要是為（wéi）了實現切削螺紋（wén）功能，因此必須按照主軸的最高轉速來選（xuǎn）擇。選擇時在滿足功能要求（qiú）的基礎上還要盡量考慮到經濟實用。本文選擇的是長春博辰光電技術有限公司生（shēng）產的 BC38S 係列（liè）增量式脈衝光（guāng）電編（biān）碼器。

1. 2 橫向進給傳動（dòng）係（xì）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。

圖 3 立（lì）式車床橫（héng）向進給係統示（shì）意圖

根據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速、絲杠壽命及最大動載荷［5］，根據最大（dà）動載荷可查閱相關滾（gǔn）珠絲杠的選型樣本進（jìn）行選（xuǎn）擇，然後再根據絲杠副的傳動效率進行剛度及穩定性校核。

1. 2. 2 電（diàn）機（jī）選擇（zé）

確定滾（gǔn）珠絲杠後，可根據（jù）車床本體、絲杠（gàng）轉動慣（guàn）量、切削速度、絲杠尺寸參數來計（jì）算電機所需扭（niǔ）矩，從而選（xuǎn）擇電機［6］

根據以上各式可計（jì）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 縱向進給傳動係統

縱向進給（gěi）傳動係統設（shè）計與橫向進給傳動係統相似，電機通過聯軸器帶動滾珠絲杆移動，從而實現（xiàn）刀架在垂直方向上的上下運動。所不（bú）同的是由（yóu）於是在垂直方向上運動，為了（le）防止忽然斷電、掉刀或（huò）其他特殊情況發（fā）生（shēng）時出現事（shì）故，縱向電機需要帶抱閘（zhá）功能（néng）。

1. 4 數控係統

至此，數控（kòng）係統（tǒng）基本部件的選擇已經完成。根據工件的材料、切削速度（dù）、切削量等因素，確定切削力、最大扭矩，再由（yóu）切削力確定主電機（jī）的功率，並選擇與主電（diàn）機相關（guān）的元器件; 然後（hòu）根（gēn）據進給（gěi）速度（dù）、切削力的大小確定滾珠（zhū）絲杠並（bìng）進（jìn）行校驗; 選定滾珠絲杆後，根據整體的轉動慣（guàn）量、進給速度及使（shǐ）用壽命等進一步確定電機的相關參數，最後確定進給電（diàn）機的型號。

由於數控立式車床加工的零部件（jiàn）一般精度要求（qiú）較低，因此控製係統大多選用（yòng）開環控製。數控係統需要能夠控製三個軸，其中包括兩個進給軸和一個主軸（zhóu），同（tóng）時伺服的功率範圍應適合於已經確定的電機，並且係統要運行速度（dù）快、安裝方便、性能穩定、價位（wèi）合理，很多機（jī）械設備廠家都選擇西門（mén）子（zǐ） 808D 車削係（xì）統作（zuò）為立式（shì）車床的數控係統。

2 、控製（zhì）係統功能

808D 車削控製係統主要控（kòng）製主（zhǔ）軸轉速係統、X軸進給係（xì）統、Z 軸進給係統，根據西（xī）門子 808D 調試手冊，數控係統配置（zhì）如圖 4 所示

圖 4 數控係統配置

2. 1 主軸控製係統

立式車床主軸帶（dài）動工作台旋轉，工作台上安裝四爪卡（kǎ）盤或專用夾具固定工件，通（tōng）過車刀的水平、垂直進給來完成對零件的切削（xuē）。為（wéi）了實現車（chē）削螺紋功能，需準確傳輸主軸的角位移（yí）信號，同時還要保證編碼器的（de）運行平穩，因此將編碼器與主軸通過小型（xíng）聯軸器同軸安裝。

根（gēn）據（jù）控（kòng）製（zhì）主軸旋轉方（fāng）向的不同方式，可以分為（wéi）單極性主軸和雙極性主軸兩類，下（xià）麵以單（dān）極性主軸為例，說明其主要連接方式［7］。X54 為主軸模擬（nǐ）量接口，AO 和 AGND 引腳輸（shū）出（chū）0 ～ 10V 模擬量電壓信號來（lái）控製主軸的轉速。快速輸入/輸出接口 X21 的信號用於控製正反轉向，接口（kǒu）X60 用（yòng）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（jìn）給量，實現螺紋加工。

主軸編碼（mǎ）器接口先連接主軸伺（sì）服驅動器後（hòu）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（shì）手冊中有詳細說明。

2. 2 進給係統

立（lì）式車床控製的電機除主軸電機外，還包括（kuò）另外兩個進（jìn）給電機。進給係統包括 X 軸進給及 Z 軸進給，在麵板控製單元中（zhōng），X51、X52、X53 接口是（shì）脈衝驅動接口，用於連接到進（jìn）給（gěi）電機伺服（fú）驅動器。其他如X10 為手輪輸入，X54 為模擬量主軸接口，X2 為ＲS232 接口，X30 用於連接 MCP 的 USB 接口，X1 為電源接口等。麵板控製單元接口布局( 後（hòu）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 麵板控製單元接口布局( 後視圖)

表 2 麵板（bǎn）控製單（dān）元( PPU) 接口

2. 3 其他

其餘如冷卻、刀架（jià）等相（xiàng）關輔助功（gōng）能都是標準連接，在調試手（shǒu）冊中有詳細講（jiǎng）解。需要注意的是: 西門子數控係統在出廠時都配（pèi）置有相應的樣例（lì） PLC 程序［9 － 11］，相應（yīng）的 PLC 輸入輸出點已經定義完成，設計控製線路時需要據此（cǐ）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（diàn）器連接等，大多在單獨的電（diàn）器櫃中。

3 、結束語

隨著企業對零（líng）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、鑄件粗精（jīng）加工等行業，數控立式車床比（bǐ）臥式的設備更加適（shì）合於（yú）流水線作業，同時還具有成本低、效率高、裝夾方便等特點，目前許多企業如江西特種電機股份有限公司、湖南天能電機製造有限公司（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（shēng）產效益。國內外數控係統在（zài）基本的功能和運用（yòng）上沒有太（tài）大的區別，由於立式車床（chuáng）多用於（yú）粗加工，一般所處生產環境比較惡劣，機床對係統的抗（kàng）幹擾性和穩定性要求比較高（gāo）。

在同等價位（wèi）的前提下，西門子係統的穩定性和抗幹擾性有（yǒu）明顯優勢，加之（zhī）模塊化設計及強大的擴展功能，使得西門子係統在許多經濟型數控設備中被廣泛使（shǐ）用（yòng）。

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