數控車床電氣控制系統改造設計

郭 舉

（無錫職業技術學院機械學院， 江蘇 無錫 214121）

1 數控技術現狀及發展趨勢

1.1 現狀以及發展趨勢

我國雖然在機床產量上有很大的優勢，但在國際市場中，研發水平相對較低。一個產品的研發周期較長，設計需經過反復實驗才能定型。由于機床設計的相關專業人員缺乏經驗、專業性不足，難以在第一時間了解一線生產需求，由此造成產品在研發時效性及生產匹配性上仍有較大進步空間。

縱觀當前數控技術兩大發展趨勢，即智能化和開放式發展，這便要求新式機床在使用時可自動測量系統中的參數，實現人機對話和自動編程的功能，在出現故障時能夠自我診斷，同時各機床的數控系統間能夠互相操作，可進行互換，從而縮短產品研發周期[1]。

1.2 車床改造的意義

我國擁有較大規模的機床數量，但是其中相當大一部分達不到先進的自動化水平，導致其生產質量不高。為了解決這些問題，需對機床進行數控技術改造，通過較少投資即可達到提高機床生產精準度的目的。

2 總體方案設計

利用數控技術進行改造時應盡可能應用到原來的部件，保留車床上原有的大部件以減少改動的部分。設計框圖如圖1 所示。

圖1 總體設計方案

2.1 主傳動系統的改造

為了保障生產出的所有工件質量的一致性，就必須要讓主軸能夠以恒定的速度進行切削，保證切削分布均勻。為了節省成本，可選擇用變頻器驅動電機的方式。變頻器的優勢在于其數控連接便捷，同時能夠很好地控制電動機的正反轉以及停速和加速。改造后的車床要實現自動加工螺紋的功能，就需要準備脈沖編碼器，它的功能是判斷主軸轉角的位置[2]。

2.2 進給傳動系統的改造

數控車床在進行加工的過程當中，移動方向容易發生改變。當方向發生改變時，如果齒側之間存在間隙，加工精度就會受到影響。消除間隙有剛性和柔性兩種方法。剛性方法雖然結構簡單，但是無法實現自動補償，采用柔性方法更為適合。縱向橫向系統見圖2。

圖2 縱向橫向系統

2.3 數控類型的確定

數控類型選擇由步進電機驅動的開環數控系統。

3 電氣控制系統的設計

3.1 世紀星數控系統功能特點

選用華中世紀星NCN-21 數控系統，它具有性能高、配置靈活、結構比較緊湊的特點，能夠與大部分機床相配套使用，實現在合理的成本控制內完成高質量曲面加工。

3.2 電柜設計以及電源選用

電柜設計時要注意幾點要求：電柜上必須安裝通風裝置；所有的部件必須安裝在無油漆的鍍鋅金屬板上；防護等級是IP54；選用24 V 直流穩壓電源。

3.3 返回參考點配置

返回參考點配置有雙開關和單開關兩種方式。選擇雙開關方式，在提高控制精準度的同時可加速返回參考點的速度[3]。

3.4 主軸變頻器的選用

因為數控機床屬于精度高、響應十分迅速的設備，所以在變頻器的選擇上，盡量選擇矢量控制高性能型通用變頻器。如圖3 所示是主軸編碼器示意圖。

圖3 主軸編碼器

3.5 導軌的改造處理

對于數控車床而言，其導軌與普通的車床導軌不同，除了提高剛度以保障加工精度外，還要有足夠的抗磨能力，以保證導軌不會因摩擦阻力的影響而受到損壞，同時還要保障導軌的足夠潤滑。

3.6 機床防護

經過改造后的機床有三種防護方式，分別是僅對機床的某些部件進行防護；半防護，即增加切削保護；全防護。

4 安裝與調試

4.1 安裝

空運轉前的檢查：結合面應該緊緊貼合在一起，仔細檢查各個箱體和各個部件是否按要求加油。

4.2 各種動作試驗

進行手動操作試驗；點動試驗；主軸變擋試驗。

4.3 功能試驗

用按鍵開關的人為操作對機床的靈活度以及功能是否可靠進行檢驗。

4.4 空運轉試驗

4.4.1 主運動機構運轉試驗

在不切削狀態下，試驗主軸運轉時間的溫度變化和空載功率。機床主運動機械有低、中、高三擋轉速，有級變速為全部轉速的運轉時間不少于2 min，在最高轉速段不得少于1 h，使主軸軸承達到穩定溫度。檢查主軸軸承的溫度不超過70 ℃。

4.4.2 連續空運轉試驗

用數控程序指令全部功能做（不切削）連續運動和回轉試驗。其運動時間不大于15 min。每個循環終了停車，并模擬松卡工作，停車不超過1 min，根據客戶不同的要求連續運轉48～72 h。

4.5 試切加工試驗

根據要求試切加工如圖4 圖樣。

圖4 試切加工圖（單位：mm）

數控系統由隔離變壓器提供AC220 V 電源，以避免電網擾動對系統的干擾[4]。X 軸和Z 軸的驅動裝置由機床變壓器提供，AC220 V 電源采用兩個開關穩壓電源分別提供I/O+24 V 和中間繼電器+24 V，以避免干擾對I/O 信號的影響。整個系統的電源配置必須接地，以增強系統的抗干擾性。數控車床根據被加工零件工作圖與工藝過程卡，用規定的數控代碼和程序格式編寫加工程序，將正確的加工程序輸入數控系統，數控系統將給定的加工程序和輸入的信號進行運算和控制處理，然后將處理的結果送往控制系統，驅動機床的各運動部件有序地按機械加工要求運行，自動地加工出合格的零件。改造后的車床滿足應用要求。