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

2.2.3 快速进给

　　为了解决加工过程中刀具的快速移动，节省工装时间，通常设置快速进给装置，为点动按扭手动操作，其控制指令与进给限位装置做逻辑与运算。已知快速进给速度为100mm/s，进给丝杆螺距8mm，步进电机驱动方式800步/转，则可以计算出由于快速进给运动与主轴运动之间，不需要保持一定的内在联系，所以可以直接使用脉冲信号发生器，利用NE555芯片组成典型的脉冲信号发生电路(见图3)，产生10KHz的频率，具有电路简单，无需要调试，频率相对比较稳定，成本低廉，波形符合步进电机驱动器的要求，驱动步进电机实现快速进给。

 
图3 快速进给脉冲发生器

　　2.2.4 车床限位器

　　作用是保证进给装置在规定的范围内做往复运动。当到达极限位置时发出信号控制步进电机，及时停止。限位器使用触点式小型微动开关，分别安装在直线轨道的两个极限端，电路设计中，将二个极限开关做逻辑与运算，当到达极限位置时，限位开关输出低电平，致使逻辑运算值为0，步进电机停止运动，实现限位目的。

　　2.2.5 螺纹加工

　　螺纹在零件加工中经常遇到，它对车床的精度要求较高，其中重要的指标是螺距。普通车床是主轴按照一定的传动比带动丝杆，配合开合螺母，使刀具随主轴转动做直线运动而形成螺纹。由于加工螺纹过程中，车床主轴转动与刀具进给，以及加工起始位置有着严格的内在联系。因此在车床主轴上不但要设置进给脉冲信号发生盘，而且还要设置加工起始位置索引孔，严格定义螺纹的加工位置。

　　已知车床加工公制螺纹，螺距范围1mm-5mm之间(9种规格)，车床进给丝杆螺距8mm，可计算出主轴每转脉冲数。

　　为了满足加工螺距及精度要求，对螺纹进给脉冲不使用电子分频器，而是在车床主轴脉冲发生盘上，直接打出由9个同心圆构成的环状光栅孔，最外圈500个孔光栅，以此类推到最里圈100个孔光栅，使用光电耦接收光栅孔产生的脉冲，分别将接收的脉冲信号，通过波段开关选择加工螺纹的螺距。
 

　　在车床主轴脉冲发生盘上，设置一个独立的脉冲发生孔，作为加工螺纹起始位置定位索引孔，只有当索引孔转过规定位置时，才开始加工螺纹，将索引孔、车床主轴盘脉冲信号、限位器开关信号做逻辑与运算，使用与非门电路，将其运算结果作为步进电机驱动控制信号。

　　2.2.6 数显坐标

　　在许多自动或半自动车床中使用数显坐标，为测量和控制工件尺寸提供了方便条件。由于数控车床的进给系统是由步进电机驱动的，因此可直接读取步进电机的驱动脉冲数，做加减法运算，显示当前坐标。选用的步进电机步长为800步/转，进给丝杆螺距8盯吼，则0.01mm/步，加减法计数器，每一个计数单位(分辨率)也就是0.01mm。车床启动后自检回原点，即坐标(0，0)点，横向至左端限位器位置，纵向至车床主轴轴心线端限位器位置，此时计数器清零，此后计数器随横向、纵向步进电机的运动，显示当前坐标值。使用快进进给回原点，重新修正显示坐标，也可人为使计数器清零的方法，定义坐标零点作为工件加工的起始位置。

　　2.2.7 步进电机选配

　　步进电机是一种将脉冲信号转化为角位移的执行装置，当步进驱动器接收到脉冲信号时，由步进电机驱动器，按设定方向转动固定的步距角，旋转是以固定角度运行的，因此通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制步进电机转动速度和加速度，实现调速的目的，不会产生转角的积累误差，具有旋转精度高，定位准确等优点，可省去普通车床庞大而复杂的进给变速箱，扩大了车床进给传动速比的范围。

　　按照数控车床进给方式的要求，选择步进电机作为动力源，根据车削过程中走刀抗力计算，横向进给和纵向进给分别选用二相混合式86BYG250BN和57BYG250C型号的步进电机。

　　2.2.8 步进电机驱动

　　根据步进电机的型号和驱动电流，选用4A和2.4A以上与之匹配的驱动器，考虑到旋转精度和传动比的要求，设置步距角为45度，即800步/转的驱动方式。工作电压为DC36V。除了对驱动器作必要的设置外，更重要的是外围控制电路以及驱动脉冲输入。步进电机驱动器的作用就是要把控制系统发出的脉冲信号，转化为步进电机的角位移，或者说：驱动器每接受一个脉冲信号，就驱动步进电机旋转一步距角，脉冲的频率和步进电机的转速成正比，脉冲个数决定了步进电机旋转的角度。这样控制系统通过脉冲信号，可以达到电机调速和定位的目的。

　　2.2.9 脉冲信号

　　脉冲信号的电平方式是设计控制系统时必须考虑的，对共阴接法的驱动器要求为正脉冲方式：脉冲状态为高电平、无脉冲时为低电平。通常脉冲信号要求按照正脉冲方式输入，宽度不小于2us，有效电平5V以上，完全满足快速进给的要求。

　　2.2.10 DIR信号的作用

　　它是负责电机换向的控制信号，决定电机的旋转方向，DIR+为高电平时电机为顺时针旋转，DIR一为高平时电机为逆时针旋转，这种称之为单脉冲方式，一定要在电机降速停止后再换向。因此DIR换向信号要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后，下一个方向的第一个CP脉冲前发出。

　　2.2.11 上位机接口

　　数控车床的控制与驱动电路设计了与上位机的连接接口，可与PC机通过并行端口相连接，并接受PC机的控制指令，以实现自动化加工的目的。在接口中设计了三条接收指令的控制线，以及二条输出给上位PC机的数据线，分别与0378H和0379H并行端口相连接，实现双工通信。通过PC机将处理好的加工信息，逐一传给数控车床，完成预选设定的加工过程。这样可以大大提高车床的加工能力，改善车削加工的工装条件，适于大批量机械零件以及木器装饰用品的加工。

 
图4 系统电器

3 结束语

　　数控车床电器系统的设计方案，具有简单实用，电器系统工作稳定可靠，制造成本低廉等特点，最适合于小型车床及木工车床，也可以在普通车床上改装进给装置，实现半自动车削加工，节约了人力和物力。