交流異步伺服系統在重型臥車上的應用開發

張莉軍 杜宏祺

（齊重數控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005）

1 概述

傳統的重型臥車，機械結構復雜，機械聯動裝置繁多，為加工和生產帶來了許多不便。數控臥車的結構簡單，但如果需要實現聯動功能就必須借助數控系統。數控臥車系統雖然應用非常廣泛，但對于重型臥車這樣的粗加工設備，其操作過于繁瑣，不利于工人掌握和實際操作。如何能讓重型臥車的結構像數控臥車一樣簡單，同時又像普通車床一樣操作容易，成為了許多重型臥車廠家思考的問題。

普通機床采用伺服系統作為驅動單元以簡化傳動機構取代齒輪箱已經是機床發展的趨勢。時光交流異步伺服控制器在高性能的交流異步伺服電動機的配合下，調速比可以達到1∶25 000，已經完全能夠滿足普通機床進給和主軸的調速要求。時光交流異步伺服系統作為伺服驅動機構，既能配套數控系統實現重型臥車的進給和主軸功能，又能憑借其獨有的內置PLC功能，脫離數控系統實現對重型臥車的簡易化操作。時光交流伺服獨有的可編程脈沖同步控制功能，使重型臥車基于數控臥車結構下實現聯動成為可能，可以輕松實現螺紋加工、直線插補，并可以通過電子齒輪功能調節螺紋的螺距及插補的角度。

交流伺服系統的性能和功能滿足了重型臥車簡化結構、簡化操作的要求，為重型臥車的應用提供了條件。而且這樣的系統結構非常適合數控化改造或者數控+簡易一體化控制，進行改造時只需要增加一個數控單元，連接對應的伺服驅動信號，就完成了數控改造，所有驅動、電動機、機械都無需更改。

2 時光交流異步伺服控制器在重型臥車上的應用

如何利用好交流伺服系統的性能和資源，做好整體的系統方案，通過多伺服配合實現重型臥車的功能，同時簡化操作，這是個值得研究的課題。以下是我們在重型臥車系統中應用的成功實例。重點解決了四個方面的問題。

2.1 機械結構的簡化

以往的重型臥車機械結構復雜主要有以下幾個方面的原因，其一是主軸箱檔位太多，為了實現普通電動機配套主軸的大范圍、大轉矩切削，機械上至少要有四個檔位的變換;其二是機械聯動裝置復雜，為了實現螺紋加工等聯動功能，必須設計繁瑣的聯動和換檔組合機構;其三是為了實現錐度加工必須設計有分度盤的刀架，以便加工時調節切削的角度。

采用交流伺服系統后，這些問題迎刃而解。首先，主軸采用交流伺服系統后，電動機的電氣調速范圍得到了擴大，電動機恒功率區有效延長，可以達到1∶4以上，這就簡化了原來主軸箱變檔機構的設計，完全可以通過兩檔的變速就能實現原來的扭矩調速要求。其次，進給軸采用交流伺服系統后，伺服系統1∶5 000的寬調速比特性，簡化了進給軸的傳動機構，而且插補聯動都可以通過脈沖信號的同步來實現，這就省去了原來的機械聯動裝置以及刀架分度盤等裝置。

通過這樣的升級，簡化了機械廠家設計、生產、安裝等多個環節的工作，有效提高了效率，節省了成本。

2.2 系統功能的實現

系統方案參考普通臥車的操作方法設計，首先滿足操作人員的操作習慣。各個軸都可以獨立通過操作面板的按鈕操作，進給軸有四種工作模式，分別是兩個檔位的電位器調速進給模式、一個手脈微動模式和一個快速移動模式;主軸通過點動電位器調速，可以實現正反方向的點動運行和連續運行。這些功能的操作都充分地模仿普通臥車的操作方式，包括電子手輪都是X軸和Z軸各配套一個，模擬普通車床的手搖進刀機構。

除了普通車床的手動操作功能以外，系統還能實現定長進給、直線插補、螺紋加工、恒線速車削等一系列功能。

定長功能是通過交流伺服系統的位置控制功能實現的。通過觸摸屏設定X軸和Z軸的進給量，轉換成電動機旋轉的脈沖數，再通過時光伺服系統的獨立定位功能實現精確的進刀控制。時光伺服系統的定位精度為±0.036°，假設:系統Z軸的減速比是1 ∶1，絲杠螺距為10 mm，則系統定位精度為±1 μm。

直線插補和螺紋加工功能都是通過時光交流伺服系統特有的脈沖同步功能實現的。通過Z軸和主軸編碼器脈沖的同步可以實現螺紋車削的功能，通過觸摸屏設定螺距的尺寸，計算出脈沖同步的電子齒輪比，從而實現不同螺距螺紋的加工。通過脈沖同步方向的控制，可以實現左旋和右旋螺紋的加工。通過主軸的分度定位功能，可以實現多頭螺紋的加工。通過X軸和Z軸電動機編碼器脈沖的同步可以實現直線插補的功能。由于時光伺服系統的電子齒輪比在（1∶30 000～30 000∶1）之間任意可調，通過觸摸屏的設定可以實現任意角度的直線插補。

恒線速切削是靠X軸和主軸配合實現的，X軸通過模擬量反饋當前的位置給主軸驅動器，經過主軸驅動的計算得出當前主軸的工作頻率，實時調節主軸轉速實現恒線速車削。

2.3 人機界面的優化

系統人機界面采用觸摸屏+按鈕站的方式，既滿足了普通操作工的操作習慣，又能通過觸摸屏的設定完成較為復雜的功能。

2.3.1 觸摸屏

時光交流伺服開放的422通訊協議，支持總線式多機通訊。重型臥車系統采用威綸通MT6070iH觸摸屏（見圖1），實現了對3臺伺服控制器的工作模式的選擇、工作參數的設定、速度位置的顯示等功能。

2.3.2 操作站

整個機床的操作都是通過按鈕站完成，這樣的設計符合操作工的操作習慣，操作站包括主軸控制部分、進給控制部分，按鈕的布局采用最常見的車床操作站排布方式，方便操作者使用。操作站的按鈕也可以直接分布安裝在機床的對應控制部分，使操作方法更接近于普通車床的操作習慣。圖2為按鈕站面板排布的示意圖。

2.4 輔助控制的集成

方案系統的一些輔助功能都和伺服機構有密切的關系，如主軸換檔控制和主軸伺服系統有關;刀塔換刀和進給軸的伺服系統有關，因此這些輔助功能的控制最好集成到對應的伺服系統中，以便更好地實現功能。

借助時光伺服系統獨有的內置PLC功能，主軸伺服系統在完成主軸控制的同時實現了四個檔位的主軸箱換檔控制，并且在換檔時控制主軸自動擺動。

刀塔換刀的控制功能集成到了Z軸的進給伺服系統中，實現了換刀過程和進給軸的互鎖功能，防止了出現在工作過程中換刀引起的刀具、工件損壞事故。

3 電氣連接示意圖

電氣連接如圖3所示。

4 結語

通過研發與實踐，并經過在重型臥車上的使用、驗證，國產交流異步伺服系統專項技術的應用取得了良好的效果。由時光交流異步伺服控制器構成的機床交流伺服系統充分體現了當代伺服技術的先進性。而且鑒于立車和臥車較為相似的功能特性，這套系統還可以有效地應用于立車系統中，實現一套設計多種應用。采用國產數字化的伺服系統和電動機，完全能發揮出最高的技術水平和最大的經濟效益。