數控車床進給伺服驅動系統(tǒng)選型與改造

王 海

(榆林職業(yè)技術學院 林學院，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著機加工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，許多老舊數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

數控車床的進給伺服系統(tǒng)是數控裝置與車床執(zhí)行部件的樞紐，數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，經過一系列處理反饋，最后實現數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控車床質量的好壞，所以，數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輸出位置精度高；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濟型數控機床中，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 數控車床進給驅動系統(tǒng)的現狀

準備改造前，原數控車床采用Maxsine EP1系列交流伺服驅動單元TH16F和華大交流伺服電動機。Z軸的電動機型號為130ST-M07725H，驅動器適配電壓AC380 V，額定電流8.5 A，額定轉矩7.7 N·m，轉動慣量2.017×10-3kg·m2；X軸的電動機型號為130ST-M05025H，驅動器適配電壓AC380 V，額定電流6 A，額定轉矩5 N·m，轉動慣量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。經檢測，X軸的驅動器已損壞，Z軸的驅動器運行不穩(wěn)定，X、Z軸的電動機都已不能正常運行。

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控裝置。進給伺服驅動裝置的選擇需要考慮各聯(lián)動軸的進給速度、工件的加工精度、加工范圍、傳動方式等。目前大部分數控系統(tǒng)生產廠家都提供與自家生產的數控系統(tǒng)相匹配的進給伺服驅動系統(tǒng)，所以，數控系統(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)是廣州數控系統(tǒng)，考慮到性能的匹配，選用了廣州數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

(1) 額定轉速nN的選擇。電動機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，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。

根據以上條件，計算出X軸的伺服電機的轉速為：

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

Z軸的伺服電機的轉速為:

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

取額定轉速nN≥nmax。

(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5 N·m，Z軸電動機的額定轉矩為7.7 N·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≥5 N·m的伺服電動機，Z軸選擇額定轉矩≥7.7 N·m的伺服電動機。

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

根據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CK-6140數控車床的技術參數，最終X軸和Z軸分別選用廣州數控設備有限公司的130SJT-M060D和130SJT-M100D型伺服電機。

所選電機參數見表1。

表1 電機參數表

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：

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

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K也選擇一個較大值。一般盡可能選擇過載倍數≥2，這樣伺服進給系統(tǒng)的性能比較好。

根據上面條件和《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≥1 kW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1.5 kW，Z軸的伺服電動機功率為2.5 kW，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%=2.8 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。

4 結束語

數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。