普通機(jī)床數(shù)控化改造主要部件的確定方法

1、普通機(jī)床數(shù)控化改造主要部件的確定方法趙中敏（淮海工學(xué)院， 222005）摘要： 普通機(jī)床的數(shù)控化改造已成為企業(yè)提高自身自動(dòng)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(gè)問(wèn)題， 包括系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方 案、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、 步進(jìn)電機(jī)、 伺服電機(jī)、 數(shù)控系統(tǒng)的選擇和計(jì)算及電氣系統(tǒng)的非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè) 計(jì)做了詳細(xì)的介紹，并提出了相應(yīng)的解決辦法，為數(shù)控機(jī)床改造提供了參考。關(guān)鍵詞： 數(shù)控化改造；步進(jìn)電機(jī)；交流伺服電機(jī)；數(shù)控系統(tǒng)；電氣控制中圖分類號(hào)：TG659文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：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(shù)由于其種種優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)控系統(tǒng)已成為我國(guó)機(jī)械制造工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要裝 備，其發(fā)展直接關(guān)系到我國(guó)的多個(gè)領(lǐng)域。 但是我國(guó)很多企業(yè)中普通機(jī)床的占有量還是很巨大 的，許多機(jī)床已經(jīng)使用 20 年以上， 急需數(shù)控機(jī)床來(lái)更新?lián)Q代， 但是由于數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴， 所以對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造成為一個(gè)很好的出路。下面對(duì)這幾個(gè)方面進(jìn)行討論。1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案的確定數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式按運(yùn)動(dòng)軌跡可分為點(diǎn)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(duì)于刀具移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切削， 可選用

6、點(diǎn)位控制系統(tǒng)。 這類控制系統(tǒng)要求刀具 從一點(diǎn)快速移動(dòng)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，保證其定位精度。而對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡不加控制。例如， 數(shù)控鉆床， 數(shù)控鏜床等屬于這種點(diǎn)位控制系統(tǒng)。 如果要求工作臺(tái)或刀具沿各自的坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng) 軌跡符合某種確定的函數(shù)關(guān)系則選擇連續(xù)控制系統(tǒng)， 這類系統(tǒng)能對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)方向 的位移進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷控制， 通過(guò)計(jì)算機(jī)給定的運(yùn)動(dòng)代碼指令和進(jìn)給速度， 計(jì)算刀具相對(duì) 工件的運(yùn)動(dòng)軌跡。例如，數(shù)控銑床，數(shù)控車床等。2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的選擇及伺服驅(qū)動(dòng)裝置的確定數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是通過(guò)伺服系統(tǒng)接收到控制系統(tǒng)發(fā)出的指令和信號(hào)后按照程序由 伺服驅(qū)動(dòng)裝置、 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、 工作臺(tái)、 主軸頭架等實(shí)現(xiàn)的。

7、伺服系統(tǒng)按照控制方式可分為 開(kāi)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(shí)的把運(yùn)動(dòng)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(shí)際信息進(jìn)行比較后及時(shí)發(fā)出補(bǔ)償控制命令， 從而減少了誤差 的可能性，提高了精度。所以，當(dāng)要求定位誤差范圍內(nèi)時(shí)，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(bǔ)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(diǎn)， 選擇伺服系統(tǒng)時(shí)要綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 成本及機(jī)床規(guī)格大小等其他因素。 權(quán)衡利弊， 制 定出性價(jià)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(yīng)的特點(diǎn)。伺服驅(qū)動(dòng)裝置是位于電氣控制裝置和機(jī)械執(zhí)行裝置接點(diǎn)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(jī)械能。 目前大多數(shù)伺服驅(qū)動(dòng)裝置都 已經(jīng)形成系列， 所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)需要進(jìn)行合理的選擇。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以把 輸入的數(shù)字指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移， 通過(guò)電機(jī)定子的換相次數(shù) （脈沖數(shù)） 來(lái)決定步進(jìn) 電機(jī)的轉(zhuǎn)角， 通過(guò)換相的頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 而電機(jī)的轉(zhuǎn)向則由通電順序決定。 由于步進(jìn) 電機(jī)成本較低，又易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，故被廣泛的應(yīng)用在開(kāi)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(yīng)速度快、 精度和效率高、 調(diào)速范圍較寬、 負(fù)載能力 較大、控制特性優(yōu)良的直流伺服電動(dòng)機(jī)。3 電機(jī)的選擇考慮到直流伺服電機(jī)的價(jià)格昂貴， 在普通機(jī)

9、床的數(shù)控化改造中一般采用步進(jìn)電機(jī)和交流 伺服電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)采用脈沖數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制， 每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)步距誤差自動(dòng)變?yōu)榱悖?易于控制， 且價(jià)格低廉。 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中一般采用的交流伺服電機(jī)是永磁式交流伺服電機(jī)。 它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 運(yùn)行可靠、 效率高； 缺點(diǎn)是體積大、 啟動(dòng)特性欠佳。 在選擇電機(jī)時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適 的電機(jī)。 電機(jī)選擇的好壞直接影響了機(jī)床的加工精度、 表面精度及機(jī)床的快速反應(yīng)性。 電機(jī) 參數(shù)的選擇及計(jì)算是選擇電機(jī)的關(guān)鍵步驟。 按正確的步驟運(yùn)算、 準(zhǔn)確地使用公式及精確地選 擇參數(shù)是正確選擇電機(jī)的關(guān)鍵。3.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇方法3.1.1步距角3的選擇其中： I-脈沖當(dāng)量（mm/Hz）;i-

10、傳動(dòng)比；t-絲杠螺距（mm ）。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36/0.72（五相電機(jī)） ，0.9/1.8（二、四相電機(jī)），1.5/3 （三相電機(jī)） 。步距角可選擇最接近計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)值。如果還要細(xì)分， 可在驅(qū)動(dòng)器上設(shè)置。 電機(jī)相數(shù)越小， 負(fù)載轉(zhuǎn)矩也越小。 若電機(jī)負(fù)載慣量大時(shí)， 低頻共振現(xiàn)象 會(huì)比較突出（尤其是單三拍運(yùn)行方式） 。3.1.2 步距精度的選擇由一般的機(jī)床數(shù)控化改造而成的數(shù)控機(jī)床都是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)， 系統(tǒng)的精度主要取決于步 進(jìn)電機(jī)精度和傳動(dòng)件的定位誤差。 在步進(jìn)電機(jī)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(kāi)準(zhǔn)確位置的最大偏移量， 是靜態(tài)誤差。 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差是在頻率發(fā)生突

11、變及低頻和高 頻振蕩過(guò)程中存在的實(shí)際位置與理論位置之差。 在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)子的最終運(yùn)動(dòng)質(zhì)量 （影響加 工工件的表面精度）可以采用細(xì)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(jī)的步距誤差（）；A 3 c-傳動(dòng)件的累積誤差（）;A 3 f-由摩擦負(fù)載引起的隨機(jī)誤差（）。其中：m-拍數(shù)；Me2-系統(tǒng)干摩擦轉(zhuǎn)矩（N m）;Mm-步進(jìn)電機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算和選擇。 最大靜轉(zhuǎn)矩 Mmax 的計(jì)算步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)， 所需轉(zhuǎn)矩有空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩Mmax 、折算到電

12、機(jī)軸上的摩擦力矩 Mf、由絲杠預(yù)緊所引起的折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩Mo、切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 Mat 和折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 Mt ?？焖倏蛰d啟動(dòng)所需力矩：M空=Mmax+Mf+Mo切削時(shí)所需力矩：Mc=Mat+Mf+Mo+Mt快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：Ms=Mf+Mo一般情況下， Mmax 發(fā)生在切削時(shí)所需力矩，可以按照 Mc=Mat+Mf+Mo+Mt 公式計(jì)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(guān)。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)在繞組不通 電時(shí)， 沒(méi)有定位轉(zhuǎn)矩; 永磁式步進(jìn)電機(jī)在繞組不通電時(shí)， 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(jì)算。 起

13、動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，所需負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于最大靜轉(zhuǎn)矩。若要能較準(zhǔn)確地選擇電機(jī)，就需要根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩推算出起動(dòng)矩或根據(jù)電機(jī)說(shuō)明書(shū)提供的起動(dòng)矩頻特性圖找出起動(dòng)頻 率，然后在起動(dòng)矩頻特性圖上畫(huà)出總摩擦負(fù)載Mm=Mf+Mo得到f。即電機(jī)可在小于的頻率范圍內(nèi)帶動(dòng)負(fù)載 Mm 直接起動(dòng)。3.1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇在選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，要求輸入的脈沖信號(hào)的頻率小于fmin寬度大于A t。這就是要復(fù)核是否在fmin的范圍，1/f是否大于A t。根據(jù)電機(jī)的電流，配用大于或等于此電流的驅(qū)動(dòng)器。 如果需要低振動(dòng)或高精度時(shí)， 可配用細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器， 對(duì)于大轉(zhuǎn)矩電機(jī)， 盡可能用高壓型驅(qū)動(dòng) 器，以獲得良好的高

14、速性能。3.2 伺服電機(jī)的選擇和直流伺服電機(jī)比較， 交流伺服電機(jī)相對(duì)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(jī)的工作性能得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 在選擇伺服電機(jī)時(shí)應(yīng)該考慮以下幾項(xiàng)， 充分發(fā)揮。3.2.1 最高轉(zhuǎn)速快速行進(jìn)的電機(jī)必須控制在最高轉(zhuǎn)速的范圍之內(nèi)，即有：。其中：Nmax-電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速；N-快速行進(jìn)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速；vm-工作臺(tái)快速行時(shí)速度；i-傳動(dòng)比，i=n電機(jī)/n絲杠；p-絲杠螺距（ mm）。3.2.2 轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量負(fù)載慣量最好限在 2.5 倍的電機(jī)慣量之內(nèi)（如果超出電機(jī)慣量的 2.5 倍，也可以使用， 但是會(huì)導(dǎo)致調(diào)整范圍減小） 。2.5 Jm J入（滿足條件）

15、其中：Jm-電機(jī)慣量（kg m2）；J入-轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量（kg m2）；Jk-各旋轉(zhuǎn)件的傳動(dòng)慣量（kg m2）；3 c-各旋轉(zhuǎn)件的角速度（rad/s）；mi-各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量（kg）；vi-各直線件運(yùn)動(dòng)的速度（m/s）；伺服電機(jī)的角速度（ rad/s）。3.2.3 加減速時(shí)候的扭矩加減速扭矩應(yīng)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(jī)匹配的系統(tǒng)最大輸出扭矩；Tmax-加減速時(shí)的最大扭矩；Ts加減速時(shí)的時(shí)間常數(shù)；Tf-快速行進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)換到電機(jī)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(jī)的載荷扭矩不應(yīng)

16、該超過(guò)電機(jī)額定扭矩的80%。TmsX 80%Tma其中：Tms電機(jī)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(jì)算：其中：Ta加速扭矩；Td減速扭矩；Tf-摩擦扭矩；TO-停止?fàn)顟B(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(gè)狀態(tài)需要的時(shí)間。3.2.5 連續(xù)過(guò)載時(shí)間連續(xù)過(guò)載時(shí)間應(yīng)該限制在電機(jī)規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)：Tlo nW Tmon其中：Tlo n-電機(jī)連續(xù)過(guò)載的時(shí)間;Tmo n-電機(jī)規(guī)定的過(guò)載時(shí)間。4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇在普通機(jī)床的數(shù)控改造中， 應(yīng)根據(jù)不同的工況和用戶要求， 來(lái)確定是自行開(kāi)發(fā)數(shù)控系統(tǒng) 還是選用市場(chǎng)上

17、現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)。自行開(kāi)發(fā)數(shù)控系統(tǒng)大多采用MCS-51系列單片機(jī)組成的應(yīng)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(jī)床和生產(chǎn)機(jī)械，在市場(chǎng)的占有 率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(jià)格比，在我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)被廣泛應(yīng)用。近些年國(guó)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(jī)床研究所和北京航空航天大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種通用的高性能CNC系統(tǒng)平臺(tái)，在這個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)上無(wú)需改變系統(tǒng)任何軟、硬件結(jié)構(gòu)，即可配置各種實(shí)用的CNC系統(tǒng)，適用不同類型數(shù)控的應(yīng)用要求。類似的國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)還有

18、航天I型、藍(lán)天I型等。5 控制電路和強(qiáng)電路的設(shè)計(jì)控制電路和強(qiáng)電路的設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理， 不僅關(guān)系到系統(tǒng)工作是否穩(wěn)定， 而且會(huì)給以后 數(shù)控機(jī)床的維修帶來(lái)很大的不便， 設(shè)計(jì)電路的時(shí)候應(yīng)該拋開(kāi)原先機(jī)床的電路， 按照標(biāo)準(zhǔn)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(jī)床改造的特點(diǎn)， 一般先設(shè)計(jì)主電路圖， 各個(gè)部件和電源的連接關(guān)系一定要表達(dá)清 楚，然后設(shè)計(jì)電氣原理圖， 設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要注意各個(gè)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(chǔ)上逐一設(shè)計(jì)。 為了保持信號(hào)線不被干擾， 拉開(kāi)與強(qiáng)電線的 距離，以及系統(tǒng)和機(jī)床的接地。電路圖的設(shè)計(jì)并不是一次確定的， 要在實(shí)際的接線過(guò)程中根據(jù)臨時(shí)的需要， 不斷地修改、 更正。 保證實(shí)際的電路和電路圖保持一致。 同時(shí)保證整個(gè)電器柜內(nèi)元器件的歸類整齊， 如果 在走線的時(shí)候有部分線路要暴露在機(jī)床外面， 一定要用熱縮管將其包住， 以免長(zhǎng)期被