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立式車床的數控係（xì）統配置與選型

2017-12-20 來源：西南（nán）林業（yè）大學機（jī）械與交（jiāo）通學院作者：易偉，楊（yáng）潔

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（chǎn）述了立式（shì）車床傳動（dòng）的功（gōng）能布（bù）局及控製係（xì）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。

關鍵詞: 立式車床; 數控係統; 配置; 選型

隨著我國汽車、高鐵、電機等行業的發（fā）展，汽車輪轂、電機殼等中大型盤類零件的需求越來越多，在傳統加工中一般使用中大型的臥式車床，其缺（quē）陷是裝（zhuāng）夾工件不便，精度及加工效率低。

因此（cǐ）許多機（jī）床生產企業為順應市場的需（xū）求，設計製造了（le）多種立式（shì）加（jiā）工設備，極大地減少（shǎo）了裝夾時間，提高了加工精度（dù）和生產效率。

數控立式（shì）車床在保（bǎo）留原有普通立式車床大部分主體結構的前提（tí）下（xià）取消了進給係統，將原進給傳動（dòng）係統改為（wéi）使用伺服電機直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（xiāng）結構不變，將主電機由普通電機改（gǎi）為伺（sì）服主（zhǔ）軸電機，同時在主軸底部安裝有編碼器，以（yǐ）實現無級變速（sù）和螺紋切削功能; 重新設（shè）計了滑動本體結構，在本體上（shàng）安裝多工位（wèi）電動刀台，從而可實現根據（jù）數控程（chéng）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能進（jìn）行闡（chǎn）述。該設備通過控製伺服主軸電機來（lái）實現工作台的無級調速，控製 X、Z 軸的（de）交流伺服電（diàn）機實現刀具的（de）進給，同時針對工藝要求，調用 PLC 子程序實現對電動（dòng）刀台、液壓係統的控製，粗、精加工可（kě）自動（dòng）換刀並自動（dòng）調整夾具的液壓夾緊力。機床外形結構如圖 1 所示。

圖 1 機床外形結（jié）構

1 、控製係統構成

機床控製係（xì）統可控製（zhì）和保證機械係統的良好運轉，確保設備的精度。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選（xuǎn）擇（zé）。

1. 1 傳動係（xì）統部件選型

機床傳動係統簡圖（tú）如（rú）圖 2 所示。

圖 2 機床傳動係統簡（jiǎn）圖

1．主電機; 2．底座主軸變速箱（xiāng）; 3．主軸（zhóu）; 4． X 軸電機（jī）;5． Z 軸電機; 6．車床本體; 7．滑枕

立式車床主要包括底座、橫（héng）梁（liáng）、立柱、滑枕（zhěn）、滑動（dòng）本體、升降箱體等（děng）部件，傳動控製係統分為（wéi）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（zhǔ）傳動係統由電機通（tōng）過底座（zuò）齒輪箱帶動主軸（zhóu）旋轉（zhuǎn）。為了保證加（jiā）工過程中工件質（zhì）量的一致性，需要保（bǎo）證恒（héng）線速度切削（xuē）加工，即必須保證（zhèng）數（shù）控（kòng）係統能夠對電（diàn）機進行無級調速; 同時為了保證車床有車削螺紋的功（gōng）能（néng），需要通過（guò）係統來協調工作台轉速與螺紋車刀之間的進給關係，因此在（zài）主軸底部安裝有光電式脈衝編（biān）碼器，通過編碼器將主（zhǔ）軸角位移信號傳遞給數控係統，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（cóng）而實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（yǐ）下兩種方案可供選擇:

1) 主電（diàn）機采（cǎi）用變頻（pín）調速電機，通過變頻器控製主軸（zhóu）電機（jī）的轉速變化，從而實現主軸的無級變（biàn）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機的旋轉速（sù）度。

變頻調速電（diàn）機價格低廉，易於安裝，但（dàn）由（yóu）於調速電機的結構特性，當電機調（diào）頻（pín）在基率以下時功率會急劇減小，因此一般隻適用於較（jiào）高轉速的加工情況，而伺服主軸電機則可以保證在較（jiào）低轉速時依然有較高（gāo）的輸（shū）出扭矩。

本文討論的 CKS5160 立式車床，工作速度一般為 50 ～ 100 r/min，而且切削量較大，變頻調速電（diàn）機不能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，然後通過底座變速箱放大扭矩實現低速高扭矩輸出。

1. 1. 2 主電機參（cān）數（shù）選擇

功率和（hé）扭矩是電機的基本參（cān）數。首先根據待加工的零件材料類型（xíng）、切（qiē）削深度（dù）、切削（xuē）速度及進給量等相關參數計算切削力，然後根據機床最大的加工直徑計算出切削扭矩，繼而得出機床的（de）主傳動功率。然後根（gēn）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來選擇電機［3］。切削力及切削功率的計算（suàn）公式如下:

車（chē）削時切（qiē）削力及功率公式中的係數和指數見表1，這些參數是在一（yī）定的試驗（yàn）條（tiáo）件下（xià）得（dé）出的，若計算的實際條件與（yǔ）試驗條（tiáo）件不符，則還需要分別乘以相應的（de）修正（zhèng）係數（shù）［4］。

表 1 車削時切（qiē）削力及功（gōng）率公式（shì）中的係數和指數

1. 1. 3 主軸脈衝編碼器選擇

采用脈衝編碼器主要是為了（le）實現切削螺（luó）紋功能，因此必須（xū）按照（zhào）主軸的最（zuì）高轉速來選擇（zé）。選擇時在滿足功能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（jì）術有限（xiàn）公司生產的 BC38S 係（xì）列（liè）增量式脈衝光電（diàn）編碼器（qì）。

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如圖 3 所（suǒ）示。

圖 3 立式車床橫向進給係統示意圖

根據具體（tǐ）切削（xuē）時的（de）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（gàng）壽命及最大動載荷［5］，根據最大動（dòng）載荷可查閱相關（guān）滾珠絲杠的選型樣本進（jìn）行選擇，然後再（zài）根（gēn）據（jù）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（zé）

確定滾珠（zhū）絲杠後，可根據車床本（běn）體（tǐ）、絲杠轉動慣量、切削速度、絲杠尺寸參數來計算電機所需扭矩，從而選擇（zé）電機［6］

根據以上各式（shì）可計算出所需轉矩，計算出相關參數後即可（kě）確（què）定電機類（lèi）型。

1. 3 縱向進給傳動係統

縱向（xiàng）進給傳動係（xì）統設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（zài）垂直方向上的上下運動。所不同（tóng）的是由（yóu）於是在（zài）垂直方向（xiàng）上運動，為了防止忽然斷（duàn）電、掉刀或（huò）其他特殊情況發生時出現事故，縱向電機需要帶抱閘功（gōng）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（gēn）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，再由切削力確定主電機（jī）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（dòng）慣量、進給（gěi）速度及使用壽（shòu）命等進一（yī）步（bù）確定（dìng）電機的相關（guān）參數，最（zuì）後確定（dìng）進給電機（jī）的型號。

由於數控立式車床加工的零部件一（yī）般（bān）精（jīng）度要求較低，因此控（kòng）製係統大多選用開環控製。數控係統需要能夠控製三個軸，其中（zhōng）包（bāo）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的電機，並且係（xì）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 車削係統作為立式車床的數控係統。

2 、控製係統功能（néng）

808D 車削控製係統主要控製（zhì）主軸轉速係（xì）統（tǒng）、X軸進（jìn）給係統、Z 軸進（jìn）給係統，根據西（xī）門子 808D 調試手冊，數控係統配（pèi）置如圖 4 所示

圖 4 數控係統配置

2. 1 主軸控製係統（tǒng）

立（lì）式車床（chuáng）主軸帶動工作台旋轉，工作（zuò）台上安（ān）裝四爪卡盤或專（zhuān）用夾具（jù）固定工件（jiàn），通（tōng）過車刀的（de）水平、垂直進給來完成對零（líng）件的切削。為了實現（xiàn）車（chē）削螺紋功能，需準確傳輸主（zhǔ）軸的（de）角位移信號，同時還要保證編碼（mǎ）器的運行平穩（wěn），因此將編（biān）碼器與主軸通過（guò）小（xiǎo）型聯軸器同軸安裝。

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（zhóu）和雙極性主軸兩類，下麵以單極性主軸為例，說明其（qí）主要連（lián）接方式［7］。X54 為主軸模擬量接口，AO 和（hé） AGND 引腳輸出（chū）0 ～ 10V 模擬量電壓信號來控製主軸的轉速。快速輸入/輸出接口（kǒu） X21 的信（xìn）號用於控製正反轉向，接口（kǒu）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（gěi）量，實現螺紋加工。

主軸編（biān）碼器接口先（xiān）連接主軸伺服驅動器後再連接麵板 X60［8］，如圖 5 所示，雙極性主軸連接方式在調試（shì）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（gěi）電機。進給係統包括 X 軸進給及 Z 軸進給，在麵板控製單元（yuán）中（zhōng），X51、X52、X53 接口是脈（mò）衝驅動接口（kǒu），用於連接到進給電（diàn）機伺服驅（qū）動器。其他（tā）如X10 為手（shǒu）輪輸入，X54 為模擬（nǐ）量主軸接口，X2 為ＲS232 接口（kǒu），X30 用（yòng）於連接 MCP 的 USB 接口，X1 為電源接口等。麵板控製單（dān）元接口布局( 後視圖) 如圖6 所示，接口見表 2。

圖 5 單極性主軸連接示意（yì）圖

圖（tú） 6 麵板控（kòng）製（zhì）單元接口布局( 後視圖)

表（biǎo） 2 麵板控製單元( PPU) 接口

2. 3 其他

其餘如冷卻（què）、刀架等相關（guān）輔助（zhù）功能都是標準連接，在調試手冊（cè）中有（yǒu）詳細講解。需（xū）要注意的是: 西門（mén）子數控（kòng）係統在（zài）出廠時都配置（zhì）有相應的樣例 PLC 程序（xù）［9 － 11］，相（xiàng）應（yīng）的 PLC 輸（shū）入輸出點已經定義（yì）完成，設計控製線路（lù）時需（xū）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（qì）連接等，大多在（zài）單獨（dú）的電（diàn）器櫃中。

3 、結束語

隨著企（qǐ）業對零件加工精度和生產（chǎn）效（xiào）率要求的日益提高，在汽（qì）車（chē）輪轂、電機殼、鑄件粗精加（jiā）工等行業，數控立式車床比（bǐ）臥（wò）式的設備更加（jiā）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（děng）特（tè）點，目前許多企業如江西特種電機股份有限公司、湖（hú）南天能電機製造有限公司等企（qǐ）業都已逐步采用數控立式車床來替代原有的加工（gōng）設（shè）備，並取得（dé）了良好的生產效益。國內外數控係統在基本的功能和運用上沒有太大的區別，由（yóu）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（duì）係統的抗（kàng）幹擾性和（hé）穩定性要求比較高。

在同（tóng）等價位（wèi）的前提下，西門子係（xì）統的穩定性和抗幹擾性有明顯優勢，加之模塊化設（shè）計及強大的擴展功（gōng）能，使得西門子係統在（zài）許多經濟型數控設備中被廣泛使用。

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