普通開榫機(jī)的數(shù)控技術(shù)改造

羅海峰

(順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 順德 528300)

設(shè)備改造

普通開榫機(jī)的數(shù)控技術(shù)改造

羅海峰

(順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 順德 528300)

為適應(yīng)現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)快速多變的需求，將普通開榫機(jī)改造成數(shù)控開榫機(jī)。該機(jī)采用新方達(dá)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)，以及變頻調(diào)速等技術(shù)，設(shè)計(jì)了數(shù)控機(jī)床電器電路。生產(chǎn)運(yùn)行結(jié)果表明，改造后機(jī)床加工出來(lái)的產(chǎn)品精度更高，而且具有操作安全、方便、高效等特點(diǎn)。

木工開榫機(jī)；新方達(dá)數(shù)控系統(tǒng)；伺服系統(tǒng)；變頻器；技術(shù)改造

1 數(shù)控開榫機(jī)概述

數(shù)控開榫機(jī)采用X、Y二軸伺服控制、半閉環(huán)立式數(shù)控方式，機(jī)床主軸由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，導(dǎo)軌為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，結(jié)構(gòu)緊湊合理，能夠?qū)崿F(xiàn)快速加工回轉(zhuǎn)[1]。

1.1 數(shù)控開榫機(jī)基本參數(shù)

改造后數(shù)控機(jī)床基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 改造后數(shù)控機(jī)床基本參數(shù)

1.2 數(shù)控開榫機(jī)結(jié)構(gòu)組成

數(shù)控開榫機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，X軸移動(dòng)架和X軸伺服電機(jī)組成X軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)；Y軸移動(dòng)架和Y軸伺服電機(jī)組成Y軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)[2]。

圖1 數(shù)控開榫機(jī)結(jié)構(gòu)組成1.床身；2.工作臺(tái)；3.工件；4.氣動(dòng)壓頭；5.主軸刀具；6.X/Y軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)；7.主軸系統(tǒng)；8.皮帶傳動(dòng)：9.主軸電機(jī)；10.X軸移動(dòng)架；11.Y軸移動(dòng)架；12.X軸伺服電機(jī)；13.Y軸伺服電機(jī)

1.3 數(shù)控開榫機(jī)組成

改造后開榫機(jī)數(shù)控組成如圖2所示。

圖2 數(shù)控開榫機(jī)數(shù)控組成

1.3.1 數(shù)控系統(tǒng)

采用了南京新方達(dá)CNC-39T數(shù)控系統(tǒng)。為方便操作，輸入和顯示部分懸掛在機(jī)床前部，電氣柜在機(jī)床的后部與機(jī)床整體連接在一起。操作界面如圖3所示。

1.3.2 伺服單元

伺服單元包括2個(gè)進(jìn)給軸，它們位于設(shè)備側(cè)邊的電器柜內(nèi)。

圖3 操作界面

1.3.3 伺服電機(jī)和主軸電機(jī)

進(jìn)給電機(jī)采用Star系列交流伺服電機(jī)，主軸電機(jī)采用變頻調(diào)速電機(jī)。

1.3.4 主軸

電機(jī)經(jīng)同步皮帶將動(dòng)力傳遞至主軸。

1.3.5 工作臺(tái)

X、Y向運(yùn)動(dòng)裝置和立柱固定于同一底座，機(jī)床的精度保持性得到提高，工作臺(tái)的X、Y向移動(dòng)方式均為精密螺旋絲桿和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。

2 數(shù)控電氣控制電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)控主電路設(shè)計(jì)

數(shù)控主電路圖如4所示。QF為機(jī)床電源開關(guān)，QF2/QF3為變頻斷路器。本電路采用了過(guò)電壓抑制器設(shè)計(jì)，將工作電壓抑制在交流接觸器的額定工作電壓范圍內(nèi)，這樣能減少不穩(wěn)定電壓對(duì)交流接觸器的干擾，確保其正常工作。

2.2 PMC輸入電路設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床的通用PMC輸入電路圖如圖5所示。XS10、XS11為輸入開關(guān)量接口；SQX-1、SQX-3分別為X軸的正、負(fù)限位開關(guān)常開觸點(diǎn)；SQY-1、SQY-3分別為Y軸的正、負(fù)限位開關(guān)的常開觸點(diǎn)；SQX-2、SQY-2分別為X、Y軸回零限位開關(guān)的常開觸點(diǎn)，Z軸方向沒(méi)有設(shè)定。

2.3 PMC輸出電路設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床的通用PMC輸出電路圖如圖6所示。KA1～KA7為中間繼電器；XS20為輸出開關(guān)量接口；SQX-1、SQX-3分別為X軸的正、負(fù)限位開關(guān)常閉觸點(diǎn)；SQY-1、SQY-3分別為Y軸的正、負(fù)限位開關(guān)常閉觸點(diǎn)。

圖4 主電路電氣原理圖

圖5 PMC輸入電路圖

圖6 PMC輸出電路圖

2.4 伺服系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.4.1 技術(shù)設(shè)計(jì)要求

(1)R、S、T、PE、U、V、W端子截面積大于1.5 mm2(AWG14-16)，r、t端子截面積大于0.75 mm2(AWG18)。

(2)驅(qū)動(dòng)器U、V、W的接線端子必須與電機(jī)端子U、V、W一一對(duì)應(yīng)，不能采用調(diào)換三相端子的方法使電機(jī)反轉(zhuǎn)，這一點(diǎn)與異步電動(dòng)機(jī)不同。

(3)由于高頻開關(guān)電流通過(guò)伺服電機(jī)，因此泄漏的電流相對(duì)較大，電機(jī)接地端子必須與伺服驅(qū)動(dòng)器接地端子連接在一起并良好接地。

(4)伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)有大容量的電解電容，即使切斷了電源內(nèi)部電路中仍存在高電壓，因此電源被切斷后最少需要等待5 min方能接觸驅(qū)動(dòng)器的其他電機(jī)。

(5)為了防止干擾引起誤動(dòng)作，伺服驅(qū)動(dòng)器和上位控制器已與噪聲濾波器盡量靠近安裝，繼電器、電磁接觸、制動(dòng)器等線圈中已安裝浪涌抑制器。

2.4.2 接線電路基本情況

伺服驅(qū)動(dòng)單元將電源模塊和驅(qū)動(dòng)模塊集成為一體，具有結(jié)構(gòu)小巧、造型美觀、使用方便、可靠性高等特點(diǎn)。

(1)通過(guò)電磁接觸器將電源接入主電路電源輸入端子。

(2)控制電路電源r、t 與主電路電源同時(shí)或先于主電路電源接通，如果僅接通了控制電路電源，伺服準(zhǔn)備好信號(hào)(SRDY)OFF。

(3)主電路電源接通后，約延時(shí)1.5 s伺服準(zhǔn)備好信號(hào)(SRDY)ON，此時(shí)可以接受伺服使能(SON)信號(hào)，檢測(cè)到伺服使能有效，基極電路開啟，電機(jī)激勵(lì)，處于運(yùn)行狀態(tài)。

(4)編碼器信號(hào)接插件CN2與伺服電機(jī)連接。

2.4.3 機(jī)械制動(dòng)接線基本情況

電動(dòng)伺服系統(tǒng)采用了電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三個(gè)閉環(huán)控制[3-6]。

(1)主電路連接：電源需經(jīng)噪聲濾波器進(jìn)入伺服驅(qū)動(dòng)器。

(2)位置控制連接：數(shù)控機(jī)床為X、Y二軸伺服控制，按控制方式分屬于半閉環(huán)控制立式數(shù)控機(jī)床，該機(jī)床的檢測(cè)元件安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)絲杠的端部，可間接測(cè)量執(zhí)行部件的實(shí)際位置或位移。半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)更高的精度，但由于機(jī)械傳動(dòng)鏈的誤差難以消除或校正，因此其位移精度比閉環(huán)系統(tǒng)低。由于采用了高分辨率測(cè)量元件(如編碼器)，因此可以獲得比較滿意的加工精度與速度。

2.5 數(shù)控主軸變頻電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床主軸變頻電路如圖8所示。其中，XS9為主軸變頻控制接口，通過(guò)系統(tǒng)輸出的模擬電壓對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)速控制，主軸制動(dòng)采用了電阻剎車方式，KA4、KA5控制主軸的正反轉(zhuǎn)，即加工方式的正切削和逆切削，木材加工主要以逆切削為主。

采用了SID32-G-1R5 T4V1變頻器，其有自動(dòng)節(jié)能控制、故障自復(fù)位、瞬時(shí)停電再啟動(dòng)、轉(zhuǎn)速追蹤、完善保護(hù)等功能。

3 數(shù)控機(jī)床電路布置與連接

3.1 電氣布置

控制柜電器布置如圖9所示。

3.2 電氣連接

主電路控制如圖10所示。

3.3 系統(tǒng)控制面板連接

數(shù)控裝置接口示意圖如圖11所示。數(shù)控裝置可連接軟件單元、主軸單元(最多可連接四個(gè))、行程開關(guān)、手操盒等，3～6為數(shù)控裝置接口圖，數(shù)控裝置各接口定義如下：XS1為電源接口，XS2為外接PC鍵盤接口，XS3為以太網(wǎng)接口，XS4 為軟驅(qū)接口，XS5為 RS232接口，XS6為遠(yuǎn)程I/O板接口，XS8為手持單元接口，XS9為主軸控制接口，XS10、XS11為輸入開關(guān)量接口，XS20、XS2為輸出開關(guān)量接口，XS30、XS33為模擬式、脈沖式(含步進(jìn)式)進(jìn)給軸控制接口，XS40、XS43 為軸串口。

圖8 主軸變頻電路置

圖9 控制柜電器布局

圖10 主電路控制

4 結(jié)束語(yǔ)

改造后的數(shù)控開榫機(jī)能夠方便、安全地完成比較復(fù)雜的零件加工，提高了零件的加工精度，生產(chǎn)效率高，能夠滿足生產(chǎn)企業(yè)的要求。通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器使數(shù)控機(jī)床能夠按照預(yù)定的程序自動(dòng)完成零件加工，加工過(guò)程不需要人工干預(yù)，大大減輕了工人的作業(yè)強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)的不足之處主要有以下兩方面，一是機(jī)床組合刀具調(diào)整沒(méi)有數(shù)控化，主要還是由人工來(lái)調(diào)整；二是工件木榫角度的調(diào)整需要通過(guò)相應(yīng)的手動(dòng)機(jī)械來(lái)完成，并需要在CNC操作界面中輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)才能進(jìn)行有效加工。

圖11 數(shù)控裝置接口示意圖

[1] 侯鐵民.家具木工機(jī)械[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2006.

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(責(zé)任編輯 王琦)

Numerical Control Technical Transformation of Ordinary Tenors

LUO Hai-feng

(Shunde Polytechnic，Shunde Guangdong 528300，China)

In order to meet the needs of modern fast and changeable market economy，ordinary tenors are transformed into numerical control tenors.Xinfangda CNC system，a servo system，frequency control technology，etc.are adopted，and a CNC lathe electrical circuit is designed.The production and operation result shows that the transformed lathes feature high product accuracy and safe，convenient and efficient operation.

woodworking tenor；Xinfangda CNC system，servo system；frequency converter；technological transformation

2017-02-24

羅海峰(1980-)，男，廣東興寧人，助理工程師，主要從事木工家具機(jī)械方面的實(shí)訓(xùn)教學(xué)指導(dǎo)工作，E-mail：hai1980_12@qq.com。

TS642

A

2095-2953(2017)06-0044-06