数控车床电器控制系统设计

1 引言

　　车床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注。由于计算机技术的兴起，促使车床的控制理论发生了质的突破，应用数字技术进行柔性自动化控制的新一代车床数控车床的诞生和发展，实现机械加工工艺过程自动化。数控车床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能，成为机械产品向机电一体化发展的先河。

　　目前数控车床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控车床最近几年产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在车床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控车床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。我国是一个车床大国，有三百多万台普通车床，经济资源有限，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控车床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高车床的自动化程度。这样才符合我国的国情。

　　数控车床是以数字化的信息实现车床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，车床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具设计有机地结合在一起，具有典型性和实用性的特点。将预先编排的加工信息代码记录在计算机中，经过处理，转换为控制指令，发送给数控车床，完成零件的自动加工过程。

　　数控车床与普通车床相比，其主要有以下的优点：

　　(1) 适应性强一适合加工批量的复杂工件，针对不同的加工零件，编制相应的加工程序，实现零件自动加工。

　　(2) 加工精度高一进给系统中采用的滚珠丝杆、滚动导轨等先进技术，具有间隙小、运动精度高、50种以上的进给速度的特点，适合加工表面粗糙度较高的机械零件。

　　(3) 生产效率高一数控车床是自动化程度较高的车床，整个加工过程无需认为参与，，节省了工装时间，减轻劳动强度，改善劳动条件，具有良好的经济效益，有利于现代化生产管理。

2 数控车床的电器设计

　　2.1 数控车床的电器组成部分

　　数控车床的电器设计主要包括：车床主轴变频调速、车床进给速度脉冲分频、快速进给电路、车床限位器、数显坐标、步进电机的选配及驱动、上位机接口等部分组成，见图1所示。

图1 系统图 

　　2.2 数控车床的电器设计

　　2.2.1 车床主轴变频调速

　　车床主轴旋转带动工件，配合刀具进给运动，完成对零件加工。其主轴的转速、回转精度，对工件的加工质量及效率起着决定性作用。普通车床的主轴传动方法是利用交流三相异步电机，配合皮带传动、齿轮变速箱完成调速。以CA6140普通车床为例，主轴的转速分为24级，以适应不同条件的切削加工，选用合理的切削用量，获得较高的加工精度和生产效率。

　　数控车床属于加工能力极强的设备，要求主轴转速在一定范围内连续可调，因此采用交流变频调速技术，可实现车床主轴无级调速。它与传统的齿轮变速箱相比，优点是传动链较短、回转精度及机械效率高、工作平稳噪音低、速度连续可调。制造成本低等。缺点是低速挡位扭距受到一定的限制，感觉动力不足。

　　三相异步电机的速度计算公式如下：

　　其中。f-供电频率、p-锭子极对数、s-转差率。根据切削抗力计算，主轴选择YVP80M变频电机，功率750W，转速1400r/min。变频器型号为VFD007M21A的0.75kW台达通用型变频器。从公式中可以推断出，电机的转速与供电频率成正比，考虑到变频器的工作特性，将变频器的频率范围设定在100Hz—100Hz之间，其转速调整范围在280—2800r/min之间连续可调。电机在5-50Hz之间为恒转矩运行区，50-100Hz之间为恒功率运行区。设定变频器工作频率的上、下限，利用线性10K电位器，调整电机速度，也可在变频器的外接控制端口上输入4—20mA电流，使用操作器控制车床主轴电机的转速。

　　2.2.2 车床进给调速电路

　　车床进给运动分为横向进给和纵向进给两种，它带动刀具做相应的运动，完成各类零件的加工。普通车床设置光杆和丝杆进给装置，光杆做普通进给用，丝杆做加工螺纹用，为了能保证严格的进给传动比，主轴旋转一个角度，进给要准确地运动到对应的位置，因此加工螺纹时必须使用丝杆做进给。

　　在数控车床上，为了有效地控制进给，通常使用步进电机带动滚珠丝杆，使运动处于无间隙状态下，传递进给运动，既可以实现普通进给，又可以加工螺纹，这样就要求对驱动进给的步进电机，具有相应配套的变速驱动功能。为了使车床的主轴运动与进给装置，在加工过程中保持运动系统的内在联系，通常情况下在主轴上设置一个随主轴同步旋转的光电脉冲发生盘，作为进给步进电机的基频，然后利用电子分频方法，对基频做进一步的细分。

　　主轴光电脉冲发生盘每转发送脉冲数量的计算方法。已知进给丝杆螺距8mm，进给量0.02-1mm/r，进给电机为二相步进电机，驱动方式800步／转(步距角为45度)。即主轴每转产生100个脉冲，以满足最大进给量。

　　最小进给量仅为最大进给量的2％，将基频做1/50分频处理，即主轴每转产生2个脉冲，因此脉冲的变换范围2-100／转之间成等差数列，等差值为2，共分为50频率等级，可提供50种进给速度。

　　电路设计采用十进制计数器CD4017芯片，对基频进行逐次分频，它具有十个译码输出端，译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平，每10个时钟输入周期C0信号完成一次进位，并用做多级计数链的下一级脉冲时钟。它有CP时钟输入端、CO进位脉冲输出端、INH禁止端、Q0-Q9计数脉冲输出端。

　　图2中共有100个输出端，取奇数输出端，利用50档波段开关作为脉冲分频输出，输入给步进电机驱动器，实现车床进给速度线性调速。

图2 进给脉冲分频器