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IMS 係列伺（sì）服控製器和TSM 係列交流異步伺服電機在齒輪機床上（shàng）的應（yīng）用

2015-4-5 來源：天津第一機床總廠作者：杜鴻起

摘　要本文介紹將IMS係列伺服控製器和TSM係列交流異步伺服電機的新技術應用到齒（chǐ）輪機床，做為刀具主軸驅動的新方（fāng）法。由此使數控銑齒機和（hé）數（shù）控插齒機刀具主軸（zhóu）的控製技術升級。1.實現了數控銑齒機用手（shǒu）輪脈衝發生器（簡稱“手脈”）控製刀具主軸調整找正刀具的功能，解決（jué）了銑齒（chǐ）機（jī）長期以來機械手動找刀（dāo）的（de）問（wèn）題，提高了機床（chuáng）自動化程度和工作效率，降低了工人勞動（dòng）強度。2.利用強勁轉矩特性（xìng）、過載能力強（qiáng）的優點，取消銑齒機原（yuán）有（yǒu）的刀具主軸驅動掛輪箱，縮短機械（xiè）傳動鏈，解決了機床噪音大、加工精度偏低的（de）問題，降低了機床成本。3.利用低速大轉矩輸出、零速力矩鎖定、電機準停功能實現數控（kòng）插齒（chǐ）機刀具主（zhǔ）軸上停功能（néng）和工件的準確對刀，解決了插齒機機械抱閘裝置（zhì）上停不可靠、機床維修不方便、工（gōng）件對刀不準確的問題。

一、引言（yán）

設計數控銑齒機、數控插齒機時考（kǎo）慮到機床成本，刀具主軸驅動一般不采用NC伺服（fú）模（mó）塊主（zhǔ）軸驅動，而采用交流變頻器和變頻電（diàn）機驅動。由於變頻電機的特（tè）性軟，需要靠機械傳動的升降速來滿足刀（dāo）具主軸的轉速和（hé）帶載能力，造（zào）成機床的傳動鏈（liàn）長，噪音（yīn）大（dà），累計誤差大（dà），加工精（jīng）度偏低。交流變頻器沒有（yǒu）”手脈”輸入接口，實現不了刀具主軸（zhóu）的“手脈”控製功能。變頻電機沒有零態轉矩和準停功能，數控插齒機隻能靠機械抱閘（zhá）實現（xiàn）刀具主軸上停動作。現在急需一種新型低成本的控製元件做齒輪機床的刀具（jù）主軸驅動。

二、交流變頻控製（zhì）與交流異步伺服（fú）控製做刀具主軸驅動的分析比較

1．控製功能的分析比較

從表一（yī）可以看出交流異步伺服電機安裝（zhuāng）編碼器，控製器可對其位置、速度（dù）、加速（sù）度、轉矩進行高精度控製，控製係統可實現低速大轉矩輸出（chū），零速力矩鎖定功能，這些控製功能都是齒輪加工機床需要（yào）的，而交（jiāo）流變頻器（qì）無（wú）法實現。

2.交流變頻器與交流異步伺服的轉矩（jǔ）特（tè）性比較

從圖一可以看出（chū），變頻驅動電機轉矩特性軟（ruǎn），需要靠（kào）機（jī）械傳（chuán）動來滿足（zú）刀具（jù）主軸的運動要求。變頻器在低於5HZ時，電機有轉動死區，而交流異步伺服電機轉矩（jǔ）特性硬，低速大扭矩輸出，電機沒有轉動死區，最大轉矩可以達到電機額定（dìng）轉矩的3倍。

3.成本分析比較（jiào）

通過表二看出使用國產交流異（yì）步伺服控製器降低了機床成本。

三（sān）、IMS係列伺服控製器（qì）與TSM係列（liè）交流異步伺（sì）服電機在齒輪加工機床上的應用實例及效果

1.實現數控銑（xǐ）齒機“手脈”控製刀具主軸調整找正（zhèng）刀具的功能數控銑齒機在（zài）精銑（xǐ）齒輪時，為保證齒輪加工精度（dù），必須找正銑齒刀頭的刀高和徑向跳動在0.002以內。

使用交流變頻（pín）器作刀具主軸驅（qū）動，沒有“手脈”輸入接口，低速轉動有死區，隻能用機械（xiè）手（shǒu）動調刀裝置（zhì）實現調刀。以（yǐ）YK2232A機床為例（見圖（tú）二（èr）），轉動機械手輪，經（jīng）過208 — 207 — 32223齒輪傳動使刀具主軸轉動。人工手搖機械傳動部件找（zhǎo）正銑齒（chǐ）刀，勞（láo）動量大（dà），需（xū）要多半天時間（jiān），費時費力，效率低。再加上齒輪傳動間隙大，手搖有撞擊，運動不平穩，調（diào）刀精度差，影響零件加工精度。

IMS 係列伺服控（kòng）製器有“手脈”輸入接口，利用控製器的“脈衝控製”功能（néng），用“手脈”控製（zhì）刀具主軸的轉速及方（fāng）向，還能準停到位，實現銑齒（chǐ）刀的找正調整，調刀隻需要1-2小時，效（xiào）率（lǜ）高，勞動強度低。

（1）“手脈”功能的（de）控製原理（圖三）、（圖四（sì））

A．使用刀具主軸“手脈”功能進行調刀時，接通操（cāo）作（zuò）麵板按鍵，使輸出信號Q4.6=1，這時中間繼（jì）電器KA14、KA15同（tóng）時吸合，KA14接通“手脈”使能X5，同時斷開速度到達信號Y3（為防（fáng）止“手脈”搖動時，速度到達控製繼電器頻繁通斷損壞），中間繼電器KA15吸合，其開點使手輪脈衝發生器與（yǔ）主軸伺服控製（zhì）器的JENC2端子連接。這樣就（jiù）可以實現手輪脈衝（chōng）發生器控製主軸（zhóu）的正反轉及轉速。

B．不使用刀具主軸（zhóu）“手脈”功能進行調（diào）刀時:斷開（kāi）操作（zuò）麵（miàn）板（bǎn）按鍵，輸出點Q4.6=0，KA14、KA15 斷開，KA14 使“手脈”使能X5 複位（wèi），速度到達信號Y3有效，主軸使能由主軸伺服控製器JIN的端（duān）子（zǐ）X2、X3控製，主軸速度（dù）由係統給出的（de）（0-10V電壓）的模（mó）擬量到主軸伺（sì）服控製器的JANO端子的（de）AN0 和GND控製。這時KA15的閉點使手輪脈（mò）衝發生器與數控係統連接，從而控製係統的NC軸的運動。

（2）“手脈”調刀功能取得的效果

A．結束了銑齒機靠機械傳動手（shǒu）動調刀（dāo）的曆史，實現了（le）機床的（de）自動化，增強了機床功能特性。

B．降低了（le）工人勞動強（qiáng）度，提高工作效（xiào）率5-6倍（bèi）。

C．提（tí）高（gāo）了找刀精度，保（bǎo）證了零件（jiàn）加工精度。

D．取消了機床原有的機械手動調刀裝置（zhì），降低成本4000元（yuán）/台，實現了機床的降（jiàng）本增效，提高了機床的市場競爭力。

E．刀具（jù）主軸“手脈”調刀（dāo）功能已推廣到（dào）各係列的數控銑齒機上，為企業（yè）創（chuàng）造了可觀的經濟效益。

2. 取消（xiāo）YK2212A數控銑（xǐ）齒機刀具主（zhǔ）軸（zhóu）驅動掛（guà）輪箱機械結構，解決機床噪音大、加（jiā）工精度偏低的問題（tí）

（1）原有刀具主軸機械傳動結構

YK2212A機（jī）床為滿足1.1吋~3.5吋銑齒刀盤的使用,保（bǎo）證變頻電機有（yǒu）很（hěn）好的轉矩特性，克服變頻電機（jī）速（sù）度控製（zhì）範圍小精度低的缺點，設計了刀具主軸驅動掛輪箱結構（見圖五）。運動由變頻電機輸出（chū）, 經（jīng）弧齒錐（zhuī）齒輪1、2 和圓柱齒輪3-4-5-6-7-8-9-10-11 傳（chuán）動，使刀具主軸旋轉。轉速的（de）改（gǎi）變由交換齒輪3和4及變頻電機的調速來完成。刀具主軸高速旋轉時，機床燥（zào）音（yīn）很難控製到83dB以下，用戶意見（jiàn）大。而且傳動鏈長，故障率高，傳動累計誤差大，切齒精度不易（yì）保（bǎo）證，機床市場竟爭無優勢。

（2）改進後的刀具主軸（zhóu）機械傳動結（jié）構

選用（yòng）TSM-1P5C22伺服電機和IMS-SCT41P5WG-NN伺服控製器做刀具主軸驅動，利用電機轉矩（jǔ）特（tè）性（xìng）硬，低速大轉矩（jǔ）輸出，過載能力強（qiáng），速（sù）度控製範圍大精度高的特點，取消刀具主軸驅動掛輪箱結構（gòu）（取消弧齒錐齒輪1、2和圓柱齒輪3-4-5-6傳動）。由伺服電機輸出, 經圓柱齒輪7-8-9-10-11 降速傳動，使刀（dāo）具主軸旋轉，達到轉速要求。機床經過重切（qiē）試驗,，電（diàn）機帶載能力完全滿足（zú）機床使用要求。

（3）取得的效果：

A．大大降低了機床噪音（yīn）（800rpm運行時，由83dB以上降到70dB以下；400-500rpm運行時，機床燥音在65dB以下），改善了（le）機床（chuáng）工作環境。是機床技術（shù）的（de）重大突破。

B．機床切（qiē）齒精度容易達到GB/T 11365-1989標準的5-6級（jí），比原來提升1—2級（jí），解決了原有機床切齒不容易合格的問題。

C．每台機床降低成本2萬元，實現了機床的降本增效，提高了機床的市場（chǎng）競爭力（lì）。

D．成功經驗（yàn）正在推廣應用（yòng）到同類產品。

3. 實現數控插齒機刀具主（zhǔ）軸上停動作和準確對（duì）刀功能數控插齒機（jī）刀具主軸往複插削運動中一個特殊動作就是刀軸上停，其作用使插齒（chǐ）刀停在高出加工工件端麵的固定位置，保證加工工件安全退出。尤其是插內（nèi）齒工件，上停動（dòng）作更為必要。

（1）刀具主（zhǔ）軸結（jié）構（gòu）的改進

YK58A刀具主軸運動（見（jiàn）圖六），由變頻電（diàn）動機（jī）1輸出, 經皮帶輪（lún）2、3 —齒輪4、5 —交換（huàn）齒輪a、b（兩檔，滿（mǎn）足刀具主（zhǔ）軸不同衝（chōng）程要（yào）求）—曲柄連杆機構6—扇形輪7傳動，使刀具主軸8上下往複運動。在皮帶輪3處安裝電磁離合器機（jī）構（機械抱閘）。上停動作通過控製機械抱閘實現。機床傳動（dòng）皮帶是易損件，定時要更換，更換皮帶必須將（jiāng）電磁離合器機構（gòu）先拆下（xià）再（zài）裝上。工人（rén）工作量很大，需要一天多（duō）的時間，不便於機床機械維修。切削工件時由於刀具主軸傳動（dòng）慣性大，不易使刀具準確停在對刀位置上。使用主軸伺服控（kòng）製器後，取消了電磁離合器裝置，利（lì）用伺服控製器的電機準停和準停到位功能實現了刀具主軸上停動作。並且（qiě）利用伺服（fú）控（kòng）製器的（de）零速伺服和零速到達的功能，使切削刀具能夠準（zhǔn）確停在工

件的對刀位置（zhì）上。

（2）取（qǔ）得的效（xiào）果：

A．實現了刀具（jù）主軸準確上停動作，解（jiě）決了機械抱閘上停不可（kě）靠的問題。

B．便於工件對刀，解決了因傳動慣性大不易使刀具準確停在對刀（dāo）位置上的問題。。

C．解決了（le）機床的裝配和（hé）機械（xiè）維修不方便的問（wèn）題，降低了工人的勞（láo）動強度，提高了工作效（xiào）率。

D．降低了機床製造成本8000元/台，實現了機床的降本增效（xiào），提高（gāo）了機床的（de）市場競爭力。

四、結束語

通過以上3個改進實例說明，應用IMS係列伺服控製器和TSM係列交流異步伺服電（diàn）機新技術做齒輪機床的刀具主軸驅動，為數控銑齒機、數控插齒機的刀具主軸控製帶來了飛躍性的技術升級。不（bú）僅增加了機床（chuáng）功能特性，提高了機床（chuáng）自動化程度和工作效率，解決了機床的（de）噪音大（dà）、零件加工精度偏低、機械維修不方便等問題，而且降低了機床（chuáng）製造成本（běn）和工（gōng）人的勞動強度，實現了機床的降本增效，提高了機床的市場競爭力。

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