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數(shù)控機床

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數(shù)控車床進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)選型與改造
2022-5-6  來源: 榆林職業(yè)技術(shù)學院 林學院  作者:王 海

     摘要:某中職學校一臺 CK-6140數(shù)控車床伺服系統(tǒng)電氣元器件開始老化、性 能 變 差、控制技術(shù)已經(jīng)落后,經(jīng)常出現(xiàn)死機等故障,從而造成加工工件報廢。因此,對該車床伺服系統(tǒng)進行改造升級,以還原車床功能,滿足工件加工要求。
  
     關(guān)鍵詞:數(shù)控車床;伺服系統(tǒng);改造

     0、 引言
  
     隨著機加工行業(yè)的蓬勃發(fā)展,許多老舊數(shù)控機床長期工作導致性能變差,控制技術(shù)落后,有的甚至不能工作。通過對數(shù)控車床的改造,可以用較少的投入、較短的周期改善機床的使用性能和功能,同時節(jié)約設(shè)備的購置費。因此,本文著重介紹數(shù)控車床進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選型與改造,對今后機床的伺服系統(tǒng)改造有著積極的意義。
 
     1、 進給伺服驅(qū)動的性能要求
  
     數(shù)控車床的進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與車床執(zhí)行部件的樞紐,數(shù)控車床性能的好壞在很大程度上是由進給伺服裝置性能決定的,所以,進給驅(qū)動系統(tǒng)性能的開發(fā)和研究是本次數(shù)控車床改造的關(guān)鍵技術(shù)之一。
  
     進給伺服系統(tǒng)是通過編程指令或機床操作而生成脈沖指令,經(jīng)過一系列處理反饋,最后實現(xiàn)數(shù)控車床刀具位置和運動速度的控制系統(tǒng)。它一般由位置控制、速度控制、伺服電動機、檢測裝置和機械傳動機構(gòu)組成,系統(tǒng)的組成如圖1所示。

  
圖1 進給伺服系統(tǒng)的組成

     進給驅(qū)動系統(tǒng)性能的高低決定著數(shù)控車床質(zhì)量的好壞,所以,數(shù)控車床對進給伺服系統(tǒng)各部件都有很高的要求,具體有以下幾點:①調(diào)速范圍寬;②輸出位置度高;③穩(wěn)定性好;④動態(tài)響應(yīng)快;⑤負載特性要硬;⑥響應(yīng)速度快且無超調(diào);⑦高性能電動機;⑧伺服系統(tǒng)
的可靠性高,使用方便,維修購買成本低。
  
     2、進給伺服系統(tǒng)的分類以及選擇

     數(shù)控車床的控制形式有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種,閉環(huán)控制又分為半閉環(huán)和全閉環(huán)控制。
     
     (1)開環(huán)控制伺服 系 統(tǒng):該控制系統(tǒng)沒有檢測反饋裝置,驅(qū)動元件大部分選用步進電動機,被廣泛應(yīng)用于精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床中,如圖2所示。


圖2 開環(huán)控制伺服系統(tǒng)框圖

     (2)半閉環(huán)控制伺 服 系 統(tǒng):檢測反饋裝置裝到伺服電動機的非輸出軸端上,調(diào)試方便,可以獲得比較穩(wěn)定的控制特性,如圖3所示。

 
   
圖3 半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)框圖

     (3)全閉環(huán)控制伺 服 系 統(tǒng):位置檢測裝置被裝在車床工作臺上,調(diào)試時,其系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)很難達到,如圖4所示。
 
  

圖4 全閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

     通過分析上述各進給驅(qū)動系統(tǒng)的特點,為了提高進給驅(qū)動系統(tǒng)的性能以滿足對車床加工精度的要求,本次數(shù)控車床改造選擇半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。
  
     3、CK-6140進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的改造設(shè)計
  
     3.1 數(shù)控車床進給驅(qū)動系統(tǒng)的現(xiàn)狀

       
  
     3.2 確定進給伺服系統(tǒng)的改造方案
 
     3.2.1 進給驅(qū)動裝置的選擇
  
     進給伺服驅(qū)動裝置的選擇與數(shù)控裝置的選擇是密不可分的,所以選擇進給伺服驅(qū)動裝置必須參考已選擇的數(shù)控裝置。進給伺服驅(qū)動裝置的選擇需要考慮各動軸的進給速度、工件的加工精度、加工范圍、傳動方式等。目前大部分數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家都提供與自家生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)相匹配的進給伺服驅(qū)動系統(tǒng),所以,數(shù)控系統(tǒng)選擇完畢后,進給驅(qū)動裝置也基本確定了。
  
     選擇進給驅(qū)動裝置除了考慮上面因素外,還應(yīng)考慮以下幾方面:
 
     (1)經(jīng)濟性:所選的驅(qū)動裝置性價比要高。
     (2)穩(wěn)定性:能保證無故障時間比較長。
     (3)可靠性:選擇的進給驅(qū)動裝置安全性一定要有保障。
     (4)可操作性:驅(qū)動裝置易于操作,便于維護。由于原車床的 X、Z 軸的電動機和X 軸的驅(qū)動器都已經(jīng)不能工作,Z 軸的驅(qū)動器運行又不穩(wěn)定,同時原車床系統(tǒng)是廣州數(shù)控系統(tǒng),考慮到性能的匹配,選用了廣州數(shù)控設(shè)備有限公司的進給伺服電動機以及進給伺服驅(qū)動器。
  
     3.2.2 伺服電動機的選擇計算
  
      
  
     (2)伺服電機額定轉(zhuǎn)矩的選擇。改造之前,X 軸電動機的額定轉(zhuǎn)矩為5N·m,Z 軸電動機的額定轉(zhuǎn)矩為7.7N·m,本次改造,X 軸和Z 軸的電動機額定轉(zhuǎn)矩不能小于原電動機的額定轉(zhuǎn)矩。所以,本次改造X 軸選擇額定轉(zhuǎn)矩≥5N·m 的伺服電動機,Z 軸選擇額定轉(zhuǎn)矩≥7.7N·m的伺服電動機。
  
      
  
     根據(jù)上面對伺服電機額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩和伺服電動機轉(zhuǎn)動慣量的選擇,再根據(jù)CK-6140數(shù)控車床的技術(shù)參數(shù),最終X 軸和Z 軸分別選用廣州數(shù)控設(shè)備有限公司的130SJT-M060D和130SJT-M100D型伺服電機。所選電機參數(shù)見表1。
  
表1 電機參數(shù)表

 
   
     3.2.3 伺服驅(qū)動器的選擇
     
     伺服驅(qū)動單元是控制伺服電機高精度定位系統(tǒng)的一種設(shè)備。當 X 軸和Z 軸的電動機選取好后,我們根據(jù)進給驅(qū)動器和電動機的相關(guān)要求來選擇伺服驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器的選擇必須要與伺服電動機相匹配,即以過載倍數(shù)作為參考值,電流匹配為原則。為了能使伺服放大器和所選伺服電動機完全匹配,必須要滿足下列幾點要求:
  
      
 
     如果伺服進給系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)動慣量和動態(tài)時間響應(yīng)都很高時,那么過載倍數(shù) K 也選擇一個較大值。一般盡可能選擇過載倍數(shù)≥2,這樣伺服進給系統(tǒng)的性能比較好。根據(jù)上面條件和《DA98A 交流伺服驅(qū)動單元使用手冊》,X 軸和Z 軸伺服驅(qū)動單元都可以選配 DA98A-30*驅(qū)動器。
 
     3.2.4 工作電源
  
     為了降低電源、電磁場干擾對伺服驅(qū)動器的影響,我們可以運用隔離變壓器給伺服驅(qū)動器供電。而隔離變壓器的選擇,應(yīng)根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)的額定容量、負荷率和占載率來決定:當伺服電動機額定功率≥1kW 時,只能選用三相隔離變壓器供電;當單個軸時,取隔離變壓器容量大于等于伺服電動機額定功率的80%為宜,客戶可以在伺服電動機額定功率的70%~100%之間選取隔離變壓器容量;當兩個軸以上時,取隔離變壓器容量大于等于總伺服電動機額定功率的70%為宜,客戶可以在總伺服電動機額定功率的60%~80%之間選取隔離變壓器容量。
  
     本文中,X 軸的伺服電動機功率為1.5kW,Z 軸的伺服電動機功率為2.5kW,取總伺服電動機功率的70%為隔離變壓器容量,則 (1.5+2.5)×70% =2.8kW,因此選用容量為 3.0kW 的 伺 服 隔 離 變 壓器。隔離變壓器規(guī)格見表2。
  
     根據(jù)以上 要 求,DA98A-30* 驅(qū)動單元的工作電源選擇型號為 BS-300的隔離變壓器。
  
表2 隔離變壓器規(guī)格表
  
  

     4、結(jié)束語
  
     數(shù)控車床進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)改造研究,就是利用進給驅(qū)動系統(tǒng)的性能要求來合理選擇 CK-6140數(shù) 控車床的伺服控制系統(tǒng)、伺服電動機、驅(qū)動器以及工作電源。通過本次對車床進給伺服系統(tǒng)的改造,不僅讓閑置的機床運轉(zhuǎn)起來,而且大大提升了車床的進給速度、工件的加工精度和加工范圍。




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