立式車床的數(shù)控系統(tǒng)配置與選型

易 偉， 楊 潔

(西南林業(yè)大學(xué)機械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

立式車床的數(shù)控系統(tǒng)配置與選型

易 偉， 楊 潔

(西南林業(yè)大學(xué)機械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

以西門子808D系統(tǒng)在立式車床的應(yīng)用為例，從軟硬件兩個方面闡述了立式車床傳動的功能布局及控制系統(tǒng)的作用，并對系統(tǒng)配置選型時所采用的計算方法及相關(guān)步驟進行了闡述。

立式車床；數(shù)控系統(tǒng)；配置；選型

隨著我國汽車、高鐵、電機等行業(yè)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(tǒng)加工中一般使用中大型的臥式車床，其缺陷是裝夾工件不便，精度及加工效率低。因此許多機床生產(chǎn)企業(yè)為順應(yīng)市場的需求，設(shè)計制造了多種立式加工設(shè)備，極大地減少了裝夾時間，提高了加工精度和生產(chǎn)效率。

數(shù)控立式車床在保留原有普通立式車床大部分主體結(jié)構(gòu)的前提下取消了進給系統(tǒng)，將原進給傳動系統(tǒng)改為使用伺服電機直接連接滾珠絲杠帶動車床本體運動；保持原有的底座變速箱結(jié)構(gòu)不變，將主電機由普通電機改為伺服主軸電機，同時在主軸底部安裝有編碼器，以實現(xiàn)無級變速和螺紋切削功能；重新設(shè)計了滑動本體結(jié)構(gòu)，在本體上安裝多工位電動刀臺，從而可實現(xiàn)根據(jù)數(shù)控程序自動換刀等功能[1]。

本文以CKS5160數(shù)控立式車床為例對機床電機的選型及數(shù)控系統(tǒng)的基本功能進行闡述。該設(shè)備通過控制伺服主軸電機來實現(xiàn)工作臺的無級調(diào)速，控制X、Z軸的交流伺服電機實現(xiàn)刀具的進給，同時針對工藝要求，調(diào)用PLC子程序?qū)崿F(xiàn)對電動刀臺、液壓系統(tǒng)的控制，粗、精加工可自動換刀并自動調(diào)整夾具的液壓夾緊力。機床外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機床外形結(jié)構(gòu)

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

機床控制系統(tǒng)可控制和保證機械系統(tǒng)的良好運轉(zhuǎn)，確保設(shè)備的精度。因此控制系統(tǒng)、電氣元器件等必須以機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依托進行選擇。

1.1 傳動系統(tǒng)部件選型

機床傳動系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

圖2 機床傳動系統(tǒng)簡圖1.主電機；2.底座主軸變速箱；3.主軸；4.X軸電機；5.Z軸電機；6.車床本體；7.滑枕

立式車床主要包括底座、橫梁、立柱、滑枕、滑動本體、升降箱體等部件，傳動控制系統(tǒng)分為底座主傳動系統(tǒng)、X軸進給系統(tǒng)、Z軸進給系統(tǒng)三部分。

1.1.1 主電機類型選擇

數(shù)控立式車床主傳動系統(tǒng)由電機通過底座齒輪箱帶動主軸旋轉(zhuǎn)。為了保證加工過程中工件質(zhì)量的一致性，需要保證恒線速度切削加工，即必須保證數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)﹄姍C進行無級調(diào)速；同時為了保證車床有車削螺紋的功能，需要通過系統(tǒng)來協(xié)調(diào)工作臺轉(zhuǎn)速與螺紋車刀之間的進給關(guān)系，因此在主軸底部安裝有光電式脈沖編碼器，通過編碼器將主軸角位移信號傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)對信號進行處理后，再將信號傳送到進給電機，從而實現(xiàn)協(xié)調(diào)主軸轉(zhuǎn)速與進給量的目的[2]。

為實現(xiàn)主軸的無級變速，有以下兩種方案可供選擇：

(1)主電機采用變頻調(diào)速電機，通過變頻器控制主軸電機的轉(zhuǎn)速變化，從而實現(xiàn)主軸的無級變速；

(2)主電機采用伺服主軸電機，通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)來控制主電機的旋轉(zhuǎn)速度。

變頻調(diào)速電機價格低廉，易于安裝，但由于調(diào)速電機的結(jié)構(gòu)特性，當(dāng)電機調(diào)頻在基率以下時功率會急劇減小，因此一般只適用于較高轉(zhuǎn)速的加工情況，而伺服主軸電機則可以保證在較低轉(zhuǎn)速時依然有較高的輸出扭矩。本文討論的CKS5160立式車床，工作速度一般為50～100 r/min，而且切削量較大，變頻調(diào)速電機不能保證這種轉(zhuǎn)速的扭矩需求，因此主傳動系統(tǒng)中電機選用伺服主軸電機，然后通過底座變速箱放大扭矩實現(xiàn)低速高扭矩輸出。

1.1.2 主電機參數(shù)選擇

功率和扭矩是電機的基本參數(shù)。首先根據(jù)待加工的零件材料類型、切削深度、切削速度及進給量等相關(guān)參數(shù)計算切削力，然后根據(jù)機床最大的加工直徑計算出切削扭矩，繼而得出機床的主傳動功率。然后根據(jù)計算出的扭矩、功率、主軸工作轉(zhuǎn)速，以及底座變速箱的齒數(shù)比來選擇電機[3]。

切削力及切削功率的計算公式如下：

切削時消耗的功率Pc：Pc=Fc×Vc×10-3(kW)

式中：ap為背吃刀量(mm)；V為切削速度(m/s)；Vc為切削線速度(m/s)，KFC、KFP、KFf均為修正系數(shù)。

車削時切削力及功率公式中的系數(shù)和指數(shù)見表1，這些參數(shù)是在一定的試驗條件下得出的，若計算的實際條件與試驗條件不符，則還需要分別乘以相應(yīng)的修正系數(shù)[4]。

表1 車削時切削力及功率公式中的系數(shù)和指數(shù)

加工材料刀具材料加工形式公式中的系數(shù)和指數(shù)主切削力FCCFCXFCYFCNFC切深抗力FPCFPXFPYFPNFP進給抗力FfCFfXFfYFfNFf結(jié)構(gòu)鋼及鑄鋼σb=0673GPa硬質(zhì)合金ABC27010075-0151990906-032941005-04DE3070720801420730670----F133-17071--------

1.1.3 主軸脈沖編碼器選擇

采用脈沖編碼器主要是為了實現(xiàn)切削螺紋功能，因此必須按照主軸的最高轉(zhuǎn)速來選擇。選擇時在滿足功能要求的基礎(chǔ)上還要盡量考慮到經(jīng)濟實用。本文選擇的是長春博辰光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BC38S系列增量式脈沖光電編碼器。

1.2 橫向進給傳動系統(tǒng)

1.2.1 相關(guān)參數(shù)計算

立式車床橫向進給系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 立式車床橫向進給系統(tǒng)示意圖

(1)機床切削功率：

Nc=N×η×K

式中：N為主電機功率(kW)；η為主傳動系統(tǒng)效率(%)；K為進給系統(tǒng)功率系數(shù)。

(2)滾珠絲杠承受的軸向載荷P：

P=KFx+f(Fz+W)

式中：Fx=(0.1～0.6)Fz；W為本體質(zhì)量。

根據(jù)具體切削時的切削速度、進給量、工件最大直徑可計算出滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速、絲杠壽命及最大動載荷[5]，根據(jù)最大動載荷可查閱相關(guān)滾珠絲杠的選型樣本進行選擇，然后再根據(jù)絲杠副的傳動效率進行剛度及穩(wěn)定性校核。

1.2.2 電機選擇

確定滾珠絲杠后，可根據(jù)車床本體、絲杠轉(zhuǎn)動慣量、切削速度、絲杠尺寸參數(shù)來計算電機所需扭矩，從而選擇電機[6]。

快速空載啟動時所需的轉(zhuǎn)矩為：

M1=Mamax+Mf+M0

最大切削負載時所需的轉(zhuǎn)矩為：

M2=Mat+Mf+M0+Mt

快速進給時所需的轉(zhuǎn)矩為：

M3=Mf+M0

式中：Mamax為空載最大加速轉(zhuǎn)矩；Mat為切削加速轉(zhuǎn)矩；Mf為摩擦轉(zhuǎn)矩；Mt為切削負載轉(zhuǎn)矩；M0為絲杠預(yù)緊附加轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)以上各式可計算出所需轉(zhuǎn)矩，計算出相關(guān)參數(shù)后即可確定電機類型。

1.3 縱向進給傳動系統(tǒng)

縱向進給傳動系統(tǒng)設(shè)計與橫向進給傳動系統(tǒng)相似，電機通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲桿移動，從而實現(xiàn)刀架在垂直方向上的上下運動。所不同的是由于是在垂直方向上運動，為了防止忽然斷電、掉刀或其他特殊情況發(fā)生時出現(xiàn)事故，縱向電機需要帶抱閘功能。

1.4 數(shù)控系統(tǒng)

至此，數(shù)控系統(tǒng)基本部件的選擇已經(jīng)完成。根據(jù)工件的材料、切削速度、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的功率，并選擇與主電機相關(guān)的元器件；然后根據(jù)進給速度、切削力的大小確定滾珠絲杠并進行校驗；選定滾珠絲桿后，根據(jù)整體的轉(zhuǎn)動慣量、進給速度及使用壽命等進一步確定電機的相關(guān)參數(shù)，最后確定進給電機的型號。

由于數(shù)控立式車床加工的零部件一般精度要求較低，因此控制系統(tǒng)大多選用開環(huán)控制。數(shù)控系統(tǒng)需要能夠控制三個軸，其中包括兩個進給軸和一個主軸，同時伺服的功率范圍應(yīng)適合于已經(jīng)確定的電機，并且系統(tǒng)要運行速度快、安裝方便、性能穩(wěn)定、價位合理，很多機械設(shè)備廠家都選擇西門子808D車削系統(tǒng)作為立式車床的數(shù)控系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)功能

808D車削控制系統(tǒng)主要控制主軸轉(zhuǎn)速系統(tǒng)、X軸進給系統(tǒng)、Z軸進給系統(tǒng)，根據(jù)西門子808D調(diào)試手冊，數(shù)控系統(tǒng)配置如圖4所示。

圖4 數(shù)控系統(tǒng)配置

2.1 主軸控制系統(tǒng)

立式車床主軸帶動工作臺旋轉(zhuǎn)，工作臺上安裝四爪卡盤或?qū)Ｓ脢A具固定工件，通過車刀的水平、垂直進給來完成對零件的切削。為了實現(xiàn)車削螺紋功能，需準(zhǔn)確傳輸主軸的角位移信號，同時還要保證編碼器的運行平穩(wěn)，因此將編碼器與主軸通過小型聯(lián)軸器同軸安裝。根據(jù)控制主軸旋轉(zhuǎn)方向的不同方式，可以分為單極性主軸和雙極性主軸兩類，下面以單極性主軸為例，說明其主要連接方式[7]。

X54為主軸模擬量接口，AO和AGND引腳輸出 0～10V 模擬量電壓信號來控制主軸的轉(zhuǎn)速?？焖佥斎?輸出接口X21的信號用于控制正反轉(zhuǎn)向，接口X60用于接收主軸編碼器的信號，從而協(xié)調(diào)主軸轉(zhuǎn)速和X軸、Z軸進給量，實現(xiàn)螺紋加工。主軸編碼器接口先連接主軸伺服驅(qū)動器后再連接面板X60[8]，如圖5所示，雙極性主軸連接方式在調(diào)試手冊中有詳細說明。

2.2 進給系統(tǒng)

立式車床控制的電機除主軸電機外，還包括另外兩個進給電機。進給系統(tǒng)包括X軸進給及 Z軸進給，在面板控制單元中，X51、X52、X53接口是脈沖驅(qū)動接口，用于連接到進給電機伺服驅(qū)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用于連接MCP的USB接口，X1為電源接口等。面板控制單元接口布局(后視圖)如圖6所示，接口見表2。

圖5 單極性主軸連接示意圖

圖6 面板控制單元接口布局(后視圖)

表2 面板控制單元(PPU)接口

圖示接口注釋后視圖①X100、X101、X102數(shù)字量輸入②X200、X201數(shù)字量輸出③X21快速輸入/輸出④X301、X302分布式輸入/輸出⑤X10手輪輸入⑥X60主軸編碼器接口⑦X54模擬量主軸接口⑧X2RS232接口⑨X51、X52、X53脈沖驅(qū)動接口⑩X30用于連接MCP的USB接口X1電源接口；連接+24V直流電源-電池接口-系統(tǒng)CF卡卡槽

2.3 其他

其余如冷卻、刀架等相關(guān)輔助功能都是標(biāo)準(zhǔn)連接，在調(diào)試手冊中有詳細講解。需要注意的是：西門子數(shù)控系統(tǒng)在出廠時都配置有相應(yīng)的樣例PLC程序[9-11]，相應(yīng)的 PLC 輸入輸出點已經(jīng)定義完成，設(shè)計控制線路時需要據(jù)此連接才能保證軟硬件的配合。其他如電源、變壓器、必要的繼電器連接等，大多在單獨的電器柜中。

3 結(jié)束語

隨著企業(yè)對零件加工精度和生產(chǎn)效率要求的日益提高，在汽車輪轂、電機殼、鑄件粗精加工等行業(yè)，數(shù)控立式車床比臥式的設(shè)備更加適合于流水線作業(yè)，同時還具有成本低、效率高、裝夾方便等特點，目前許多企業(yè)如江西特種電機股份有限公司、湖南天能電機制造有限公司等企業(yè)都已逐步采用數(shù)控立式車床來替代原有的加工設(shè)備，并取得了良好的生產(chǎn)效益。

國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)在基本的功能和運用上沒有太大的區(qū)別，由于立式車床多用于粗加工，一般所處生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣，機床對系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性要求比較高。在同等價位的前提下，西門子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性有明顯優(yōu)勢，加之模塊化設(shè)計及強大的擴展功能，使得西門子系統(tǒng)在許多經(jīng)濟型數(shù)控設(shè)備中被廣泛使用。

[1] 周宏文.車床C620的數(shù)控改造[D].沈陽：東北大學(xué)，2007.

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(責(zé)任編輯 王琦)

Configuration and Selection the CNC System of Vertical Lathes

YI Wei，YANG Jie

(School of Transportation and Machinery Engineering，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China)

Taking the application of SIEMENS 808D system in vertical lathes as an example，the functional layout of vertical lathe transmission and role of the control system are stated in terms of hardware and software and the calculation method used for system configuration and selection and relevant steps are stated.

vertical lathe；numerical control system；configuration；type selection

2016-09-18

易 偉(1981-)，男，湖南岳陽人，碩士研究生，主要研究方向機械制造及其自動化，E-mail：autocad13@163.com。

TG659；TS642

A

2095-2953(2017)01-0033-05