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如何選擇立式車床的數（shù）控係統配置與選（xuǎn）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（jié）

問：怎樣立式車床的數控係統配置與選型？

答：

隨著我國（guó）汽車、高鐵、電（diàn）機等行業的發展，汽車輪轂、電機殼等中大（dà）型（xíng）盤類零件的需求越來越多，在傳統加（jiā）工中一般使用中大型的臥式車床，其缺陷是裝夾（jiá）工件不（bú）便，精度及加工效率（lǜ）低（dī）。

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

數控立式車（chē）床在保留原有普通立式車床大部分（fèn）主體結構的前提下取消了進給係統，將原進給傳動係統改為（wéi）使用伺服（fú）電機直（zhí）接連接滾珠絲杠帶動車床本（běn）體運動; 保持原有的底座變速箱結構不變（biàn），將主電機由（yóu）普通電機改為伺服主軸（zhóu）電機，同時在主軸底（dǐ）部安裝有編碼器，以實現無級變速和螺紋切削（xuē）功能; 重新設計了滑動本體結構，在本體上安裝多工位電動刀台，從而可實現（xiàn）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電機的選型及數控係統的基本功（gōng）能進行闡述。該設備通過（guò）控（kòng）製伺服主軸電（diàn）機來實現工作台的無級調（diào）速，控製 X、Z 軸的（de）交流伺服電機實現刀具（jù）的進（jìn）給，同時針對工藝要求，調用 PLC 子程序實現對電（diàn）動刀台、液壓係統的控製，粗、精加工可（kě）自（zì）動換刀並自動調整夾具的液壓夾緊力。機床（chuáng）外形結構如圖（tú） 1 所（suǒ）示。

圖 1 機床外形結構

1 、控製係統（tǒng）構成

機床控製係統可控（kòng）製和保證機（jī）械係統的良好運轉（zhuǎn），確保設備的精度。因此控製係統、電氣元器件等（děng）必須以機械係統結構為（wéi）依托進行選擇。

1. 1 傳動係統部（bù）件選型

機床傳動係統簡圖如圖 2 所示（shì）。

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（zhóu）; 4． X 軸電機;5． Z 軸電機; 6．車床本體; 7．滑枕

立式車床（chuáng）主要包括底座、橫梁、立柱、滑枕、滑動（dòng）本體、升降箱體等部件，傳動控製係統分為底座主傳動係統、X 軸進給係統（tǒng）、Z 軸進給係統（tǒng）三部分。

1. 1. 1 主電機（jī）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（xuán）轉。為了保（bǎo）證加工過程中工件質量的一致性，需要保證恒線（xiàn）速度切削加工，即必須保證數控係統能夠對電機（jī）進行無級調速; 同時為了保證車（chē）床有（yǒu）車削螺紋（wén）的功能，需要通過係統來協調工作台轉速與螺紋車刀之間（jiān）的（de）進給關係，因（yīn）此在主軸底部安（ān）裝（zhuāng）有光電式脈衝（chōng）編碼（mǎ）器（qì），通過編碼器將（jiāng）主軸角位移信號傳遞給數控係統，數控係統對信號進行處理後，再將（jiāng）信號傳送到（dào）進給電機，從（cóng）而實（shí）現協調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（xià）兩種方案可供選擇:

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

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

變頻（pín）調速電機價格低廉，易於安裝，但由於調速電機的結（jié）構特性，當電機調頻在（zài）基率以下時功率會急劇減小，因此一般隻適用於較高轉速（sù）的加工情況，而伺服主軸電機則可（kě）以保證在較低（dī）轉速時依然有較高的（de）輸出扭矩。

本文討論的 CKS5160 立式車床，工作速度一般為 50 ～ 100 r/min，而（ér）且切削量較大，變頻調（diào）速電機不（bú）能保證這種（zhǒng）轉速的扭矩需（xū）求，因此主傳動係統中（zhōng）電機（jī）選用伺服（fú）主軸電（diàn）機，然後通過底座變速箱（xiāng）放大扭矩實現（xiàn）低速高扭矩輸出。

1. 1. 2 主電機（jī）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（liào）類型、切削（xuē）深度（dù）、切削速度及進給量等相關參（cān）數計算切削力，然後根據機床最大的加工（gōng）直徑計算出切削扭矩，繼而得出機床的主傳動功率。然後根據計算出的扭矩、功率、主軸工作轉速，以及底座變速箱的齒數比（bǐ）來選擇電機［3］。切削力及切削（xuē）功（gōng）率的計算公式如下:

車削時（shí）切削力及功率公（gōng）式中的係數和指數見表1，這些參（cān）數是在一定的試驗條（tiáo）件下得出的，若計算（suàn）的實（shí）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 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

采用脈衝編碼器主要是為了實現切（qiē）削螺紋功能，因此必須按照主軸的最高轉速來選擇。選（xuǎn）擇時在（zài）滿足功能要求的基礎上還要盡（jìn）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 BC38S 係列增量式脈衝光電編碼器。

1. 2 橫向進給傳動係統

1. 2. 1 相關參數計算

立式車床橫向進給係統（tǒng）如圖 3 所示。

圖 3 立（lì）式車床（chuáng）橫向進給係統示意圖

根據具體切削時的切削速度、進給量、工件（jiàn）最大直徑可計算出滾珠（zhū）絲杠的轉速、絲（sī）杠壽命及最大動載荷［5］，根據最大動載荷可（kě）查閱相關滾珠絲杠的選型樣本進行選擇，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 電機選（xuǎn）擇

確定滾珠絲杠（gàng）後（hòu），可根據車（chē）床本體、絲杠轉動慣量、切削速度、絲杠尺寸參數來計算電機所需（xū）扭矩，從而（ér）選擇電機［6］

根據以上各式可（kě）計（jì）算出所需（xū）轉矩，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（yǔ）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，從而實現刀架在垂直方向上的上下運動。所不同的（de）是由於（yú）是在垂直方向上運（yùn）動，為了防止忽然斷電、掉刀或其他（tā）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，數控係統基本部件的選擇已經完成。根據工件的（de）材料、切削速度、切（qiē）削量等因素，確定切削力、最大扭矩，再由（yóu）切削（xuē）力確定主電機的功率，並選擇與主電機相關的元器件; 然後根據進給速度、切削力的大（dà）小確定滾（gǔn）珠（zhū）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（mìng）等進一步確定電機的相關參數，最後確定進給電機的型號（hào）。

由於數控（kòng）立式車床加工的零部件一般精度要求較低（dī），因此控製係統大多選（xuǎn）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，同時伺服的功率範圍應適合於已經（jīng）確定的（de）電機，並且係統要運行（háng）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 車削係統作為立式車（chē）床的數控係統。

2 、控（kòng）製係統功能

808D 車削控製係統主（zhǔ）要控製主軸轉速係統、X軸進給（gěi）係統、Z 軸進給係統（tǒng），根據西門子 808D 調試手冊，數控係統配置如圖 4 所示

圖 4 數控係（xì）統配置

2. 1 主軸（zhóu）控製係統

立式車床主軸帶動工作台旋轉，工作台上安裝四爪卡盤或專用夾具固定工件，通過車刀的（de）水平、垂直（zhí）進給（gěi）來完成（chéng）對零件的切削。為了（le）實現（xiàn）車削螺紋功能，需準確傳輸主軸的角位移信號，同時還要保證編碼器（qì）的運行平穩，因此將編碼器與主軸通過小型（xíng）聯軸（zhóu）器同軸安裝。

根據控製主軸旋轉方向的不同方式，可以分為單極（jí）性主軸和雙極性主軸兩類，下麵以單極性主軸為例，說明（míng）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（yā）信號來控製主軸的轉速。快速輸入/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（qì）的信號，從而協調主（zhǔ）軸轉速和 X 軸（zhóu）、Z 軸進給量，實（shí）現螺紋加工。

主軸（zhóu）編碼器（qì）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（shì），雙極（jí）性主軸連（lián）接方式在調試手（shǒu）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（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（dān）元中（zhōng），X51、X52、X53 接口是（shì）脈衝驅動接口，用於連接到進給電機伺服驅動器。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（zhì）單元接口布局( 後視圖) 如圖6 所示，接口見表（biǎo） 2。

圖 5 單極性主軸連接示意圖

圖 6 麵板控製單元接口布（bù）局( 後視（shì）圖)

表 2 麵板（bǎn）控製單元( PPU) 接口

2. 3 其他

其餘如冷卻、刀架等（děng）相關輔助功能都（dōu）是標準連接，在調試手冊中有（yǒu）詳細講解。需要注意的（de）是: 西門子數控係統（tǒng）在出廠時都配置有相應的樣例 PLC 程序［9 － 11］，相應的 PLC 輸入輸出點已經定（dìng）義完（wán）成，設（shè）計控製（zhì）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（de）繼電器連接等，大多在（zài）單獨的電器櫃中。

3 、結束語

隨著企業對零件（jiàn）加工（gōng）精度和生產效率要求的日益提（tí）高，在汽車輪轂、電機殼、鑄件粗精加工等行業，數控立式（shì）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（děng）特點，目前許多企業（yè）如江西特（tè）種（zhǒng）電機股份（fèn）有（yǒu）限（xiàn）公司、湖南天能（néng）電機製造有限公司等企（qǐ）業都已逐步采用數控立式車床（chuáng）來替代原有的加工設備，並（bìng）取得了良好的生（shēng）產效益。國內外數（shù）控係統在基（jī）本的功能（néng）和運用上沒有太大的區別，由（yóu）於立（lì）式車床多用於粗加工（gōng），一般所處生（shēng）產環（huán）境比較惡劣，機床對係統的抗幹擾性（xìng）和穩定性要求比較高。

在同等價位的（de）前提下，西門子係統的穩（wěn）定性和抗幹擾性有明顯優勢，加之模塊化設計及強大的擴（kuò）展（zhǎn）功能，使得西門子係（xì）統在許多經濟型（xíng）數控設備中被廣泛使用。

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