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立式車床的數控係統配置與選型

2017-12-20 來源：西南林業大學機械與交通學院作者：易偉，楊潔

摘要: 以西門子 808D 係統在立式車（chē）床的應用為例，從軟硬件兩（liǎng）個方麵闡述了立式車床傳動的（de）功能布局及控製係統的作用，並對係統配置選型時所采用的計算方法及相關步驟進行了闡述（shù）。

關鍵詞（cí）: 立式車床; 數（shù）控係統; 配置; 選型

隨著我國（guó）汽車、高鐵、電機等行（háng）業的發展，汽車輪轂、電機殼等中大（dà）型盤類零件的需求（qiú）越來越多，在傳統（tǒng）加工中一般使用中大型的臥式車床，其缺陷是裝夾工件（jiàn）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，設計製造了多種立式加工設備，極大地減少了裝夾時間，提高了加工精度和生產效率。

數控立式車床在保留原有普通立式車床（chuáng）大部分主體（tǐ）結構的前提下取消了進給（gěi）係（xì）統，將原進給傳（chuán）動（dòng）係統改為使用伺服電機直接連接（jiē）滾珠絲杠帶動（dòng）車床本體運動; 保持原有的底座變速箱（xiāng）結（jié）構不（bú）變，將主電機（jī）由普通電（diàn）機改為伺服（fú）主軸電機，同時在主軸底部安裝有（yǒu）編碼器，以實現（xiàn）無級變速和螺紋切削功能; 重新設計了滑動本體結構，在（zài）本體上安裝多工位電動刀台，從而可實現根（gēn）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（jī）床（chuáng）電機的選（xuǎn）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（diàn）機來實現工作（zuò）台的無級調速，控製 X、Z 軸的交流伺服電機實（shí）現（xiàn）刀具的進給，同時針對工藝要（yào）求，調用 PLC 子程序實現對電動刀台、液壓係統的控製，粗、精加工可自動換刀並自動調整夾具的液壓夾緊力。機床外形結構如圖 1 所示。

圖 1 機床外（wài）形結構

1 、控製係統構成

機床控製係統可控製和保（bǎo）證機械係統的良好（hǎo）運轉，確保設備的精度。因此控製係統、電氣元器件等必須以（yǐ）機械係（xì）統結構為依托進（jìn）行選擇。

1. 1 傳（chuán）動係統部件選型

機床傳動係統簡圖（tú）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．主軸; 4． X 軸電（diàn）機;5． Z 軸電機; 6．車床本體; 7．滑枕

立式（shì）車床主（zhǔ）要包括底座、橫（héng）梁、立柱、滑（huá）枕、滑動本體、升降箱體等（děng）部件，傳動控（kòng）製係統分為底座主傳動係統、X 軸（zhóu）進給係統、Z 軸（zhóu）進給係統三部分。

1. 1. 1 主電機類型選擇

數控立（lì）式車床（chuáng）主傳動係統由電機通過底（dǐ）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（zhì）性，需（xū）要保證恒線速度切削加工，即必須保證數控係統能夠對（duì）電機進行無級調（diào）速; 同時（shí）為了保證（zhèng）車床有車削螺紋（wén）的功能（néng），需要通（tōng）過係統來協調工作（zuò）台（tái）轉速與（yǔ）螺紋（wén）車刀之間的進給關係，因此在主軸底部安裝有光電式脈衝編碼（mǎ）器，通過編碼器（qì）將主軸角位移信號傳遞給數控係統，數控係統對（duì）信號進（jìn）行處理後，再將信號（hào）傳（chuán）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］

。

為實現主軸的無級變速，有以下兩種方案可（kě）供選擇:

1) 主電機采用變頻調速電機，通過變頻器控製主軸電（diàn）機的轉速變化，從（cóng）而實現主軸的無級變（biàn）速;

( 2) 主電機采用伺服主軸電機（jī），通過伺服驅動係統來控（kòng）製主電機的旋轉速（sù）度。

變頻調速電機價格低廉，易於安裝，但由於調速電機的結構特性，當電機調頻（pín）在基率以下時功（gōng）率會急劇減小，因此一般隻適用於較高轉速的（de）加（jiā）工情況，而（ér）伺服主軸電機則可以保證在較低轉速時依然有較（jiào）高的輸出（chū）扭矩。

本文討論的 CKS5160 立式車（chē）床，工作（zuò）速度一般為 50 ～ 100 r/min，而且切削量較（jiào）大，變頻調速電機不能（néng）保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，然後通過底（dǐ）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（shù）選擇

功率和扭矩是（shì）電機的基本參數（shù）。首先根據待加工的零件材（cái）料類型（xíng）、切（qiē）削深度、切削速度及進給量等相（xiàng）關參數計算（suàn）切削力，然後根據機床最大的加工直徑計算出切削扭矩（jǔ），繼而得出機床的主傳動功率。然後根據（jù）計算出的扭矩、功率、主軸工作轉（zhuǎn）速，以（yǐ）及底座（zuò）變速箱（xiāng）的齒數比來選擇電機［3］。切削（xuē）力（lì）及切削功（gōng）率的計算公式如下:

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

表 1 車削時切削力及（jí）功（gōng）率公式（shì）中（zhōng）的係數和指數

1. 1. 3 主軸脈衝編碼器選擇

采用脈衝編碼器主要是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）時在滿足功能（néng）要求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產的（de） BC38S 係列增量式脈衝光電編碼器。

1. 2 橫向進給（gěi）傳動係統（tǒng）

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 立式車床橫向進給係統示意圖

根據（jù）具體切削時的切削速度、進給量、工件最大直（zhí）徑可計算出滾珠絲杠的轉速、絲杠壽命及最大動載荷［5］，根據最大動載荷可查（chá）閱相關（guān）滾珠絲杠的選型樣本進（jìn）行選擇，然後再根據絲杠副的傳動效（xiào）率進行剛度及穩定性校核。

1. 2. 2 電機選擇

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

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

1. 3 縱向進給傳動係統

縱向進給傳動係統設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（gǎn）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（yú）是在垂直方向上運動，為了防止忽然斷電、掉刀或其（qí）他特殊情況發生時出現（xiàn）事故，縱向電（diàn）機需要帶抱閘功能。

1. 4 數控係統

至此，數控係統基（jī）本部件的選擇已經完（wán）成。根據（jù）工件的材料、切削速度、切削量等因素，確定切（qiē）削力、最大（dà）扭矩，再由切削力確定主電機的功率，並選擇與主電機相關的元器件; 然後根據進給速（sù）度、切削力的（de）大小確定滾珠絲杠並進（jìn）行校驗; 選定滾珠絲杆後，根據整體的轉動慣量、進給（gěi）速度及使用壽命等進一步確（què）定電機的相（xiàng）關參數，最後確定進給電機的（de）型（xíng）號。

由於數控立式車床（chuáng）加工的零部件一般精度（dù）要求較低（dī），因此控製係統大多選用開（kāi）環控製。數控係統需要能夠（gòu）控製三（sān）個軸，其中包括兩個進給軸和一個主軸，同時伺服的功率範圍應適合（hé）於已經（jīng）確定的電機，並且係（xì）統要（yào）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（mén）子 808D 車削係（xì）統作為立式車床的數控係統。

2 、控製係統（tǒng）功能

808D 車削控製係統主要控製主軸轉速係統、X軸進給係統（tǒng）、Z 軸進給係統（tǒng），根（gēn）據西（xī）門（mén）子 808D 調試手冊，數控係統配置如圖 4 所示

圖 4 數控係統配置（zhì）

2. 1 主軸控（kòng）製（zhì）係（xì）統

立式車床主軸帶動工作台旋轉（zhuǎn），工作台上安裝四爪卡盤或專用夾具（jù）固定（dìng）工件，通（tōng）過（guò）車刀（dāo）的水平、垂直進給來完成對（duì）零件的（de）切削。為了實現車削（xuē）螺紋功能（néng），需（xū）準確傳輸主軸的角位移信號，同時還要保證編碼器的運行平穩（wěn），因此將編碼（mǎ）器與（yǔ）主軸通過小型聯軸器同軸安裝。

根據控製主軸旋轉方向的不同方（fāng）式，可以分為單極性主軸和雙極性主軸兩類，下麵以單極（jí）性（xìng）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（yǐn）腳輸出0 ～ 10V 模擬（nǐ）量電壓信號來控製主軸的（de）轉速。快速輸入/輸（shū）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（de）信號（hào），從而協調主軸（zhóu）轉速和（hé） X 軸、Z 軸進給量，實現螺紋加工。

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（jiē）方（fāng）式在調試手冊中有詳細說明。

2. 2 進（jìn）給係統

立式車床控製的電（diàn）機除主軸電機外，還包括另外兩個進給電機。進給係統包括 X 軸進給及 Z 軸進給，在麵板控製單元中，X51、X52、X53 接口是脈衝驅動接口，用於連接到（dào）進給電機伺（sì）服（fú）驅動器（qì）。其他如X10 為手輪輸入，X54 為模擬量主軸接口，X2 為ＲS232 接（jiē）口，X30 用於連接 MCP 的 USB 接口，X1 為電源（yuán）接口等（děng）。麵板（bǎn）控製單元接口布局( 後視（shì）圖) 如圖6 所示，接（jiē）口見表 2。

圖 5 單極性主軸（zhóu）連接示意圖

圖 6 麵板控製單元接口布局( 後視（shì）圖)

表 2 麵板控製單（dān）元( PPU) 接口

2. 3 其他

其餘如冷卻、刀（dāo）架等相關輔助功能（néng）都是（shì）標準連接，在調試手冊中有詳細講解。需要注意（yì）的是: 西門子數控係統在出廠時都配置有相（xiàng）應的樣例（lì） PLC 程序［9 － 11］，相應的 PLC 輸入輸（shū）出點已經定（dìng）義完成，設計控製線路時需要據此連接才能（néng）保（bǎo）證軟硬件的配合。其他如電源、變壓器、必要的繼電器連（lián）接等，大多在單獨的電器櫃中。

3 、結束語

隨著企（qǐ）業對零件加工精度和生產效率要求的日益提高，在汽車輪（lún）轂、電機殼、鑄件粗精加（jiā）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（zhuāng）夾方便等特（tè）點，目前許多企業如（rú）江西特種電機股份（fèn）有限公司（sī）、湖南天能（néng）電機製造（zào）有限公司等企業都已逐步采用數（shù）控立式車床來替代原有的加工設備，並取得（dé）了良好的（de）生產（chǎn）效益（yì）。國內外數控係統在基本的（de）功能和運用上沒有太（tài）大的區別，由於立式車床多用於粗加工，一般所處生產環境（jìng）比較惡劣，機床對係統的抗幹擾（rǎo）性和穩定性要求比較高。

在同等價位的前提下，西門子係統的穩定性和抗幹擾性有（yǒu）明顯優勢，加（jiā）之模塊化設計及強大的擴展（zhǎn）功能（néng），使得西門子係統在許多經濟型數控（kòng）設（shè）備中被廣泛使用。

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