數(shù)控車床進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)選型與改造

王 海

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 林學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著機(jī)加工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，許多老舊數(shù)控機(jī)床長期工作導(dǎo)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(jī)床的使用性能和功能，同時節(jié)約設(shè)備的購置費(fèi)。因此，本文著重介紹數(shù)控車床進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選型與改造，對今后機(jī)床的伺服系統(tǒng)改造有著積極的意義。

1 進(jìn)給伺服驅(qū)動的性能要求

數(shù)控車床的進(jìn)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(jìn)給伺服裝置性能決定的，所以，進(jìn)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(jìn)給伺服系統(tǒng)是通過編程指令或機(jī)床操作而生成脈沖指令，經(jīng)過一系列處理反饋，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床刀具位置和運(yùn)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(jī)、檢測裝置和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)組成，系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成

進(jìn)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(jìn)給伺服系統(tǒng)各部件都有很高的要求，具體有以下幾點(diǎn)：①調(diào)速范圍寬；②輸出位置精度高；③穩(wěn)定性好；④動態(tài)響應(yīng)快；⑤負(fù)載特性要硬；⑥響應(yīng)速度快且無超調(diào)；⑦高性能電動機(jī)；⑧伺服系統(tǒng)的可靠性高，使用方便，維修購買成本低。

2 進(jìn)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(jìn)電動機(jī)，被廣泛應(yīng)用于精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(jī)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(dá)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(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn)，為了提高進(jìn)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(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)控車床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的現(xiàn)狀

準(zhǔn)備改造前，原數(shù)控車床采用Maxsine EP1系列交流伺服驅(qū)動單元TH16F和華大交流伺服電動機(jī)。Z軸的電動機(jī)型號為130ST-M07725H，驅(qū)動器適配電壓AC380 V，額定電流8.5 A，額定轉(zhuǎn)矩7.7 N·m，轉(zhuǎn)動慣量2.017×10-3kg·m2；X軸的電動機(jī)型號為130ST-M05025H，驅(qū)動器適配電壓AC380 V，額定電流6 A，額定轉(zhuǎn)矩5 N·m，轉(zhuǎn)動慣量1.33×10-3kg·m2。Z軸的絲杠螺距為6 mm，X軸的絲杠螺距為5 mm。經(jīng)檢測，X軸的驅(qū)動器已損壞，Z軸的驅(qū)動器運(yùn)行不穩(wěn)定，X、Z軸的電動機(jī)都已不能正常運(yùn)行。

3.2 確定進(jìn)給伺服系統(tǒng)的改造方案

3.2.1 進(jìn)給驅(qū)動裝置的選擇

進(jìn)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(jìn)給伺服驅(qū)動裝置必須參考已選擇的數(shù)控裝置。進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置的選擇需要考慮各聯(lián)動軸的進(jìn)給速度、工件的加工精度、加工范圍、傳動方式等。目前大部分?jǐn)?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(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)，所以，數(shù)控系統(tǒng)選擇完畢后，進(jìn)給驅(qū)動裝置也基本確定了。

選擇進(jìn)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(jì)性：所選的驅(qū)動裝置性價(jià)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(jìn)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(hù)。

由于原車床的X、Z軸的電動機(jī)和X軸的驅(qū)動器都已經(jīng)不能工作，Z軸的驅(qū)動器運(yùn)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(jìn)給伺服電動機(jī)以及進(jìn)給伺服驅(qū)動器。

3.2.2 伺服電動機(jī)的選擇計(jì)算

(1) 額定轉(zhuǎn)速nN的選擇。電動機(jī)的選擇與最大快速移動速度vmax(m/min)、絲杠螺距B(mm)以及傳動比i有關(guān)，即:

nmax=vmax/Bi.

已知X軸的最大快速移動速度為6 m/min，Z軸的最大快速移動速度為8 m/min，X軸的絲杠螺距為5 mm，Z軸的絲杠螺距為6 mm，兩軸采用1/1傳動比。

根據(jù)以上條件，計(jì)算出X軸的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

nmax=6 000/5=1 200 r/min.

Z軸的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為:

nmax=8 000/6=1 500 r/min.

取額定轉(zhuǎn)速nN≥nmax。

(2) 伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的選擇。改造之前，X軸電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為5 N·m，Z軸電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為7.7 N·m，本次改造，X軸和Z軸的電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩不能小于原電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。所以，本次改造X軸選擇額定轉(zhuǎn)矩≥5 N·m的伺服電動機(jī)，Z軸選擇額定轉(zhuǎn)矩≥7.7 N·m的伺服電動機(jī)。

(3) 電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的選擇。改造后的伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量只要大于或等于改造前數(shù)控車床電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量就可以，由前面內(nèi)容所知，原X軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量為1.33×10-3kg·m2，Z軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量為2.017×10-3kg·m2。所以本次數(shù)控車床選擇X軸的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量≥1.33×10-3kg·m2，Z軸的伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量≥2.017×10-3kg·m2。

根據(jù)上面對伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩和伺服電動機(jī)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(jī)。

所選電機(jī)參數(shù)見表1。

表1 電機(jī)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(jī)高精度定位系統(tǒng)的一種設(shè)備。當(dāng)X軸和Z軸的電動機(jī)選取好后，我們根據(jù)進(jìn)給驅(qū)動器和電動機(jī)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(jī)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(jī)完全匹配，必須要滿足下列幾點(diǎn)要求：

其中：K為過載倍數(shù)；Imservo為驅(qū)動放大器短時最大輸出電流，A；Iomotor為伺服交流電機(jī)額定相電流，A；Poservo為驅(qū)動放大器額定輸出功率，kW；Pnmotor為伺服交流電機(jī)額定功率，kW；Inservo為驅(qū)動放大器額定輸出電流，A。

如果伺服進(jìn)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(jìn)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(yùn)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(fù)荷率和占載率來決定：當(dāng)伺服電動機(jī)額定功率≥1 kW時，只能選用三相隔離變壓器供電；當(dāng)單個軸時，取隔離變壓器容量大于等于伺服電動機(jī)額定功率的80%為宜，客戶可以在伺服電動機(jī)額定功率的70%～100%之間選取隔離變壓器容量；當(dāng)兩個軸以上時，取隔離變壓器容量大于等于總伺服電動機(jī)額定功率的70%為宜，客戶可以在總伺服電動機(jī)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(jī)功率為1.5 kW，Z軸的伺服電動機(jī)功率為2.5 kW，取總伺服電動機(jī)功率的70%為隔離變壓器容量，則(1.5+2.5)×70%=2.8 kW，因此選用容量為3.0 kW的伺服隔離變壓器。隔離變壓器規(guī)格見表2。

表2 隔離變壓器規(guī)格表

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。

4 結(jié)束語

數(shù)控車床進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)改造研究，就是利用進(jìn)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(jī)、驅(qū)動器以及工作電源。通過本次對車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的改造，不僅讓閑置的機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)起來，而且大大提升了車床的進(jìn)給速度、工件的加工精度和加工范圍。