0 引言

　　隨著制造業(yè)加工精度和效率要求的提高，對(duì)高速高精數(shù)控車床的需求也在日益擴(kuò)大。目前，國(guó)內(nèi)高速高精數(shù)控車床的關(guān)鍵配套件仍然依靠進(jìn)口，特別是數(shù)控系統(tǒng)，其不僅占整機(jī)價(jià)格的比重最大，且在機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)中起著重要的作用。因此，性價(jià)比好的數(shù)控系統(tǒng)對(duì)降低高速高精數(shù)控車床整機(jī)的價(jià)格和提高整機(jī)的性價(jià)比尤為關(guān)鍵。本文以GSCK200A數(shù)控車床為例，介紹開(kāi)發(fā)過(guò)程中數(shù)控系統(tǒng)選型和電氣控制設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并對(duì)主要控制電路的設(shè)計(jì)思路作具體說(shuō)明。

1 數(shù)控車床功能及控制要求分析

　　GSCK200A高速高精數(shù)控車床功能廣泛，可以加工圓柱、圓錐、圓弧和各種螺紋、槽、蝸桿等復(fù)雜且精度高的工件。要達(dá)到高速高精加工，要求主軸轉(zhuǎn)速和定位、X／z軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)、刀具的換刀、卡盤夾緊和松夾、尾架進(jìn)退等指標(biāo)都要快和準(zhǔn)，這些指標(biāo)都和機(jī)床的控制系統(tǒng)有關(guān)。GsCK200A高速高精數(shù)控車床采用了便于排屑的傾斜45。硬導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，該機(jī)床共由12大部分組成，其中包括液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩大控制系統(tǒng)，該機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成圖如圖1所示。本文主要針對(duì)機(jī)床控制系統(tǒng)中的電氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 數(shù)控系統(tǒng)選型

　　實(shí)現(xiàn)上述控制要求，CNC數(shù)控系統(tǒng)是本車床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，有必要采用進(jìn)口全功能CNC數(shù)控系統(tǒng)。我國(guó)大多數(shù)：果用的進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)有德國(guó)西門子、日本FAUNC和三菱系統(tǒng)。FAUNC 0i Mate、西門子802D和三菱E60S是中檔數(shù)控機(jī)床中比較經(jīng)濟(jì)性的數(shù)控系統(tǒng)，其中，F(xiàn)AuNC 0i Mate可控軸數(shù)為8，西門子802D可控軸數(shù)為5，三菱E60s可控軸數(shù)為5；三種數(shù)控系統(tǒng)的加工精度都可以達(dá)到微米級(jí)。且GSCK200A機(jī)床所要控制的軸數(shù)為3，兩個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)主軸，加工精度需達(dá)到微米級(jí)，因而，上述三種數(shù)控系統(tǒng)均可以滿足該數(shù)控車床的功能、加工精度要求。FAUNC 0i Mate系統(tǒng)及其相應(yīng)的電機(jī)總成和西門子802D系統(tǒng)及其相應(yīng)的電機(jī)總成的價(jià)格都在8萬(wàn)元左右，而三菱E60s系統(tǒng)及其相應(yīng)電機(jī)總成的價(jià)格在6萬(wàn)元左右，綜合考慮GSCK200A高速高精數(shù)控車床性價(jià)比要求，本設(shè)計(jì)選用三菱E60S數(shù)控系統(tǒng)。E60S內(nèi)含64位CPu，采用控制器與顯示器一體化、X／Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器一體化的超小型設(shè)計(jì)，配置薄型伺服電機(jī)和高分辨率絕對(duì)編碼器，內(nèi)置簡(jiǎn)體／繁體中文和日文／英文標(biāo)準(zhǔn)4種操作界面，通過(guò)參數(shù)設(shè)置來(lái)控制車床或銑床，是車銑兩用的高性能數(shù)控系統(tǒng)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 控制方案和系統(tǒng)連接原理

　　根據(jù)GSCK200A高速高精數(shù)控車床的功能等要求，確定其電氣控制方案如圖2所示，把控制系統(tǒng)按控制原理分為主軸伺服驅(qū)動(dòng)、x軸伺服驅(qū)動(dòng)、z軸伺服驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)量控制四大模塊。機(jī)床夾緊系統(tǒng)、刀塔選刀、尾架進(jìn)退和普通電機(jī)啟停等程序動(dòng)作，用E60S數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC的開(kāi)關(guān)量和邏輯控制功能來(lái)控制；刀具的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)x、z兩伺服軸組成十字刀架來(lái)完成控制。由于車床采用45。斜床身，即x軸傾斜45。，為避免刀架在該方向因自重下滑而失去位置信號(hào)和失卻高精度定位性能，專門為x軸電機(jī)選配了制動(dòng)器裝置。主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主軸電機(jī)以l：1．4減速比通過(guò)多楔帶帶動(dòng)主軸實(shí)現(xiàn)的。因皮帶和帶輪之問(wèn)的滑移無(wú)法保證它們之間具有的精確傳動(dòng)比，為實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停和螺紋加工性能，設(shè)置了一個(gè)同期編碼器，由主軸通過(guò)同步帶以1：1的傳動(dòng)比帶動(dòng)。同期編碼器并無(wú)負(fù)載，不會(huì)使同步帶傳動(dòng)產(chǎn)生滑移，因而同期編碼器能實(shí)時(shí)檢測(cè)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。

其中，X／Z兩軸采用二合一雙軸伺服驅(qū)動(dòng)單元，控制信號(hào)通過(guò)基本I／O與CNc單元相連，而主軸驅(qū)動(dòng)單元的控制信號(hào)則從X／Z兩軸伺服驅(qū)動(dòng)單元的CN1B串接引出。

　　3.2 主軸伺服控制設(shè)計(jì)

　　主軸在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，伴有加、減速時(shí)間長(zhǎng)、主軸不平穩(wěn)和易振動(dòng)的特點(diǎn)，解決不好則直接影響加工的精度、表面質(zhì)量和效率，有悖于高速高精的初衷。本設(shè)計(jì)選用MDS—B—SPJ2主軸驅(qū)動(dòng)器，它采用高速集成LSI、高速DSP和IG—BT芯片使設(shè)備小型化，采用高速DsP改善響應(yīng)速度使機(jī)床切削加工的精度得以提高，采用高速旋轉(zhuǎn)直接定位的高速定位方式使主軸動(dòng)作流暢且定位時(shí)間極短，而主軸參數(shù)又可在CNC的LCD顯示屏上設(shè)置，使參數(shù)試驗(yàn)和優(yōu)化可見(jiàn)有易于操作。

　　機(jī)械式主軸靜態(tài)精度和綜合動(dòng)平衡達(dá)到要求后，主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動(dòng)、不平穩(wěn)和噪聲的原因多半源于主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本設(shè)計(jì)通過(guò)在E60基礎(chǔ)上增加主軸HR753選卡和選用sJ—PFl l_0l z主軸電機(jī)的方式，使主軸電機(jī)能穩(wěn)定地達(dá)到8000rpm的額定轉(zhuǎn)速。按設(shè)計(jì)的1：1．4減速比實(shí)現(xiàn)主軸5000rpm的最高速度，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為7000rpm，低于其額定轉(zhuǎn)速1000rpm，因此，不易出現(xiàn)振動(dòng)、不平穩(wěn)和噪聲等不良工況，有利于保證主軸高速旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和精度，從主軸這方面確保了高速高精數(shù)控車床所要求的性能。

　因?yàn)樗x主軸電機(jī)功率為11 kw，在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)裝備有回生電阻電路，主軸高速定位或急停時(shí)通過(guò)其耗散主軸系統(tǒng)巨大慣性能量?；厣娮杞釉贑、P之間，回生電阻要通過(guò)計(jì)算主軸系統(tǒng)停止(定位)時(shí)的回生能量來(lái)選型。不能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇，以免造成伺服放大器的IPM燒壞。經(jīng)過(guò)計(jì)算，選用了R—UNIT4回生電阻，有效地實(shí)現(xiàn)了主軸高速定位和急停的功能。

　　3.3 主軸伺服控制設(shè)計(jì)

　　高精數(shù)控車床的尺寸精度取決于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的精度和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制精度和性能。

　    選用高增益電流控制的新型進(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)器MDS-R—V2-6060，是三菱目前電阻回生類的主流伺服驅(qū)動(dòng)器，回生電阻接在C、P之間，根據(jù)計(jì)算，其所選型號(hào)在圖中已標(biāo)出。MDS-R型驅(qū)動(dòng)器采用高響應(yīng)電流控制以提高加工精度，采用平滑高增益SHG控制以抑制機(jī)床振動(dòng)，采用外部散熱設(shè)計(jì)來(lái)降低內(nèi)部溫升以提高運(yùn)行穩(wěn)定性，配置HF系列小慣量、高速、高精新型伺服電機(jī)，具有速度更高、精度更高、環(huán)境適應(yīng)更好和更小型化的特點(diǎn)，特別適合在高速高精數(shù)控車床中應(yīng)用。

　　對(duì)于傾斜了45°的x軸來(lái)說(shuō)，其伺服電機(jī)，M7停止定位的精度還與其制動(dòng)器的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間相關(guān)。制動(dòng)器電磁鐵可以通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC進(jìn)行控制，但本設(shè)計(jì)直接使用了MDS-R-V2-6060上的MBR制動(dòng)器控制口嘲，有：效地縮_短篇了制動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間。

　　3.4 強(qiáng)電控制和PLC控制設(shè)計(jì)

　　強(qiáng)電控制電路與高速和高精性能也不無(wú)關(guān)系。設(shè)計(jì)了浪涌抑制器一z11、-z12和-z13，有效地防止了雷擊浪涌損壞控制電源或通過(guò)控制電源損壞數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部電路。PLC控制通過(guò)優(yōu)化邏輯關(guān)系、縮短程序掃描時(shí)間等來(lái)體現(xiàn)高速高精性能，在設(shè)計(jì)中也是不可忽視的，應(yīng)引起注意。

4 應(yīng)用結(jié)果

　　GSCK200A高速高精數(shù)控車床主要體現(xiàn)了主軸轉(zhuǎn)速高和加工精度高兩大特點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)同等價(jià)位的數(shù)控車床中，機(jī)械主軸的最高主軸轉(zhuǎn)速4000rpm的居多，比GsCK200A數(shù)控車床的最高主軸轉(zhuǎn)速低1000rpm左右，且加工精度也比GScK200A車床的加工精度低。因此，GSCK200A高速高精數(shù)控車床在加工效率和經(jīng)濟(jì)效率兩方面都有所優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　E60S系統(tǒng)在較FAUNC 0i Mate和西門子802D廉價(jià)的條件下，也可使該機(jī)床達(dá)到所需的高速高精加工要求，從而提高了機(jī)床的性價(jià)比。該車床投入使用一年多，E60S系統(tǒng)的各項(xiàng)操作正常，運(yùn)行穩(wěn)定，表明選用E60S系統(tǒng)可以滿足GSCK200A車床高速高精的設(shè)計(jì)要求。