0 引言

　　隨著制造業(yè)加工精度和效率要求的提高，對高速高精數(shù)控車床的需求也在日益擴大。目前，國內高速高精數(shù)控車床的關鍵配套件仍然依靠進口，特別是數(shù)控系統(tǒng)，其不僅占整機價格的比重最大，且在機床的電氣控制系統(tǒng)中起著重要的作用。因此，性價比好的數(shù)控系統(tǒng)對降低高速高精數(shù)控車床整機的價格和提高整機的性價比尤為關鍵。本文以GSCK200A數(shù)控車床為例，介紹開發(fā)過程中數(shù)控系統(tǒng)選型和電氣控制設計的要點，并對主要控制電路的設計思路作具體說明。

1 數(shù)控車床功能及控制要求分析

　　GSCK200A高速高精數(shù)控車床功能廣泛，可以加工圓柱、圓錐、圓弧和各種螺紋、槽、蝸桿等復雜且精度高的工件。要達到高速高精加工，要求主軸轉速和定位、X／z軸插補運動、刀具的換刀、卡盤夾緊和松夾、尾架進退等指標都要快和準，這些指標都和機床的控制系統(tǒng)有關。GsCK200A高速高精數(shù)控車床采用了便于排屑的傾斜45。硬導軌結構，該機床共由12大部分組成，其中包括液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩大控制系統(tǒng)，該機床的結構組成圖如圖1所示。本文主要針對機床控制系統(tǒng)中的電氣系統(tǒng)進行設計。

2 數(shù)控系統(tǒng)選型

　　實現(xiàn)上述控制要求，CNC數(shù)控系統(tǒng)是本車床控制系統(tǒng)設計的核心，有必要采用進口全功能CNC數(shù)控系統(tǒng)。我國大多數(shù)：果用的進口數(shù)控系統(tǒng)有德國西門子、日本FAUNC和三菱系統(tǒng)。FAUNC 0i Mate、西門子802D和三菱E60S是中檔數(shù)控機床中比較經濟性的數(shù)控系統(tǒng)，其中，F(xiàn)AuNC 0i Mate可控軸數(shù)為8，西門子802D可控軸數(shù)為5，三菱E60s可控軸數(shù)為5；三種數(shù)控系統(tǒng)的加工精度都可以達到微米級。且GSCK200A機床所要控制的軸數(shù)為3，兩個進給軸和一個主軸，加工精度需達到微米級，因而，上述三種數(shù)控系統(tǒng)均可以滿足該數(shù)控車床的功能、加工精度要求。FAUNC 0i Mate系統(tǒng)及其相應的電機總成和西門子802D系統(tǒng)及其相應的電機總成的價格都在8萬元左右，而三菱E60s系統(tǒng)及其相應電機總成的價格在6萬元左右，綜合考慮GSCK200A高速高精數(shù)控車床性價比要求，本設計選用三菱E60S數(shù)控系統(tǒng)。E60S內含64位CPu，采用控制器與顯示器一體化、X／Z軸伺服驅動器一體化的超小型設計，配置薄型伺服電機和高分辨率絕對編碼器，內置簡體／繁體中文和日文／英文標準4種操作界面，通過參數(shù)設置來控制車床或銑床，是車銑兩用的高性能數(shù)控系統(tǒng)。

3 控制系統(tǒng)設計

　　3.1 控制方案和系統(tǒng)連接原理

　　根據(jù)GSCK200A高速高精數(shù)控車床的功能等要求，確定其電氣控制方案如圖2所示，把控制系統(tǒng)按控制原理分為主軸伺服驅動、x軸伺服驅動、z軸伺服驅動和開關量控制四大模塊。機床夾緊系統(tǒng)、刀塔選刀、尾架進退和普通電機啟停等程序動作，用E60S數(shù)控系統(tǒng)內置PLC的開關量和邏輯控制功能來控制；刀具的插補運動，通過x、z兩伺服軸組成十字刀架來完成控制。由于車床采用45。斜床身，即x軸傾斜45。，為避免刀架在該方向因自重下滑而失去位置信號和失卻高精度定位性能，專門為x軸電機選配了制動器裝置。主軸旋轉運動是主軸電機以l：1．4減速比通過多楔帶帶動主軸實現(xiàn)的。因皮帶和帶輪之問的滑移無法保證它們之間具有的精確傳動比，為實現(xiàn)主軸準停和螺紋加工性能，設置了一個同期編碼器，由主軸通過同步帶以1：1的傳動比帶動。同期編碼器并無負載，不會使同步帶傳動產生滑移，因而同期編碼器能實時檢測主軸旋轉時的準確轉角和轉速。

其中，X／Z兩軸采用二合一雙軸伺服驅動單元，控制信號通過基本I／O與CNc單元相連，而主軸驅動單元的控制信號則從X／Z兩軸伺服驅動單元的CN1B串接引出。

　　3.2 主軸伺服控制設計

　　主軸在高速旋轉過程中，伴有加、減速時間長、主軸不平穩(wěn)和易振動的特點，解決不好則直接影響加工的精度、表面質量和效率，有悖于高速高精的初衷。本設計選用MDS—B—SPJ2主軸驅動器，它采用高速集成LSI、高速DSP和IG—BT芯片使設備小型化，采用高速DsP改善響應速度使機床切削加工的精度得以提高，采用高速旋轉直接定位的高速定位方式使主軸動作流暢且定位時間極短，而主軸參數(shù)又可在CNC的LCD顯示屏上設置，使參數(shù)試驗和優(yōu)化可見有易于操作。

　　機械式主軸靜態(tài)精度和綜合動平衡達到要求后，主軸高速旋轉產生振動、不平穩(wěn)和噪聲的原因多半源于主軸驅動電機。本設計通過在E60基礎上增加主軸HR753選卡和選用sJ—PFl l_0l z主軸電機的方式，使主軸電機能穩(wěn)定地達到8000rpm的額定轉速。按設計的1：1．4減速比實現(xiàn)主軸5000rpm的最高速度，電機實際轉速為7000rpm，低于其額定轉速1000rpm，因此，不易出現(xiàn)振動、不平穩(wěn)和噪聲等不良工況，有利于保證主軸高速旋轉的平穩(wěn)性和精度，從主軸這方面確保了高速高精數(shù)控車床所要求的性能。

　因為所選主軸電機功率為11 kw，在驅動器內標準裝備有回生電阻電路，主軸高速定位或急停時通過其耗散主軸系統(tǒng)巨大慣性能量?；厣娮杞釉贑、P之間，回生電阻要通過計算主軸系統(tǒng)停止(定位)時的回生能量來選型。不能根據(jù)經驗選擇，以免造成伺服放大器的IPM燒壞。經過計算，選用了R—UNIT4回生電阻，有效地實現(xiàn)了主軸高速定位和急停的功能。

　　3.3 主軸伺服控制設計

　　高精數(shù)控車床的尺寸精度取決于機械傳動系統(tǒng)的精度和進給伺服驅動控制系統(tǒng)的運動控制精度和性能。

　    選用高增益電流控制的新型進給軸伺服驅動器MDS-R—V2-6060，是三菱目前電阻回生類的主流伺服驅動器，回生電阻接在C、P之間，根據(jù)計算，其所選型號在圖中已標出。MDS-R型驅動器采用高響應電流控制以提高加工精度，采用平滑高增益SHG控制以抑制機床振動，采用外部散熱設計來降低內部溫升以提高運行穩(wěn)定性，配置HF系列小慣量、高速、高精新型伺服電機，具有速度更高、精度更高、環(huán)境適應更好和更小型化的特點，特別適合在高速高精數(shù)控車床中應用。

　　對于傾斜了45°的x軸來說，其伺服電機，M7停止定位的精度還與其制動器的制動響應時間相關。制動器電磁鐵可以通過數(shù)控系統(tǒng)內置PLC進行控制，但本設計直接使用了MDS-R-V2-6060上的MBR制動器控制口嘲，有：效地縮_短篇了制動的響應時間。

　　3.4 強電控制和PLC控制設計

　　強電控制電路與高速和高精性能也不無關系。設計了浪涌抑制器一z11、-z12和-z13，有效地防止了雷擊浪涌損壞控制電源或通過控制電源損壞數(shù)控系統(tǒng)內部電路。PLC控制通過優(yōu)化邏輯關系、縮短程序掃描時間等來體現(xiàn)高速高精性能，在設計中也是不可忽視的，應引起注意。

4 應用結果

　　GSCK200A高速高精數(shù)控車床主要體現(xiàn)了主軸轉速高和加工精度高兩大特點。在國內同等價位的數(shù)控車床中，機械主軸的最高主軸轉速4000rpm的居多，比GsCK200A數(shù)控車床的最高主軸轉速低1000rpm左右，且加工精度也比GScK200A車床的加工精度低。因此，GSCK200A高速高精數(shù)控車床在加工效率和經濟效率兩方面都有所優(yōu)勢。

5 結束語

　　E60S系統(tǒng)在較FAUNC 0i Mate和西門子802D廉價的條件下，也可使該機床達到所需的高速高精加工要求，從而提高了機床的性價比。該車床投入使用一年多，E60S系統(tǒng)的各項操作正常，運行穩(wěn)定，表明選用E60S系統(tǒng)可以滿足GSCK200A車床高速高精的設計要求。