普通機床數(shù)控化改造主要部件的確定方法

1、普通機床數(shù)控化改造主要部件的確定方法趙中敏（淮海工學院， 222005）摘要： 普通機床的數(shù)控化改造已成為企業(yè)提高自身自動化程度的一種重要手段， 文章以 典型的普通車床的數(shù)控化改造為例， 就在數(shù)控改造中經(jīng)常遇到的幾個問題， 包括系統(tǒng)運動方 案、進給伺服系統(tǒng)、 步進電機、 伺服電機、 數(shù)控系統(tǒng)的選擇和計算及電氣系統(tǒng)的非標準化設 計做了詳細的介紹，并提出了相應的解決辦法，為數(shù)控機床改造提供了參考。關鍵詞： 數(shù)控化改造；步進電機；交流伺服電機；數(shù)控系統(tǒng)；電氣控制中圖分類號：TG659文獻標識碼：B文章編號：1004-0420（2008）02-0020-04The settle method of t

2、he main parts for the common machine tool NC reformationZHAO Zhong min（Huaihai Institute of Technology, 222005 ）Abstract： The number of the common machine tool controls to turn a kind of important means that the reformation has become the business enterprise exaltation oneself automation degree, the

3、 article is to take the number of the common lather of the typical model control turn reformation as an example, for a few problems that meet usually in count control reform, include the system sport project and enter to the servo system, tread into the electrical engineering, servo electrical engin

4、eering, count to control the system of choice and calculations and the electricity system standardized the design to do the detailed introduction not, and put forward the homologous solution, controlling the tool machine reformation to provide the reference for the number.Key words： NC reformation;

5、stepping motor; AC servo motor; NC system; electric control0 前言數(shù)控技術由于其種種優(yōu)點，使數(shù)控系統(tǒng)已成為我國機械制造工業(yè)和國民經(jīng)濟的重要裝 備，其發(fā)展直接關系到我國的多個領域。 但是我國很多企業(yè)中普通機床的占有量還是很巨大 的，許多機床已經(jīng)使用 20 年以上， 急需數(shù)控機床來更新?lián)Q代， 但是由于數(shù)控機床價格昂貴， 所以對普通機床進行數(shù)控改造成為一個很好的出路。下面對這幾個方面進行討論。1 系統(tǒng)運動方案的確定數(shù)控系統(tǒng)運動方式按運動軌跡可分為點位控制系統(tǒng)（P系統(tǒng)）、連續(xù)控制系統(tǒng)（C系統(tǒng)）。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削， 可選用

6、點位控制系統(tǒng)。 這類控制系統(tǒng)要求刀具 從一點快速移動到另一點的準確位置，保證其定位精度。而對其運動軌跡不加控制。例如， 數(shù)控鉆床， 數(shù)控鏜床等屬于這種點位控制系統(tǒng)。 如果要求工作臺或刀具沿各自的坐標軸運動 軌跡符合某種確定的函數(shù)關系則選擇連續(xù)控制系統(tǒng)， 這類系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標方向 的位移進行嚴格的不間斷控制， 通過計算機給定的運動代碼指令和進給速度， 計算刀具相對 工件的運動軌跡。例如，數(shù)控銑床，數(shù)控車床等。2 進給伺服系統(tǒng)的選擇及伺服驅(qū)動裝置的確定數(shù)控機床的進給運動是通過伺服系統(tǒng)接收到控制系統(tǒng)發(fā)出的指令和信號后按照程序由 伺服驅(qū)動裝置、 機械傳動機構、 工作臺、 主軸頭架等實現(xiàn)的。

7、伺服系統(tǒng)按照控制方式可分為 開環(huán)、 閉環(huán)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)能夠及時的把運動部件的位置、 速度等信息反 饋給伺服系統(tǒng)， 伺服系統(tǒng)在與實際信息進行比較后及時發(fā)出補償控制命令， 從而減少了誤差 的可能性，提高了精度。所以，當要求定位誤差范圍內(nèi)時，可采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。這樣各種 影響定位精度的因素都可以得以補償。 但是，考慮到閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試和維修比較困難的缺點， 選擇伺服系統(tǒng)時要綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 成本及機床規(guī)格大小等其他因素。 權衡利弊， 制 定出性價比較高的方案。使所選擇的系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、高精度、快速響應的特點。伺服驅(qū)動裝置是位于電氣控制裝置和機械執(zhí)行裝置接點部位的一種能量轉(zhuǎn)換裝置

8、。 它能 在控制裝置的控制下， 將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機械能。 目前大多數(shù)伺服驅(qū)動裝置都 已經(jīng)形成系列， 所以在設計過程中可以根據(jù)需要進行合理的選擇。 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)可以把 輸入的數(shù)字指令信號轉(zhuǎn)換為相應的角位移， 通過電機定子的換相次數(shù) （脈沖數(shù)） 來決定步進 電機的轉(zhuǎn)角， 通過換相的頻率決定電機的轉(zhuǎn)速， 而電機的轉(zhuǎn)向則由通電順序決定。 由于步進 電機成本較低，又易于實現(xiàn)計算機控制，故被廣泛的應用在開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中。而在閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)中多采用響應速度快、 精度和效率高、 調(diào)速范圍較寬、 負載能力 較大、控制特性優(yōu)良的直流伺服電動機。3 電機的選擇考慮到直流伺服電機的價格昂貴， 在普通機

9、床的數(shù)控化改造中一般采用步進電機和交流 伺服電機。 步進電機采用脈沖數(shù)字信號進行控制， 每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)步距誤差自動變?yōu)榱悖?易于控制， 且價格低廉。 進給驅(qū)動系統(tǒng)中一般采用的交流伺服電機是永磁式交流伺服電機。 它結(jié)構簡單、 運行可靠、 效率高； 缺點是體積大、 啟動特性欠佳。 在選擇電機時要根據(jù)實際情況選擇合適 的電機。 電機選擇的好壞直接影響了機床的加工精度、 表面精度及機床的快速反應性。 電機 參數(shù)的選擇及計算是選擇電機的關鍵步驟。 按正確的步驟運算、 準確地使用公式及精確地選 擇參數(shù)是正確選擇電機的關鍵。3.1 步進電機的選擇方法3.1.1步距角3的選擇其中： I-脈沖當量（mm/Hz）;i-

10、傳動比；t-絲杠螺距（mm ）。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36/0.72（五相電機） ，0.9/1.8（二、四相電機），1.5/3 （三相電機） 。步距角可選擇最接近計算結(jié)果的標準值。如果還要細分， 可在驅(qū)動器上設置。 電機相數(shù)越小， 負載轉(zhuǎn)矩也越小。 若電機負載慣量大時， 低頻共振現(xiàn)象 會比較突出（尤其是單三拍運行方式） 。3.1.2 步距精度的選擇由一般的機床數(shù)控化改造而成的數(shù)控機床都是開環(huán)控制系統(tǒng)， 系統(tǒng)的精度主要取決于步 進電機精度和傳動件的定位誤差。 在步進電機產(chǎn)品樣本中給出的步距精度是在空載情況下轉(zhuǎn) 子離開準確位置的最大偏移量， 是靜態(tài)誤差。 系統(tǒng)的動態(tài)誤差是在頻率發(fā)生突

11、變及低頻和高 頻振蕩過程中存在的實際位置與理論位置之差。 在實際運轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)子的最終運動質(zhì)量 （影響加 工工件的表面精度）可以采用細分電路控制。靜態(tài)誤差：AB j=A 3 +A 3 C+A 3 f。其中：A 3 -電機的步距誤差（）；A 3 c-傳動件的累積誤差（）;A 3 f-由摩擦負載引起的隨機誤差（）。其中：m-拍數(shù)；Me2-系統(tǒng)干摩擦轉(zhuǎn)矩（N m）;Mm-步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩（N m）;一般要求： 。3.1.3 轉(zhuǎn)矩的選擇轉(zhuǎn)矩的選擇包括最大靜轉(zhuǎn)矩、定位轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩的計算和選擇。 最大靜轉(zhuǎn)矩 Mmax 的計算步進電機工作時， 所需轉(zhuǎn)矩有空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩Mmax 、折算到電

12、機軸上的摩擦力矩 Mf、由絲杠預緊所引起的折算到電機軸上的摩擦力矩Mo、切削時折算到電機軸上的加速度力矩 Mat 和折算到電機軸上的切削負載力矩 Mt ?？焖倏蛰d啟動所需力矩：M空=Mmax+Mf+Mo切削時所需力矩：Mc=Mat+Mf+Mo+Mt快速進給時所需力矩：Ms=Mf+Mo一般情況下， Mmax 發(fā)生在切削時所需力矩，可以按照 Mc=Mat+Mf+Mo+Mt 公式計算。 定位轉(zhuǎn)矩的選擇定位轉(zhuǎn)矩與電源、 矩角特性的形狀及要求的位置精度有關。 反應式步進電機在繞組不通 電時， 沒有定位轉(zhuǎn)矩; 永磁式步進電機在繞組不通電時， 仍有較小的定位轉(zhuǎn)矩。 但是定位轉(zhuǎn) 矩的值較小，一般不予計算。 起

13、動轉(zhuǎn)矩的計算 步進電機帶動負載運行時，所需負載轉(zhuǎn)矩小于最大靜轉(zhuǎn)矩。若要能較準確地選擇電機，就需要根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩推算出起動矩或根據(jù)電機說明書提供的起動矩頻特性圖找出起動頻 率，然后在起動矩頻特性圖上畫出總摩擦負載Mm=Mf+Mo得到f。即電機可在小于的頻率范圍內(nèi)帶動負載 Mm 直接起動。3.1.4 步進電機驅(qū)動器的選擇在選擇電機驅(qū)動器時，要求輸入的脈沖信號的頻率小于fmin寬度大于A t。這就是要復核是否在fmin的范圍，1/f是否大于A t。根據(jù)電機的電流，配用大于或等于此電流的驅(qū)動器。 如果需要低振動或高精度時， 可配用細分型驅(qū)動器， 對于大轉(zhuǎn)矩電機， 盡可能用高壓型驅(qū)動 器，以獲得良好的高

14、速性能。3.2 伺服電機的選擇和直流伺服電機比較， 交流伺服電機相對比較便宜，而且具有更優(yōu)越的性能， 因此得到使交流伺服電機的工作性能得到越來越廣泛的應用。 在選擇伺服電機時應該考慮以下幾項， 充分發(fā)揮。3.2.1 最高轉(zhuǎn)速快速行進的電機必須控制在最高轉(zhuǎn)速的范圍之內(nèi)，即有：。其中：Nmax-電機的最高轉(zhuǎn)速；N-快速行進中電機的轉(zhuǎn)速；vm-工作臺快速行時速度；i-傳動比，i=n電機/n絲杠；p-絲杠螺距（ mm）。3.2.2 轉(zhuǎn)換到電機軸上的負載慣量負載慣量最好限在 2.5 倍的電機慣量之內(nèi)（如果超出電機慣量的 2.5 倍，也可以使用， 但是會導致調(diào)整范圍減小） 。2.5 Jm J入（滿足條件）

15、其中：Jm-電機慣量（kg m2）；J入-轉(zhuǎn)換到電機軸上的負載慣量（kg m2）；Jk-各旋轉(zhuǎn)件的傳動慣量（kg m2）；3 c-各旋轉(zhuǎn)件的角速度（rad/s）；mi-各直線運動件的質(zhì)量（kg）；vi-各直線件運動的速度（m/s）；伺服電機的角速度（ rad/s）。3.2.3 加減速時候的扭矩加減速扭矩應該限制在系統(tǒng)最大輸出扭矩的80%以內(nèi)，不管是線性加速度還是旋轉(zhuǎn)加速都可以用以下公式其中：Ta max與電機匹配的系統(tǒng)最大輸出扭矩；Tmax-加減速時的最大扭矩；Ts加減速時的時間常數(shù)；Tf-快速行進時轉(zhuǎn)換到電機上的載荷扭矩。3.2.4 正常工作狀態(tài)下的扭矩在正常的工作狀態(tài)下，電機的載荷扭矩不應

16、該超過電機額定扭矩的80%。TmsX 80%Tma其中：Tms電機的額定扭矩；Tma-工作狀態(tài)的載荷扭矩。那么工作狀態(tài)的載荷扭矩用如下公式計算：其中：Ta加速扭矩；Td減速扭矩；Tf-摩擦扭矩；TO-停止狀態(tài)的載荷扭矩；Tac-切削狀態(tài)的加速扭矩；Tdc-切削狀態(tài)的減速扭矩；Tc最大切削扭矩；t1t9- 各個狀態(tài)需要的時間。3.2.5 連續(xù)過載時間連續(xù)過載時間應該限制在電機規(guī)定的時間范圍內(nèi)：Tlo nW Tmon其中：Tlo n-電機連續(xù)過載的時間;Tmo n-電機規(guī)定的過載時間。4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇在普通機床的數(shù)控改造中， 應根據(jù)不同的工況和用戶要求， 來確定是自行開發(fā)數(shù)控系統(tǒng) 還是選用市場上

17、現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)。自行開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)大多采用MCS-51系列單片機組成的應用系統(tǒng)。在現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)的選用上，首稱選用較為成熟的CNC系統(tǒng)。如FANUC數(shù)控系統(tǒng)，它以高質(zhì)量、低成本、高性能、較全面的功能，適用于各種機床和生產(chǎn)機械，在市場的占有 率遠遠超過其它的數(shù)控系統(tǒng)。SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)，以較好的穩(wěn)定性和較優(yōu)的性能價格比，在我國數(shù)控機床行業(yè)被廣泛應用。近些年國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展迅速，如華中I型CNC系統(tǒng)，是由北京機床研究所和北京航空航天大學聯(lián)合開發(fā)的一種通用的高性能CNC系統(tǒng)平臺，在這個系統(tǒng)平臺上無需改變系統(tǒng)任何軟、硬件結(jié)構，即可配置各種實用的CNC系統(tǒng)，適用不同類型數(shù)控的應用要求。類似的國產(chǎn)系統(tǒng)還有

18、航天I型、藍天I型等。5 控制電路和強電路的設計控制電路和強電路的設計是否科學合理， 不僅關系到系統(tǒng)工作是否穩(wěn)定， 而且會給以后 數(shù)控機床的維修帶來很大的不便， 設計電路的時候應該拋開原先機床的電路， 按照標準重新 繪制電路圖，電路圖主要包括主電路圖、電氣原理圖、CNC接線圖和元器件的位置圖。根據(jù)機床改造的特點， 一般先設計主電路圖， 各個部件和電源的連接關系一定要表達清 楚，然后設計電氣原理圖， 設計的時候一定要注意各個元器件額定電流及額定電壓要滿足要 求，其它的電路圖一定要在此基礎上逐一設計。 為了保持信號線不被干擾， 拉開與強電線的 距離，以及系統(tǒng)和機床的接地。電路圖的設計并不是一次確定的， 要在實際的接線過程中根據(jù)臨時的需要， 不斷地修改、 更正。 保證實際的電路和電路圖保持一致。 同時保證整個電器柜內(nèi)元器件的歸類整齊， 如果 在走線的時候有部分線路要暴露在機床外面， 一定要用熱縮管將其包住， 以免長期被