0 引言

　　随着制造业加工精度和效率要求的提高，对高速高精数控车床的需求也在日益扩大。目前，国内高速高精数控车床的关键配套件仍然依靠进口，特别是数控系统，其不仅占整机价格的比重最大，且在机床的电气控制系统中起着重要的作用。因此，性价比好的数控系统对降低高速高精数控车床整机的价格和提高整机的性价比尤为关键。本文以GSCK200A数控车床为例，介绍开发过程中数控系统选型和电气控制设计的要点，并对主要控制电路的设计思路作具体说明。

1 数控车床功能及控制要求分析

　　GSCK200A高速高精数控车床功能广泛，可以加工圆柱、圆锥、圆弧和各种螺纹、槽、蜗杆等复杂且精度高的工件。要达到高速高精加工，要求主轴转速和定位、X／z轴插补运动、刀具的换刀、卡盘夹紧和松夹、尾架进退等指标都要快和准，这些指标都和机床的控制系统有关。GsCK200A高速高精数控车床采用了便于排屑的倾斜45。硬导轨结构，该机床共由12大部分组成，其中包括液压系统和电气系统两大控制系统，该机床的结构组成图如图1所示。本文主要针对机床控制系统中的电气系统进行设计。

2 数控系统选型

　　实现上述控制要求，CNC数控系统是本车床控制系统设计的核心，有必要采用进口全功能CNC数控系统。我国大多数：果用的进口数控系统有德国西门子、日本FAUNC和三菱系统。FAUNC 0i Mate、西门子802D和三菱E60S是中档数控机床中比较经济性的数控系统，其中，FAuNC 0i Mate可控轴数为8，西门子802D可控轴数为5，三菱E60s可控轴数为5；三种数控系统的加工精度都可以达到微米级。且GSCK200A机床所要控制的轴数为3，两个进给轴和一个主轴，加工精度需达到微米级，因而，上述三种数控系统均可以满足该数控车床的功能、加工精度要求。FAUNC 0i Mate系统及其相应的电机总成和西门子802D系统及其相应的电机总成的价格都在8万元左右，而三菱E60s系统及其相应电机总成的价格在6万元左右，综合考虑GSCK200A高速高精数控车床性价比要求，本设计选用三菱E60S数控系统。E60S内含64位CPu，采用控制器与显示器一体化、X／Z轴伺服驱动器一体化的超小型设计，配置薄型伺服电机和高分辨率绝对编码器，内置简体／繁体中文和日文／英文标准4种操作界面，通过参数设置来控制车床或铣床，是车铣两用的高性能数控系统。

3 控制系统设计

　　3.1 控制方案和系统连接原理

　　根据GSCK200A高速高精数控车床的功能等要求，确定其电气控制方案如图2所示，把控制系统按控制原理分为主轴伺服驱动、x轴伺服驱动、z轴伺服驱动和开关量控制四大模块。机床夹紧系统、刀塔选刀、尾架进退和普通电机启停等程序动作，用E60S数控系统内置PLC的开关量和逻辑控制功能来控制；刀具的插补运动，通过x、z两伺服轴组成十字刀架来完成控制。由于车床采用45。斜床身，即x轴倾斜45。，为避免刀架在该方向因自重下滑而失去位置信号和失却高精度定位性能，专门为x轴电机选配了制动器装置。主轴旋转运动是主轴电机以l：1．4减速比通过多楔带带动主轴实现的。因皮带和带轮之问的滑移无法保证它们之间具有的精确传动比，为实现主轴准停和螺纹加工性能，设置了一个同期编码器，由主轴通过同步带以1：1的传动比带动。同期编码器并无负载，不会使同步带传动产生滑移，因而同期编码器能实时检测主轴旋转时的准确转角和转速。

其中，X／Z两轴采用二合一双轴伺服驱动单元，控制信号通过基本I／O与CNc单元相连，而主轴驱动单元的控制信号则从X／Z两轴伺服驱动单元的CN1B串接引出。

　　3.2 主轴伺服控制设计

　　主轴在高速旋转过程中，伴有加、减速时间长、主轴不平稳和易振动的特点，解决不好则直接影响加工的精度、表面质量和效率，有悖于高速高精的初衷。本设计选用MDS—B—SPJ2主轴驱动器，它采用高速集成LSI、高速DSP和IG—BT芯片使设备小型化，采用高速DsP改善响应速度使机床切削加工的精度得以提高，采用高速旋转直接定位的高速定位方式使主轴动作流畅且定位时间极短，而主轴参数又可在CNC的LCD显示屏上设置，使参数试验和优化可见有易于操作。

　　机械式主轴静态精度和综合动平衡达到要求后，主轴高速旋转产生振动、不平稳和噪声的原因多半源于主轴驱动电机。本设计通过在E60基础上增加主轴HR753选卡和选用sJ—PFl l_0l z主轴电机的方式，使主轴电机能稳定地达到8000rpm的额定转速。按设计的1：1．4减速比实现主轴5000rpm的最高速度，电机实际转速为7000rpm，低于其额定转速1000rpm，因此，不易出现振动、不平稳和噪声等不良工况，有利于保证主轴高速旋转的平稳性和精度，从主轴这方面确保了高速高精数控车床所要求的性能。

　因为所选主轴电机功率为11 kw，在驱动器内标准装备有回生电阻电路，主轴高速定位或急停时通过其耗散主轴系统巨大惯性能量。回生电阻接在C、P之间，回生电阻要通过计算主轴系统停止(定位)时的回生能量来选型。不能根据经验选择，以免造成伺服放大器的IPM烧坏。经过计算，选用了R—UNIT4回生电阻，有效地实现了主轴高速定位和急停的功能。

　　3.3 主轴伺服控制设计

　　高精数控车床的尺寸精度取决于机械传动系统的精度和进给伺服驱动控制系统的运动控制精度和性能。

　    选用高增益电流控制的新型进给轴伺服驱动器MDS-R—V2-6060，是三菱目前电阻回生类的主流伺服驱动器，回生电阻接在C、P之间，根据计算，其所选型号在图中已标出。MDS-R型驱动器采用高响应电流控制以提高加工精度，采用平滑高增益SHG控制以抑制机床振动，采用外部散热设计来降低内部温升以提高运行稳定性，配置HF系列小惯量、高速、高精新型伺服电机，具有速度更高、精度更高、环境适应更好和更小型化的特点，特别适合在高速高精数控车床中应用。

　　对于倾斜了45°的x轴来说，其伺服电机，M7停止定位的精度还与其制动器的制动响应时间相关。制动器电磁铁可以通过数控系统内置PLC进行控制，但本设计直接使用了MDS-R-V2-6060上的MBR制动器控制口嘲，有：效地缩_短篇了制动的响应时间。

　　3.4 强电控制和PLC控制设计

　　强电控制电路与高速和高精性能也不无关系。设计了浪涌抑制器一z11、-z12和-z13，有效地防止了雷击浪涌损坏控制电源或通过控制电源损坏数控系统内部电路。PLC控制通过优化逻辑关系、缩短程序扫描时间等来体现高速高精性能，在设计中也是不可忽视的，应引起注意。

4 应用结果

　　GSCK200A高速高精数控车床主要体现了主轴转速高和加工精度高两大特点。在国内同等价位的数控车床中，机械主轴的最高主轴转速4000rpm的居多，比GsCK200A数控车床的最高主轴转速低1000rpm左右，且加工精度也比GScK200A车床的加工精度低。因此，GSCK200A高速高精数控车床在加工效率和经济效率两方面都有所优势。

5 结束语

　　E60S系统在较FAUNC 0i Mate和西门子802D廉价的条件下，也可使该机床达到所需的高速高精加工要求，从而提高了机床的性价比。该车床投入使用一年多，E60S系统的各项操作正常，运行稳定，表明选用E60S系统可以满足GSCK200A车床高速高精的设计要求。