易 偉， 楊 潔

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

立式車(chē)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(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

以西門(mén)子808D系統(tǒng)在立式車(chē)床的應(yīng)用為例，從軟硬件兩個(gè)方面闡述了立式車(chē)床傳動(dòng)的功能布局及控制系統(tǒng)的作用，并對(duì)系統(tǒng)配置選型時(shí)所采用的計(jì)算方法及相關(guān)步驟進(jìn)行了闡述。

立式車(chē)床；數(shù)控系統(tǒng)；配置；選型

隨著我國(guó)汽車(chē)、高鐵、電機(jī)等行業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)輪轂、電機(jī)殼等中大型盤(pán)類(lèi)零件的需求越來(lái)越多，在傳統(tǒng)加工中一般使用中大型的臥式車(chē)床，其缺陷是裝夾工件不便，精度及加工效率低。因此許多機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)為順應(yīng)市場(chǎng)的需求，設(shè)計(jì)制造了多種立式加工設(shè)備，極大地減少了裝夾時(shí)間，提高了加工精度和生產(chǎn)效率。

數(shù)控立式車(chē)床在保留原有普通立式車(chē)床大部分主體結(jié)構(gòu)的前提下取消了進(jìn)給系統(tǒng)，將原進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)改為使用伺服電機(jī)直接連接滾珠絲杠帶動(dòng)車(chē)床本體運(yùn)動(dòng)；保持原有的底座變速箱結(jié)構(gòu)不變，將主電機(jī)由普通電機(jī)改為伺服主軸電機(jī)，同時(shí)在主軸底部安裝有編碼器，以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速和螺紋切削功能；重新設(shè)計(jì)了滑動(dòng)本體結(jié)構(gòu)，在本體上安裝多工位電動(dòng)刀臺(tái)，從而可實(shí)現(xiàn)根據(jù)數(shù)控程序自動(dòng)換刀等功能[1]。

本文以CKS5160數(shù)控立式車(chē)床為例對(duì)機(jī)床電機(jī)的選型及數(shù)控系統(tǒng)的基本功能進(jìn)行闡述。該設(shè)備通過(guò)控制伺服主軸電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的無(wú)級(jí)調(diào)速，控制X、Z軸的交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)刀具的進(jìn)給，同時(shí)針對(duì)工藝要求，調(diào)用PLC子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)刀臺(tái)、液壓系統(tǒng)的控制，粗、精加工可自動(dòng)換刀并自動(dòng)調(diào)整夾具的液壓夾緊力。機(jī)床外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)床外形結(jié)構(gòu)

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)床控制系統(tǒng)可控制和保證機(jī)械系統(tǒng)的良好運(yùn)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(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依托進(jìn)行選擇。

1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)部件選型

機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1.主電機(jī)；2.底座主軸變速箱；3.主軸；4.X軸電機(jī)；5.Z軸電機(jī)；6.車(chē)床本體；7.滑枕

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

1.1.1 主電機(jī)類(lèi)型選擇

數(shù)控立式車(chē)床主傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)通過(guò)底座齒輪箱帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。為了保證加工過(guò)程中工件質(zhì)量的一致性，需要保證恒線(xiàn)速度切削加工，即必須保證數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速；同時(shí)為了保證車(chē)床有車(chē)削螺紋的功能，需要通過(guò)系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)工作臺(tái)轉(zhuǎn)速與螺紋車(chē)刀之間的進(jìn)給關(guān)系，因此在主軸底部安裝有光電式脈沖編碼器，通過(guò)編碼器將主軸角位移信號(hào)傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，再將信號(hào)傳送到進(jìn)給電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量的目的[2]。

為實(shí)現(xiàn)主軸的無(wú)級(jí)變速，有以下兩種方案可供選擇：

(1)主電機(jī)采用變頻調(diào)速電機(jī)，通過(guò)變頻器控制主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，從而實(shí)現(xiàn)主軸的無(wú)級(jí)變速；

(2)主電機(jī)采用伺服主軸電機(jī)，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)控制主電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

變頻調(diào)速電機(jī)價(jià)格低廉，易于安裝，但由于調(diào)速電機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，當(dāng)電機(jī)調(diào)頻在基率以下時(shí)功率會(huì)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(jī)則可以保證在較低轉(zhuǎn)速時(shí)依然有較高的輸出扭矩。本文討論的CKS5160立式車(chē)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(jī)不能保證這種轉(zhuǎn)速的扭矩需求，因此主傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)選用伺服主軸電機(jī)，然后通過(guò)底座變速箱放大扭矩實(shí)現(xiàn)低速高扭矩輸出。

1.1.2 主電機(jī)參數(shù)選擇

功率和扭矩是電機(jī)的基本參數(shù)。首先根據(jù)待加工的零件材料類(lèi)型、切削深度、切削速度及進(jìn)給量等相關(guān)參數(shù)計(jì)算切削力，然后根據(jù)機(jī)床最大的加工直徑計(jì)算出切削扭矩，繼而得出機(jī)床的主傳動(dòng)功率。然后根據(jù)計(jì)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(lái)選擇電機(jī)[3]。

切削力及切削功率的計(jì)算公式如下：

切削時(shí)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(xiàn)速度(m/s)，KFC、KFP、KFf均為修正系數(shù)。

車(chē)削時(shí)切削力及功率公式中的系數(shù)和指數(shù)見(jiàn)表1，這些參數(shù)是在一定的試驗(yàn)條件下得出的，若計(jì)算的實(shí)際條件與試驗(yàn)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(chē)削時(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)切削螺紋功能，因此必須按照主軸的最高轉(zhuǎn)速來(lái)選擇。選擇時(shí)在滿(mǎn)足功能要求的基礎(chǔ)上還要盡量考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)用。本文選擇的是長(zhǎng)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(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)

1.2.1 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

立式車(chē)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 立式車(chē)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)示意圖

(1)機(jī)床切削功率：

Nc=N×η×K

式中：N為主電機(jī)功率(kW)；η為主傳動(dòng)系統(tǒng)效率(%)；K為進(jìn)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(shí)的切削速度、進(jìn)給量、工件最大直徑可計(jì)算出滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速、絲杠壽命及最大動(dòng)載荷[5]，根據(jù)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，然后再根據(jù)絲杠副的傳動(dòng)效率進(jìn)行剛度及穩(wěn)定性校核。

1.2.2 電機(jī)選擇

確定滾珠絲杠后，可根據(jù)車(chē)床本體、絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、切削速度、絲杠尺寸參數(shù)來(lái)計(jì)算電機(jī)所需扭矩，從而選擇電機(jī)[6]。

快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩為：

M1=Mamax+Mf+M0

最大切削負(fù)載時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩為：

M2=Mat+Mf+M0+Mt

快速進(jìn)給時(shí)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(fù)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(jì)算出所需轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出相關(guān)參數(shù)后即可確定電機(jī)類(lèi)型。

1.3 縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)

縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)相似，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲桿移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)刀架在垂直方向上的上下運(yùn)動(dòng)。所不同的是由于是在垂直方向上運(yùn)動(dòng)，為了防止忽然斷電、掉刀或其他特殊情況發(fā)生時(shí)出現(xiàn)事故，縱向電機(jī)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(jī)的功率，并選擇與主電機(jī)相關(guān)的元器件；然后根據(jù)進(jìn)給速度、切削力的大小確定滾珠絲杠并進(jìn)行校驗(yàn)；選定滾珠絲桿后，根據(jù)整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、進(jìn)給速度及使用壽命等進(jìn)一步確定電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，最后確定進(jìn)給電機(jī)的型號(hào)。

由于數(shù)控立式車(chē)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(kāi)環(huán)控制。數(shù)控系統(tǒng)需要能夠控制三個(gè)軸，其中包括兩個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)主軸，同時(shí)伺服的功率范圍應(yīng)適合于已經(jīng)確定的電機(jī)，并且系統(tǒng)要運(yùn)行速度快、安裝方便、性能穩(wěn)定、價(jià)位合理，很多機(jī)械設(shè)備廠(chǎng)家都選擇西門(mén)子808D車(chē)削系統(tǒng)作為立式車(chē)床的數(shù)控系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)功能

808D車(chē)削控制系統(tǒng)主要控制主軸轉(zhuǎn)速系統(tǒng)、X軸進(jìn)給系統(tǒng)、Z軸進(jìn)給系統(tǒng)，根據(jù)西門(mén)子808D調(diào)試手冊(cè)，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(chē)床主軸帶動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，工作臺(tái)上安裝四爪卡盤(pán)或?qū)Ｓ脢A具固定工件，通過(guò)車(chē)刀的水平、垂直進(jìn)給來(lái)完成對(duì)零件的切削。為了實(shí)現(xiàn)車(chē)削螺紋功能，需準(zhǔn)確傳輸主軸的角位移信號(hào)，同時(shí)還要保證編碼器的運(yùn)行平穩(wěn)，因此將編碼器與主軸通過(guò)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(lèi)，下面以單極性主軸為例，說(shuō)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(hào)來(lái)控制主軸的轉(zhuǎn)速?？焖佥斎?輸出接口X21的信號(hào)用于控制正反轉(zhuǎn)向，接口X60用于接收主軸編碼器的信號(hào)，從而協(xié)調(diào)主軸轉(zhuǎn)速和X軸、Z軸進(jìn)給量，實(shí)現(xiàn)螺紋加工。主軸編碼器接口先連接主軸伺服驅(qū)動(dòng)器后再連接面板X(qián)60[8]，如圖5所示，雙極性主軸連接方式在調(diào)試手冊(cè)中有詳細(xì)說(shuō)明。

2.2 進(jìn)給系統(tǒng)

立式車(chē)床控制的電機(jī)除主軸電機(jī)外，還包括另外兩個(gè)進(jìn)給電機(jī)。進(jìn)給系統(tǒng)包括X軸進(jìn)給及 Z軸進(jìn)給，在面板控制單元中，X51、X52、X53接口是脈沖驅(qū)動(dòng)接口，用于連接到進(jìn)給電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)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(jiàn)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(dòng)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(cè)中有詳細(xì)講解。需要注意的是：西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)在出廠(chǎng)時(shí)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(diǎn)已經(jīng)定義完成，設(shè)計(jì)控制線(xiàn)路時(shí)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(dú)的電器柜中。

3 結(jié)束語(yǔ)

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

國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)在基本的功能和運(yùn)用上沒(méi)有太大的區(qū)別，由于立式車(chē)床多用于粗加工，一般所處生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣，機(jī)床對(duì)系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性要求比較高。在同等價(jià)位的前提下，西門(mén)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性有明顯優(yōu)勢(shì)，加之模塊化設(shè)計(jì)及強(qiáng)大的擴(kuò)展功能，使得西門(mén)子系統(tǒng)在許多經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中被廣泛使用。

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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(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向機(jī)械制造及其自動(dòng)化，E-mail：autocad13@163.com。

TG659；TS642

A

2095-2953(2017)01-0033-05