刘亚楠1 孙长胜2
（许昌职业技术学院 河南许昌 461000）
摘要：在科技迅猛发展的背景下，我国进行了高速数控车床的研究，其在生产加工方面具有高效性、精确性以及稳定性等特点。作为高速数控车床最为关键的控制系统，应对其进行合理的设计。本文在结合高速数控车床控制系统的设计要求与总体结构的基础上，对高速数控车床控制系统进行了详细的设计，旨在通过对系统内各部分的合理设计，保证控制系统能够实现对高速数控车床的有效控制，提升高速数控车床运行的稳定性和安全性，从而确保机械零件的生产加工工作能够顺利进行。
关键词:高速数控车床；控制系统；伺服控制；电气控制
引言：随着社会的不断进步，传统的数控车床面临着高速高精度化、功能复合化、结构模块化等特点，已经难以满足目前各制造单位对高精度机械零件的大量需求，在此基础上对高速数控车床进行研究，并根据其机械结构与控制系统基本特点从数控系统、伺服系统以及电气系统三方面对控制系统进行全面的设计，使高速数控车床能够在人为控制范围内合理运行，降低高速数控车床发生风险的可能性。
一、设计要求
高速数控车床的高速主要体现在其主轴转速高、进给速度快，其设计要求要高于普通的数控车床。车床主要设计参数为:车床最大切削直径200mm;刀架X方向的行程250mm，最高速度9m/min，切削力4500N;刀架Y方向的行程550mm，最高速度12m/min，切削力4500N;主轴的转速范围(150-6000)rpm，能实现无级变速:滑鞍上最大回转直径380mm，滑板上最大回转直径160mm;凶刀架上的刀具数量8；车床可以进行螺纹切削。
二、总体设计
1、机械结构
主传动系统:为了提高主轴传动的刚性和传动精度，采用无级变速，减少传动机构。用交流伺服主轴电机，通过具有高精度，减震性能的同步齿形带带动主轴运动。进给传动系统:横向、纵向进给采用性能优良的交流伺服电动机直接驱动。主运动变速采用变频器来调速，实现无级变速。传动元件选用具有较高的轴向刚度和旋转精度的滚珠丝杠。导轨副选用具有一定承载能力，刚性好、良好导向精度的滚动直线导轨副。刀架选用液压驱动的自动回转刀架。数控车床采用水平床身配置倾斜放置滑板的总体布局。
2、控制系统
数控车床的控制系统主要是对车床各部分工作内容以及工作顺序进行有效控制，保证生产和加工的稳定性和有序性，是高速数控车床系统的核心。其功能主要实现主轴转速调节、进给伺服运动、PLC有序控制和其他辅助功能。本文车床总体上采用闭环控制，以数控系统为核心，利用变频器对主轴进行调速，通过伺服电机来驱动丝杠轴向运动，并结合强电、气、液动系统和PLC有序控制执行元件动作。
三、控制系统设计
1、编制数控程序
编程工作是数字车床最为重要的环节，是其实现数字化的根本。因此需要对高级数控车床的功能需求进行分析，明确高级数控车床应实现的各种功能以及具体生产加工流程，并以此为依据，建立生产加工的基本程序框架，并确定各零件生产的相对参数，主运动的启、停、方向、变速；进给运动的速度大小，选择刀具等工艺参数，以及冷却液开、关等辅助作，并结合统一的参数格式进行数字编程，编程时应注意程序的简洁，减少重复语句，简化语句结构，便于日后对数控车床内程序进行修改、增添等操作。功能相对简单的数控车床，可以在其内部软件上直接编程，并将编好的数控程序存储在其数据库中，以便随时调用。
2、输入装置
数控车床的运行与生产控制是通过输入装置实现的，将输入装置产生的电信号转化为内部相应软件和数据库可识别的数字信号。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆输入装置可以是光电阅读机、磁带机、软盘驱动器或是数控装置上的键盘。部分数控装置通过计算机内程序进行远程操控。数控车床控制系统的设计主要包括数控系统的选用、伺服控制和电气控制三个方面。其中数控系统的设计是整个高级数字车床控制的关键，而伺服控制和电气控制的设计则是保证数控系统与车床能够互相相连接。
3、数控系统
数控系统通过发出控制信号和接受反馈信号，来协调整个车床的动作。其中最重要功能是精确控制丝杠x和y的轴向运动及其对主轴转速的调节。传动系统的精度不仅与传动机构有关，同时也依赖于数控系统的内部控制精度。数控车床的控制方式可分为数字控制方式和顺序控制方式。数字控制是对各坐标轴位置的连续控制，这个任务由数控系统来实现;顺序控制是在数控机床运行过程中，根据CNC内部标志以及机床各操作开关实际运行的信号状态，按照预先规定的逻辑顺序，诸如主轴的正反转、刀架的转动、卡盘松紧、台尾进退等功能的控制，这类任务由可编程控制器来实现。由于KND1000TA数控系统内嵌PLC，我们只需要根据说明中输入输出接口定义和用户定义接口进行编程。
4、伺服控制
伺服控制系统是接收数控装置发来的速度和位移信号，控制伺服电机的运动速度、方向。伺服控制系统一般由伺服电路和伺服电机组成，并与机床上的机械传动部件组成数控机床的进给系统。伺服控制系统是连接数控系统与车床的枢纽，其性能对数控车床的精度、稳定性、可靠性和加工效率等都有很大影响。按其反馈信号的有无，可分为开环和闭环两种位置控制方式。对提高数控车床的控制精度和可靠性来说，闭环控制系统要优于开环控制。数控车床的伺服控制系统主要包括进给伺服系统和主轴伺服系统。其中进给伺服系统由伺服驱动系统和机械传动系统两大部分组成。为了满足数控车床快速，高转速，精密的切削的要求，最好选用交流伺服驱动器和交流伺服电机。其功能是接受数控系统代码功能指令，驱动主轴进行切削加工。高速数控车床由于其工作时间较长、主轴转速较快，因此易导致主轴热变形、精度低，会在实际生产加工中造成机械零件精度低、质量差等情况。所以在设计时对主轴伺服系统的要求更高。
5、电气控制
对于数控车床而言，以被加工零件的工作图以及工艺过程卡为依据，通过对数控代码及其程序格式进行加工程序编写的整个过程进行规定，在数控系统中进行准确加工程序的输入，并将已给定加工程序及输入信号进行相应的运算、控制及其处理，而后将处理结果发送至控制系统中，从而对机床各部件进行驱动，使其能够以机械加工相关要求为依据进行有序的运行，并自动进行合格零件的制作。由于数控车床主要负责进行轴类以及盘类回转体零部件的加工，并自动完成圆柱面、圆锥面、断面、圆弧面以及螺纹内外工序的切削及其加工过程，因而在机械制造领域得到了广泛的应用。主轴电动机的电气控制，主轴电机为交流变频电动机，主要通过变频器进行驱动，对于其正、反转以及速度等主要是由数控系统控制的。主轴控制，有关零件程序的输入信号包括M03、M04以及M05，而有关机床操作面板的主要包括主轴的正、反转，点动及停止，其中，主轴正转输出信号为Q0.0，反转为Q0.1，停止为Q0.2。其他相关辅助控制主要包括刀架、冷却泵以及润滑泵等电机。数控车床主要是由机械及电气两大部分构成，方案的设计必须从机、电两大方面入手来对车床各功能实施及实现方案进行考虑，以数控车床现状为依据进行分析。
结语：高速数控车床是对传统的数控车床的一种改进，不仅保留了数控车床数字化、操作简单等特点，还提高了生产加工的精确度、速度和效率。但由于我国高速数控车床的研发与设计仍处于起步阶段，缺乏相对成熟的实际经验，因此需要对高速数控车床各部分进行科学的设计，尤其是高速数控车床的核心控制系统，通过反复的分析以及借鉴国外先进技术等方法对设计方案进行优化，促进高速数控车床能够广泛地应用到实际生产加工工作中，为我国工业以及制造业的发展贡献力量。
参考文献
[1]陈平信.西门子系统与数控车床改进[J].中国设备工程，2010
[2]罗永顺.普通机床数控化改进设计中关键问题的研究[J].机床与液压，2011
论文作者:刘亚楠1,孙长胜2
论文发表刊物:《电力设备》2016年第7期
论文发表时间:2016/7/5
标签：数控车床论文; 主轴论文; 控制系统论文; 车床论文; 数控系统论文; 精度论文; 程序论文; 《电力设备》2016年第7期论文;