1 引言

　　車(chē)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，促使車(chē)床的控制理論發(fā)生了質(zhì)的突破，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行柔性自動(dòng)化控制的新一代車(chē)床數(shù)控車(chē)床的誕生和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過(guò)程自動(dòng)化。數(shù)控車(chē)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能，成為機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。

　　目前數(shù)控車(chē)床已成為我國(guó)市場(chǎng)需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國(guó)數(shù)控車(chē)床最近幾年產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在車(chē)床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國(guó)產(chǎn)數(shù)控車(chē)床與先進(jìn)國(guó)家的同類(lèi)產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿(mǎn)足國(guó)家建設(shè)的需要。我國(guó)是一個(gè)車(chē)床大國(guó)，有三百多萬(wàn)臺(tái)普通車(chē)床，經(jīng)濟(jì)資源有限，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購(gòu)買(mǎi)新型的數(shù)控車(chē)床，在投資少的情況下，使其既能滿(mǎn)足加工的需要，又能提高車(chē)床的自動(dòng)化程度。這樣才符合我國(guó)的國(guó)情。

　　數(shù)控車(chē)床是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)車(chē)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對(duì)位置，車(chē)床電機(jī)的啟動(dòng)和停止，主軸變速，工件松開(kāi)和夾緊，刀具設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合在一起，具有典型性和實(shí)用性的特點(diǎn)。將預(yù)先編排的加工信息代碼記錄在計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過(guò)處理，轉(zhuǎn)換為控制指令，發(fā)送給數(shù)控車(chē)床，完成零件的自動(dòng)加工過(guò)程。

　　數(shù)控車(chē)床與普通車(chē)床相比，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1) 適應(yīng)性強(qiáng)一適合加工批量的復(fù)雜工件，針對(duì)不同的加工零件，編制相應(yīng)的加工程序，實(shí)現(xiàn)零件自動(dòng)加工。

　　(2) 加工精度高一進(jìn)給系統(tǒng)中采用的滾珠絲桿、滾動(dòng)導(dǎo)軌等先進(jìn)技術(shù)，具有間隙小、運(yùn)動(dòng)精度高、50種以上的進(jìn)給速度的特點(diǎn)，適合加工表面粗糙度較高的機(jī)械零件。

　　(3) 生產(chǎn)效率高一數(shù)控車(chē)床是自動(dòng)化程度較高的車(chē)床，整個(gè)加工過(guò)程無(wú)需認(rèn)為參與，，節(jié)省了工裝時(shí)間，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，有利于現(xiàn)代化生產(chǎn)管理。

2 數(shù)控車(chē)床的電器設(shè)計(jì)

　　2.1 數(shù)控車(chē)床的電器組成部分

　　數(shù)控車(chē)床的電器設(shè)計(jì)主要包括：車(chē)床主軸變頻調(diào)速、車(chē)床進(jìn)給速度脈沖分頻、快速進(jìn)給電路、車(chē)床限位器、數(shù)顯坐標(biāo)、步進(jìn)電機(jī)的選配及驅(qū)動(dòng)、上位機(jī)接口等部分組成，見(jiàn)圖1所示。

圖1 系統(tǒng)圖

　　2.2 數(shù)控車(chē)床的電器設(shè)計(jì)

　　2.2.1 車(chē)床主軸變頻調(diào)速

　　車(chē)床主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)工件，配合刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)零件加工。其主軸的轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)精度，對(duì)工件的加工質(zhì)量及效率起著決定性作用。普通車(chē)床的主軸傳動(dòng)方法是利用交流三相異步電機(jī)，配合皮帶傳動(dòng)、齒輪變速箱完成調(diào)速。以CA6140普通車(chē)床為例，主軸的轉(zhuǎn)速分為24級(jí)，以適應(yīng)不同條件的切削加工，選用合理的切削用量，獲得較高的加工精度和生產(chǎn)效率。

　　數(shù)控車(chē)床屬于加工能力極強(qiáng)的設(shè)備，要求主軸轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，因此采用交流變頻調(diào)速技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)車(chē)床主軸無(wú)級(jí)調(diào)速。它與傳統(tǒng)的齒輪變速箱相比，優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)鏈較短、回轉(zhuǎn)精度及機(jī)械效率高、工作平穩(wěn)噪音低、速度連續(xù)可調(diào)。制造成本低等。缺點(diǎn)是低速擋位扭距受到一定的限制，感覺(jué)動(dòng)力不足。

　　三相異步電機(jī)的速度計(jì)算公式如下：

　　其中。f-供電頻率、p-錠子極對(duì)數(shù)、s-轉(zhuǎn)差率。根據(jù)切削抗力計(jì)算，主軸選擇YVP80M變頻電機(jī)，功率750W，轉(zhuǎn)速1400r/min。變頻器型號(hào)為VFD007M21A的0.75kW臺(tái)達(dá)通用型變頻器。從公式中可以推斷出，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與供電頻率成正比，考慮到變頻器的工作特性，將變頻器的頻率范圍設(shè)定在100Hz—100Hz之間，其轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍在280—2800r/min之間連續(xù)可調(diào)。電機(jī)在5-50Hz之間為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)，50-100Hz之間為恒功率運(yùn)行區(qū)。設(shè)定變頻器工作頻率的上、下限，利用線(xiàn)性10K電位器，調(diào)整電機(jī)速度，也可在變頻器的外接控制端口上輸入4—20mA電流，使用操作器控制車(chē)床主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　2.2.2 車(chē)床進(jìn)給調(diào)速電路

　　車(chē)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分為橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給兩種，它帶動(dòng)刀具做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，完成各類(lèi)零件的加工。普通車(chē)床設(shè)置光桿和絲桿進(jìn)給裝置，光桿做普通進(jìn)給用，絲桿做加工螺紋用，為了能保證嚴(yán)格的進(jìn)給傳動(dòng)比，主軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，進(jìn)給要準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)的位置，因此加工螺紋時(shí)必須使用絲桿做進(jìn)給。

　　在數(shù)控車(chē)床上，為了有效地控制進(jìn)給，通常使用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿，使運(yùn)動(dòng)處于無(wú)間隙狀態(tài)下，傳遞進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，既可以實(shí)現(xiàn)普通進(jìn)給，又可以加工螺紋，這樣就要求對(duì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給的步進(jìn)電機(jī)，具有相應(yīng)配套的變速驅(qū)動(dòng)功能。為了使車(chē)床的主軸運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給裝置，在加工過(guò)程中保持運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系，通常情況下在主軸上設(shè)置一個(gè)隨主軸同步旋轉(zhuǎn)的光電脈沖發(fā)生盤(pán)，作為進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的基頻，然后利用電子分頻方法，對(duì)基頻做進(jìn)一步的細(xì)分。

　　主軸光電脈沖發(fā)生盤(pán)每轉(zhuǎn)發(fā)送脈沖數(shù)量的計(jì)算方法。已知進(jìn)給絲桿螺距8mm，進(jìn)給量0.02-1mm/r，進(jìn)給電機(jī)為二相步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)方式800步／轉(zhuǎn)(步距角為45度)。即主軸每轉(zhuǎn)產(chǎn)生100個(gè)脈沖，以滿(mǎn)足最大進(jìn)給量。

　　最小進(jìn)給量?jī)H為最大進(jìn)給量的2％，將基頻做1/50分頻處理，即主軸每轉(zhuǎn)產(chǎn)生2個(gè)脈沖，因此脈沖的變換范圍2-100／轉(zhuǎn)之間成等差數(shù)列，等差值為2，共分為50頻率等級(jí)，可提供50種進(jìn)給速度。

　　電路設(shè)計(jì)采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4017芯片，對(duì)基頻進(jìn)行逐次分頻，它具有十個(gè)譯碼輸出端，譯碼輸出一般為低電平，只有在對(duì)應(yīng)時(shí)鐘周期內(nèi)保持高電平，每10個(gè)時(shí)鐘輸入周期C0信號(hào)完成一次進(jìn)位，并用做多級(jí)計(jì)數(shù)鏈的下一級(jí)脈沖時(shí)鐘。它有CP時(shí)鐘輸入端、CO進(jìn)位脈沖輸出端、INH禁止端、Q0-Q9計(jì)數(shù)脈沖輸出端。

　　圖2中共有100個(gè)輸出端，取奇數(shù)輸出端，利用50檔波段開(kāi)關(guān)作為脈沖分頻輸出，輸入給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)車(chē)床進(jìn)給速度線(xiàn)性調(diào)速。

圖2 進(jìn)給脈沖分頻器

2.2.3 快速進(jìn)給

　　為了解決加工過(guò)程中刀具的快速移動(dòng)，節(jié)省工裝時(shí)間，通常設(shè)置快速進(jìn)給裝置，為點(diǎn)動(dòng)按扭手動(dòng)操作，其控制指令與進(jìn)給限位裝置做邏輯與運(yùn)算。已知快速進(jìn)給速度為100mm/s，進(jìn)給絲桿螺距8mm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式800步/轉(zhuǎn)，則可以計(jì)算出由于快速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與主軸運(yùn)動(dòng)之間，不需要保持一定的內(nèi)在聯(lián)系，所以可以直接使用脈沖信號(hào)發(fā)生器，利用NE555芯片組成典型的脈沖信號(hào)發(fā)生電路(見(jiàn)圖3)，產(chǎn)生10KHz的頻率，具有電路簡(jiǎn)單，無(wú)需要調(diào)試，頻率相對(duì)比較穩(wěn)定，成本低廉，波形符合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)給。

 
圖3 快速進(jìn)給脈沖發(fā)生器

　　2.2.4 車(chē)床限位器

　　作用是保證進(jìn)給裝置在規(guī)定的范圍內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)極限位置時(shí)發(fā)出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)，及時(shí)停止。限位器使用觸點(diǎn)式小型微動(dòng)開(kāi)關(guān)，分別安裝在直線(xiàn)軌道的兩個(gè)極限端，電路設(shè)計(jì)中，將二個(gè)極限開(kāi)關(guān)做邏輯與運(yùn)算，當(dāng)?shù)竭_(dá)極限位置時(shí)，限位開(kāi)關(guān)輸出低電平，致使邏輯運(yùn)算值為0，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)限位目的。

　　2.2.5 螺紋加工

　　螺紋在零件加工中經(jīng)常遇到，它對(duì)車(chē)床的精度要求較高，其中重要的指標(biāo)是螺距。普通車(chē)床是主軸按照一定的傳動(dòng)比帶動(dòng)絲桿，配合開(kāi)合螺母，使刀具隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)而形成螺紋。由于加工螺紋過(guò)程中，車(chē)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)與刀具進(jìn)給，以及加工起始位置有著嚴(yán)格的內(nèi)在聯(lián)系。因此在車(chē)床主軸上不但要設(shè)置進(jìn)給脈沖信號(hào)發(fā)生盤(pán)，而且還要設(shè)置加工起始位置索引孔，嚴(yán)格定義螺紋的加工位置。

　　已知車(chē)床加工公制螺紋，螺距范圍1mm-5mm之間(9種規(guī)格)，車(chē)床進(jìn)給絲桿螺距8mm，可計(jì)算出主軸每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。

　　為了滿(mǎn)足加工螺距及精度要求，對(duì)螺紋進(jìn)給脈沖不使用電子分頻器，而是在車(chē)床主軸脈沖發(fā)生盤(pán)上，直接打出由9個(gè)同心圓構(gòu)成的環(huán)狀光柵孔，最外圈500個(gè)孔光柵，以此類(lèi)推到最里圈100個(gè)孔光柵，使用光電耦接收光柵孔產(chǎn)生的脈沖，分別將接收的脈沖信號(hào)，通過(guò)波段開(kāi)關(guān)選擇加工螺紋的螺距。
 

　　在車(chē)床主軸脈沖發(fā)生盤(pán)上，設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的脈沖發(fā)生孔，作為加工螺紋起始位置定位索引孔，只有當(dāng)索引孔轉(zhuǎn)過(guò)規(guī)定位置時(shí)，才開(kāi)始加工螺紋，將索引孔、車(chē)床主軸盤(pán)脈沖信號(hào)、限位器開(kāi)關(guān)信號(hào)做邏輯與運(yùn)算，使用與非門(mén)電路，將其運(yùn)算結(jié)果作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。

　　2.2.6 數(shù)顯坐標(biāo)

　　在許多自動(dòng)或半自動(dòng)車(chē)床中使用數(shù)顯坐標(biāo)，為測(cè)量和控制工件尺寸提供了方便條件。由于數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，因此可直接讀取步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)，做加減法運(yùn)算，顯示當(dāng)前坐標(biāo)。選用的步進(jìn)電機(jī)步長(zhǎng)為800步/轉(zhuǎn)，進(jìn)給絲桿螺距8盯吼，則0.01mm/步，加減法計(jì)數(shù)器，每一個(gè)計(jì)數(shù)單位(分辨率)也就是0.01mm。車(chē)床啟動(dòng)后自檢回原點(diǎn)，即坐標(biāo)(0，0)點(diǎn)，橫向至左端限位器位置，縱向至車(chē)床主軸軸心線(xiàn)端限位器位置，此時(shí)計(jì)數(shù)器清零，此后計(jì)數(shù)器隨橫向、縱向步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，顯示當(dāng)前坐標(biāo)值。使用快進(jìn)進(jìn)給回原點(diǎn)，重新修正顯示坐標(biāo)，也可人為使計(jì)數(shù)器清零的方法，定義坐標(biāo)零點(diǎn)作為工件加工的起始位置。

　　2.2.7 步進(jìn)電機(jī)選配

　　步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行裝置，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖信號(hào)時(shí)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，按設(shè)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)固定的步距角，旋轉(zhuǎn)是以固定角度運(yùn)行的，因此通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角的積累誤差，具有旋轉(zhuǎn)精度高，定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，可省去普通車(chē)床龐大而復(fù)雜的進(jìn)給變速箱，擴(kuò)大了車(chē)床進(jìn)給傳動(dòng)速比的范圍。

　　按照數(shù)控車(chē)床進(jìn)給方式的要求，選擇步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，根據(jù)車(chē)削過(guò)程中走刀抗力計(jì)算，橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給分別選用二相混合式86BYG250BN和57BYG250C型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。

　　2.2.8 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

　　根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)和驅(qū)動(dòng)電流，選用4A和2.4A以上與之匹配的驅(qū)動(dòng)器，考慮到旋轉(zhuǎn)精度和傳動(dòng)比的要求，設(shè)置步距角為45度，即800步/轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式。工作電壓為DC36V。除了對(duì)驅(qū)動(dòng)器作必要的設(shè)置外，更重要的是外圍控制電路以及驅(qū)動(dòng)脈沖輸入。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的作用就是要把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說(shuō)：驅(qū)動(dòng)器每接受一個(gè)脈沖信號(hào)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角，脈沖的頻率和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，脈沖個(gè)數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。這樣控制系統(tǒng)通過(guò)脈沖信號(hào)，可以達(dá)到電機(jī)調(diào)速和定位的目的。

　　2.2.9 脈沖信號(hào)

　　脈沖信號(hào)的電平方式是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)必須考慮的，對(duì)共陰接法的驅(qū)動(dòng)器要求為正脈沖方式：脈沖狀態(tài)為高電平、無(wú)脈沖時(shí)為低電平。通常脈沖信號(hào)要求按照正脈沖方式輸入，寬度不小于2us，有效電平5V以上，完全滿(mǎn)足快速進(jìn)給的要求。

　　2.2.10 DIR信號(hào)的作用

　　它是負(fù)責(zé)電機(jī)換向的控制信號(hào)，決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，DIR+為高電平時(shí)電機(jī)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，DIR一為高平時(shí)電機(jī)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這種稱(chēng)之為單脈沖方式，一定要在電機(jī)降速停止后再換向。因此DIR換向信號(hào)要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)CP脈沖結(jié)束后，下一個(gè)方向的第一個(gè)CP脈沖前發(fā)出。

　　2.2.11 上位機(jī)接口

　　數(shù)控車(chē)床的控制與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)了與上位機(jī)的連接接口，可與PC機(jī)通過(guò)并行端口相連接，并接受PC機(jī)的控制指令，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工的目的。在接口中設(shè)計(jì)了三條接收指令的控制線(xiàn)，以及二條輸出給上位PC機(jī)的數(shù)據(jù)線(xiàn)，分別與0378H和0379H并行端口相連接，實(shí)現(xiàn)雙工通信。通過(guò)PC機(jī)將處理好的加工信息，逐一傳給數(shù)控車(chē)床，完成預(yù)選設(shè)定的加工過(guò)程。這樣可以大大提高車(chē)床的加工能力，改善車(chē)削加工的工裝條件，適于大批量機(jī)械零件以及木器裝飾用品的加工。

 
圖4 系統(tǒng)電器

3 結(jié)束語(yǔ)

　　數(shù)控車(chē)床電器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，具有簡(jiǎn)單實(shí)用，電器系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，制造成本低廉等特點(diǎn)，最適合于小型車(chē)床及木工車(chē)床，也可以在普通車(chē)床上改裝進(jìn)給裝置，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)車(chē)削加工，節(jié)約了人力和物力。