數(shù)控車床進給伺服驅動系統(tǒng)選型與改造
2022-5-6 來源： 榆林職業(yè)技術學院 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)約設備的購置費。因此，本文著重介紹數(shù)控車床進給伺服驅動系統(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)控車床改造的關鍵技術之一。
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
進給驅動系統(tǒng)性能的高低決定著數(shù)控車床質量的好壞，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調速范圍寬；②輸出位置度高；③穩(wěn)定性好；④動態(tài)響應快；⑤負載特性要硬；⑥響應速度快且無超調；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，驅動元件大部分選用步進電動機，被廣泛應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動系統(tǒng)的特點，為了提高進給驅動系統(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進給伺服驅動系統(tǒng)的改造設計
３．１ 數(shù)控車床進給驅動系統(tǒng)的現(xiàn)狀
３．２ 確定進給伺服系統(tǒng)的改造方案
３．２．１ 進給驅動裝置的選擇
進給伺服驅動裝置的選擇與數(shù)控裝置的選擇是密不可分的，所以選擇進給伺服驅動裝置必須參考已選擇的數(shù)控裝置。進給伺服驅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動系統(tǒng)，所以，數(shù)控系統(tǒng)選擇完畢后，進給驅動裝置也基本確定了。
選擇進給驅動裝置除了考慮上面因素外，還應考慮以下幾方面：
（１）經(jīng)濟性：所選的驅動裝置性價比要高。
（２）穩(wěn)定性：能保證無故障時間比較長。
（３）可靠性：選擇的進給驅動裝置安全性一定要有保障。
（４）可操作性：驅動裝置易于操作，便于維護。由于原車床的 Ｘ、Ｚ 軸的電動機和Ｘ 軸的驅動器都已經(jīng)不能工作，Ｚ 軸的驅動器運行又不穩(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)控設備有限公司的進給伺服電動機以及進給伺服驅動器。
３．２．２ 伺服電動機的選擇計算
（２）伺服電機額定轉矩的選擇。改造之前，Ｘ 軸電動機的額定轉矩為５Ｎ·ｍ，Ｚ 軸電動機的額定轉矩為７．７Ｎ·ｍ，本次改造，Ｘ 軸和Ｚ 軸的電動機額定轉矩不能小于原電動機的額定轉矩。所以，本次改造Ｘ 軸選擇額定轉矩≥５Ｎ·ｍ 的伺服電動機，Ｚ 軸選擇額定轉矩≥７．７Ｎ·ｍ的伺服電動機。
根據(jù)上面對伺服電機額定轉速、額定轉矩和伺服電動機轉動慣量的選擇，再根據(jù)ＣＫ－６１４０數(shù)控車床的技術參數(shù)，最終Ｘ 軸和Ｚ 軸分別選用廣州數(shù)控設備有限公司的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 伺服驅動器的選擇
伺服驅動單元是控制伺服電機高精度定位系統(tǒng)的一種設備。當 Ｘ 軸和Ｚ 軸的電動機選取好后，我們根據(jù)進給驅動器和電動機的相關要求來選擇伺服驅動器。伺服驅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)要求轉動慣量和動態(tài)時間響應都很高時，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 交流伺服驅動單元使用手冊》，Ｘ 軸和Ｚ 軸伺服驅動單元都可以選配 ＤＡ９８Ａ－３０＊驅動器。
３．２．４ 工作電源
為了降低電源、電磁場干擾對伺服驅動器的影響，我們可以運用隔離變壓器給伺服驅動器供電。而隔離變壓器的選擇，應根據(jù)驅動系統(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、結束語
數(shù)控車床進給伺服驅動系統(tǒng)改造研究，就是利用進給驅動系統(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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