交流異步伺服系統(tǒng)在重型臥車上的應(yīng)用開發(fā)

張莉軍 杜宏祺

（齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005）

1 概述

傳統(tǒng)的重型臥車，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置繁多，為加工和生產(chǎn)帶來了許多不便。數(shù)控臥車的結(jié)構(gòu)簡單，但如果需要實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)功能就必須借助數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控臥車系統(tǒng)雖然應(yīng)用非常廣泛，但對于重型臥車這樣的粗加工設(shè)備，其操作過于繁瑣，不利于工人掌握和實(shí)際操作。如何能讓重型臥車的結(jié)構(gòu)像數(shù)控臥車一樣簡單，同時(shí)又像普通車床一樣操作容易，成為了許多重型臥車廠家思考的問題。

普通機(jī)床采用伺服系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)單元以簡化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)取代齒輪箱已經(jīng)是機(jī)床發(fā)展的趨勢。時(shí)光交流異步伺服控制器在高性能的交流異步伺服電動(dòng)機(jī)的配合下，調(diào)速比可以達(dá)到1∶25 000，已經(jīng)完全能夠滿足普通機(jī)床進(jìn)給和主軸的調(diào)速要求。時(shí)光交流異步伺服系統(tǒng)作為伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，既能配套數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重型臥車的進(jìn)給和主軸功能，又能憑借其獨(dú)有的內(nèi)置PLC功能，脫離數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對重型臥車的簡易化操作。時(shí)光交流伺服獨(dú)有的可編程脈沖同步控制功能，使重型臥車基于數(shù)控臥車結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)成為可能，可以輕松實(shí)現(xiàn)螺紋加工、直線插補(bǔ)，并可以通過電子齒輪功能調(diào)節(jié)螺紋的螺距及插補(bǔ)的角度。

交流伺服系統(tǒng)的性能和功能滿足了重型臥車簡化結(jié)構(gòu)、簡化操作的要求，為重型臥車的應(yīng)用提供了條件。而且這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常適合數(shù)控化改造或者數(shù)控+簡易一體化控制，進(jìn)行改造時(shí)只需要增加一個(gè)數(shù)控單元，連接對應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就完成了數(shù)控改造，所有驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械都無需更改。

2 時(shí)光交流異步伺服控制器在重型臥車上的應(yīng)用

如何利用好交流伺服系統(tǒng)的性能和資源，做好整體的系統(tǒng)方案，通過多伺服配合實(shí)現(xiàn)重型臥車的功能，同時(shí)簡化操作，這是個(gè)值得研究的課題。以下是我們在重型臥車系統(tǒng)中應(yīng)用的成功實(shí)例。重點(diǎn)解決了四個(gè)方面的問題。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡化

以往的重型臥車機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜主要有以下幾個(gè)方面的原因，其一是主軸箱檔位太多，為了實(shí)現(xiàn)普通電動(dòng)機(jī)配套主軸的大范圍、大轉(zhuǎn)矩切削，機(jī)械上至少要有四個(gè)檔位的變換;其二是機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)螺紋加工等聯(lián)動(dòng)功能，必須設(shè)計(jì)繁瑣的聯(lián)動(dòng)和換檔組合機(jī)構(gòu);其三是為了實(shí)現(xiàn)錐度加工必須設(shè)計(jì)有分度盤的刀架，以便加工時(shí)調(diào)節(jié)切削的角度。

采用交流伺服系統(tǒng)后，這些問題迎刃而解。首先，主軸采用交流伺服系統(tǒng)后，電動(dòng)機(jī)的電氣調(diào)速范圍得到了擴(kuò)大，電動(dòng)機(jī)恒功率區(qū)有效延長，可以達(dá)到1∶4以上，這就簡化了原來主軸箱變檔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，完全可以通過兩檔的變速就能實(shí)現(xiàn)原來的扭矩調(diào)速要求。其次，進(jìn)給軸采用交流伺服系統(tǒng)后，伺服系統(tǒng)1∶5 000的寬調(diào)速比特性，簡化了進(jìn)給軸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)都可以通過脈沖信號(hào)的同步來實(shí)現(xiàn)，這就省去了原來的機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置以及刀架分度盤等裝置。

通過這樣的升級，簡化了機(jī)械廠家設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝等多個(gè)環(huán)節(jié)的工作，有效提高了效率，節(jié)省了成本。

2.2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)方案參考普通臥車的操作方法設(shè)計(jì)，首先滿足操作人員的操作習(xí)慣。各個(gè)軸都可以獨(dú)立通過操作面板的按鈕操作，進(jìn)給軸有四種工作模式，分別是兩個(gè)檔位的電位器調(diào)速進(jìn)給模式、一個(gè)手脈微動(dòng)模式和一個(gè)快速移動(dòng)模式;主軸通過點(diǎn)動(dòng)電位器調(diào)速，可以實(shí)現(xiàn)正反方向的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行。這些功能的操作都充分地模仿普通臥車的操作方式，包括電子手輪都是X軸和Z軸各配套一個(gè)，模擬普通車床的手搖進(jìn)刀機(jī)構(gòu)。

除了普通車床的手動(dòng)操作功能以外，系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)定長進(jìn)給、直線插補(bǔ)、螺紋加工、恒線速車削等一系列功能。

定長功能是通過交流伺服系統(tǒng)的位置控制功能實(shí)現(xiàn)的。通過觸摸屏設(shè)定X軸和Z軸的進(jìn)給量，轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，再通過時(shí)光伺服系統(tǒng)的獨(dú)立定位功能實(shí)現(xiàn)精確的進(jìn)刀控制。時(shí)光伺服系統(tǒng)的定位精度為±0.036°，假設(shè):系統(tǒng)Z軸的減速比是1 ∶1，絲杠螺距為10 mm，則系統(tǒng)定位精度為±1 μm。

直線插補(bǔ)和螺紋加工功能都是通過時(shí)光交流伺服系統(tǒng)特有的脈沖同步功能實(shí)現(xiàn)的。通過Z軸和主軸編碼器脈沖的同步可以實(shí)現(xiàn)螺紋車削的功能，通過觸摸屏設(shè)定螺距的尺寸，計(jì)算出脈沖同步的電子齒輪比，從而實(shí)現(xiàn)不同螺距螺紋的加工。通過脈沖同步方向的控制，可以實(shí)現(xiàn)左旋和右旋螺紋的加工。通過主軸的分度定位功能，可以實(shí)現(xiàn)多頭螺紋的加工。通過X軸和Z軸電動(dòng)機(jī)編碼器脈沖的同步可以實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)的功能。由于時(shí)光伺服系統(tǒng)的電子齒輪比在（1∶30 000～30 000∶1）之間任意可調(diào)，通過觸摸屏的設(shè)定可以實(shí)現(xiàn)任意角度的直線插補(bǔ)。

恒線速切削是靠X軸和主軸配合實(shí)現(xiàn)的，X軸通過模擬量反饋當(dāng)前的位置給主軸驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過主軸驅(qū)動(dòng)的計(jì)算得出當(dāng)前主軸的工作頻率，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)恒線速車削。

2.3 人機(jī)界面的優(yōu)化

系統(tǒng)人機(jī)界面采用觸摸屏+按鈕站的方式，既滿足了普通操作工的操作習(xí)慣，又能通過觸摸屏的設(shè)定完成較為復(fù)雜的功能。

2.3.1 觸摸屏

時(shí)光交流伺服開放的422通訊協(xié)議，支持總線式多機(jī)通訊。重型臥車系統(tǒng)采用威綸通MT6070iH觸摸屏（見圖1），實(shí)現(xiàn)了對3臺(tái)伺服控制器的工作模式的選擇、工作參數(shù)的設(shè)定、速度位置的顯示等功能。

2.3.2 操作站

整個(gè)機(jī)床的操作都是通過按鈕站完成，這樣的設(shè)計(jì)符合操作工的操作習(xí)慣，操作站包括主軸控制部分、進(jìn)給控制部分，按鈕的布局采用最常見的車床操作站排布方式，方便操作者使用。操作站的按鈕也可以直接分布安裝在機(jī)床的對應(yīng)控制部分，使操作方法更接近于普通車床的操作習(xí)慣。圖2為按鈕站面板排布的示意圖。

2.4 輔助控制的集成

方案系統(tǒng)的一些輔助功能都和伺服機(jī)構(gòu)有密切的關(guān)系，如主軸換檔控制和主軸伺服系統(tǒng)有關(guān);刀塔換刀和進(jìn)給軸的伺服系統(tǒng)有關(guān)，因此這些輔助功能的控制最好集成到對應(yīng)的伺服系統(tǒng)中，以便更好地實(shí)現(xiàn)功能。

借助時(shí)光伺服系統(tǒng)獨(dú)有的內(nèi)置PLC功能，主軸伺服系統(tǒng)在完成主軸控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了四個(gè)檔位的主軸箱換檔控制，并且在換檔時(shí)控制主軸自動(dòng)擺動(dòng)。

刀塔換刀的控制功能集成到了Z軸的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了換刀過程和進(jìn)給軸的互鎖功能，防止了出現(xiàn)在工作過程中換刀引起的刀具、工件損壞事故。

3 電氣連接示意圖

電氣連接如圖3所示。

4 結(jié)語

通過研發(fā)與實(shí)踐，并經(jīng)過在重型臥車上的使用、驗(yàn)證，國產(chǎn)交流異步伺服系統(tǒng)專項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用取得了良好的效果。由時(shí)光交流異步伺服控制器構(gòu)成的機(jī)床交流伺服系統(tǒng)充分體現(xiàn)了當(dāng)代伺服技術(shù)的先進(jìn)性。而且鑒于立車和臥車較為相似的功能特性，這套系統(tǒng)還可以有效地應(yīng)用于立車系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)一套設(shè)計(jì)多種應(yīng)用。采用國產(chǎn)數(shù)字化的伺服系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)，完全能發(fā)揮出最高的技術(shù)水平和最大的經(jīng)濟(jì)效益。