數控車床進給伺服驅動係統選型與改造
2022-5-6 來源： 榆林（lín）職業技術學院 林學院 作者：王 海
摘要：某中職學校一（yī）台 ＣＫ－６１４０數控車（chē）床伺服係統電氣元器件開始老化、性 能 變 差、控製技術已經落後，經常出現死（sǐ）機等故障，從而造成加工工件報廢。因此，對該車床伺服係統進行改造（zào）升（shēng）級，以還（hái）原車床功能，滿足工件加工（gōng）要求。
關鍵詞：數控（kòng）車床；伺服係統；改造
０、 引言
隨著機加工行業的（de）蓬勃發展，許多老舊數控機床（chuáng）長期工作導致性能變差（chà），控製技術落後，有的甚至不（bú）能工作。通過（guò）對數控車床的改造，可以用較少（shǎo）的投入、較短的周期改善機床的使用性能和功能，同（tóng）時節約設備（bèi）的購置費。因此，本（běn）文著重介紹數（shù）控車床進給伺服驅動係統的選（xuǎn）型與改造（zào），對今後機床的（de）伺服係統改造有著積極的意義。
１、 進給伺服驅動的（de）性能要求
數控車床的進給伺服係統是數控裝置與車床執行部件的樞紐，數控車床性能的（de）好壞（huài）在很大程（chéng）度上是由進給伺服裝（zhuāng）置（zhì）性能決定的（de），所以，進給驅動係統（tǒng）性能（néng）的開發和研究是本次數控車床改造的關鍵技術之一（yī）。
進給伺服係統是通過編程指令或機床操作（zuò）而生成脈衝（chōng）指令，經過一係列處理反（fǎn）饋，最（zuì）後實現數（shù）控車床刀具位置和（hé）運動速（sù）度的控製係統。它一般由位置控（kòng）製、速度控製、伺服電動（dòng）機、檢測裝置和機（jī）械傳動機構組成，係統的組（zǔ）成如圖１所示。
圖１ 進給伺服係統的組成
進給驅動係統性能的高低決定著數（shù）控車床質量（liàng）的好壞，所以，數控車床對進（jìn）給伺（sì）服係統各（gè）部件都有很高的要求，具體（tǐ）有以下幾點：①調速範圍寬；②輸（shū）出（chū）位置度高；③穩（wěn）定性好；④動態響應快；⑤負載特性要硬；⑥響應速度快且無超調（diào）；⑦高性能電動機；⑧伺服係統（tǒng）
的可靠性高（gāo），使用方便，維修購買成本低。
２、進給伺服係統的分類（lèi）以及（jí）選（xuǎn）擇
數控車（chē）床的控製（zhì）形式有開環控製和閉環控製兩（liǎng）種，閉環控製又分為半閉環和（hé）全閉環控製。
（１）開環控製伺服 係 統：該控製係統沒有檢測反饋裝置，驅動元件大部（bù）分選用步進電動（dòng）機，被廣泛應（yīng）用於精度要求不高的經濟型數控機床（chuáng）中，如圖２所（suǒ）示（shì）。
圖２ 開環控（kòng）製伺服係統框圖
（２）半閉環控製伺 服 係 統：檢測反饋裝置裝到伺服電動機的非輸出軸端上，調試方便（biàn），可以獲得比較穩（wěn）定的控製特性，如圖３所示。
圖３ 半閉環控製伺（sì）服係統框圖
（３）全閉環控製伺（sì） 服 係 統：位置檢測裝置被裝在（zài）車床工作台上（shàng），調試時，其係統（tǒng）穩定狀態很難達到，如圖４所示。
圖４ 全閉環控製係統框圖
通過分析上述各進給驅動係統的特點，為了提高（gāo）進（jìn）給驅動係統的性能以滿足對車床加工精度的要求，本次數控車床改造選擇半閉環控製伺（sì）服係統。
３、ＣＫ－６１４０進給（gěi）伺服驅動係統的改造設計
３．１ 數控車床（chuáng）進（jìn）給（gěi）驅動係統的現狀
３．２ 確定進給伺服係統的改造方案
３．２．１ 進給驅動裝置的選擇
進給伺服（fú）驅動（dòng）裝置的（de）選擇與數控（kòng）裝置的選擇是密不可（kě）分的，所以選擇進給伺服驅動裝置必須參（cān）考已選擇的數控裝置。進給伺服驅動裝置的選擇需要考慮各動（dòng）軸的進給速度、工件的加工精度、加工範圍（wéi）、傳動方式（shì）等。目前大部分數控係統生產（chǎn）廠家都提供與自家生產的數控（kòng）係統相匹配的進（jìn）給伺服驅（qū）動係統，所以，數控係統選擇完畢後，進（jìn）給驅動裝（zhuāng）置也基本確定了。
選擇進給驅動裝置除了（le）考慮上麵因素（sù）外，還（hái）應考慮以下幾方麵：
（１）經濟性：所選（xuǎn）的驅動裝置性價比要高。
（２）穩定性：能保證無故（gù）障時（shí）間比（bǐ）較長。
（３）可靠性：選擇的進給驅（qū）動裝置安全性一定要有保障。
（４）可操作性：驅動裝置易於（yú）操作（zuò），便於維（wéi）護。由於原車床的 Ｘ、Ｚ 軸的電動機和Ｘ 軸的（de）驅動（dòng）器都已經不能工作，Ｚ 軸的驅動器運行又（yòu）不穩定，同時原車床係統是廣州數控係統（tǒng），考慮到（dào）性能的匹配（pèi），選用了廣州數控（kòng）設備有限公司的進給伺（sì）服電動機以（yǐ）及進給伺服（fú）驅動器。
３．２．２ 伺服電動機的選擇計算
（２）伺（sì）服電機額定轉矩的選擇。改造（zào）之前，Ｘ 軸電動機的額定（dìng）轉（zhuǎn）矩為５Ｎ·ｍ，Ｚ 軸電動機（jī）的額（é）定轉矩為７．７Ｎ·ｍ，本次改（gǎi）造，Ｘ 軸和Ｚ 軸的電動機額定轉矩不能（néng）小於原電動機的額定轉矩。所以，本次改造Ｘ 軸選擇額定轉矩≥５Ｎ·ｍ 的伺服電動機，Ｚ 軸選擇（zé）額定轉矩≥７．７Ｎ·ｍ的（de）伺服電動機。
根據上（shàng）麵對伺服電機額定轉（zhuǎn）速、額定轉矩和伺服電動機轉動慣量的選擇，再根據ＣＫ－６１４０數控車（chē）床的技術（shù）參（cān）數，最終Ｘ 軸和Ｚ 軸分別選用廣州（zhōu）數控設備有限公司的１３０ＳＪＴ－Ｍ０６０Ｄ和１３０ＳＪＴ－Ｍ１００Ｄ型伺服電機。所選電機（jī）參數見表１。
表１ 電（diàn）機參數表
３．２．３ 伺服（fú）驅（qū）動器的選（xuǎn）擇
伺服驅動單元是控製伺服電機高精度定位係統的（de）一種設備。當 Ｘ 軸和（hé）Ｚ 軸的電動機（jī）選取好後，我們根據進給驅動器和電（diàn）動機的相關要求來選（xuǎn）擇伺服驅動（dòng）器。伺服（fú）驅動器的選擇必須要與伺服電動（dòng）機（jī）相匹配，即以過載（zǎi）倍數作為參考值，電流匹配（pèi）為原則。為了能使伺服放大器和所選伺服電動機完全匹配，必須要滿足下列幾點要求：
如果伺服進給係統要求轉動慣量和（hé）動態時間（jiān）響應都（dōu）很高時，那麽過（guò）載倍數 Ｋ 也選擇一個較大值。一般盡可能選擇過載倍數≥２，這樣伺服進給（gěi）係統的性（xìng）能（néng）比較（jiào）好。根據上麵條件和《ＤＡ９８Ａ 交（jiāo）流伺服驅動（dòng）單元使用手冊》，Ｘ 軸和Ｚ 軸伺服驅動單元都（dōu）可以選配 ＤＡ９８Ａ－３０＊驅動器。
３．２．４ 工作電源
為（wéi）了降低電源（yuán）、電磁場幹擾對伺服驅動器的影響，我（wǒ）們可以運用隔離變壓器給伺服驅動器供電。而隔離變壓器的（de）選擇，應根據驅動係統的（de）額定容量（liàng）、負荷率和占載率來決定：當（dāng）伺服電（diàn）動機（jī）額定功率≥１ｋＷ 時，隻能選用三相隔離變壓器供電；當單個軸時，取隔離變壓器容量大於等於伺服電動機額定功率的８０％為宜，客（kè）戶可以在伺服電動機額（é）定功率的７０％～１００％之間選取隔離變壓器容量；當兩（liǎng）個軸以上時，取（qǔ）隔（gé）離變壓器容量大於等（děng）於總伺服電動機額定功率的７０％為宜，客戶可以在總（zǒng）伺服電動機額（é）定功（gōng）率的６０％～８０％之間選取隔離變壓器容量。
本文（wén）中，Ｘ 軸的伺服電動機功率為１．５ｋＷ，Ｚ 軸的伺服電動機功率為２．５ｋＷ，取總伺服電動機功（gōng）率的７０％為隔離變壓器（qì）容量，則 （１．５＋２．５）×７０％ ＝２．８ｋＷ，因此選用容量為 ３．０ｋＷ 的 伺 服 隔 離 變 壓器（qì）。隔（gé）離變壓器規格見表２。
根據以上 要 求，ＤＡ９８Ａ－３０＊ 驅動單元的工作電源（yuán）選擇型號為 ＢＳ－３００的隔離變壓器。
表２ 隔離變（biàn）壓器規格表
4、結（jié）束語
數（shù）控車床進給伺服驅動係統改造（zào）研究，就是利用進給驅動係統的性能要求來合理選擇 ＣＫ－６１４０數 控車床的伺服控製係統、伺服電動機、驅動器以及工作電源。通（tōng）過本次對車床進給伺服係統的改造，不僅讓（ràng）閑置的機（jī）床運轉起來，而且（qiě）大大提（tí）升了車床的進給速度、工件的加工精度和加（jiā）工範圍。
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