设计资料

一．机床电气系统运动方案

机床电气系统是控制机床各部分的工作，协调完成机床加工任务的核心部分，它由大量继电器构成复杂的逻辑控制电路，通过接受由操作面板及机床各部分位置开关传来的信号经硬件逻辑运算，确定并控制机床的状态。机床的运动系统可分为：

（1）主轴驱动系统，对主轴的控制。

（2）进给系统，各个坐标轴的控制，包括各坐标轴伺服电机速度、位置控制。（3）刀具库（对于数控车床指电动刀架）、润滑系统、冷却系统、液压系统等辅助功能的控制。

数控车床电气控制系统如图1-1所示。

图1-1 数控机床电气控制系统

1、数控车床：CK6140数控车床

车床的主要技术规格：

床身上最大回转直径 400mm

横滑板上最大回转直径 160mm

最大加工长度800mm

刀架行程

横向行程 205mm

纵向行程 810mm

主轴孔通过最大棒料直径 60mm

主电机功率 27kw

主轴箱变速级数 2

级比 4.15

主轴转速（无级）Ⅰ级 7-800r/min

Ⅱ级800-3150r/min

最大进给速度 10m/min

刀架快速移动速度 10m/min

最大进给力

纵向 800N

横向 5000N

刀架

刀具数量 4

换刀时间 2.0

尾座套筒压紧力 90000N

尾座套筒直径85

尾座套筒行程 110

1. 机床主轴伺服系统的设计

1.1 概述

主轴驱动系统就是在系统中完成主运动的动力装置部分。它带动工件或刀具作相应的旋转运动，从而能配合进给运动，加工出理想的零件。

机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其他直线运动装置往复运动。数控机床通常通过主轴回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。随着刀具计数、生产技术、加工工艺的不断发展，传统的主轴驱动已经不能满足生产的需要，现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求：

1.调速范围宽

为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量，特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和材料的加工要求，对主轴的调速范围提出了更高的要求，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节。

2.恒功率范围要宽

要求主轴在调速范围内均能提供所需的切削功率，并尽可能在调速范围内提供主轴电机的最大功率。由于主轴电机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分段无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。

3.具有四象限驱动能力

要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。目前一般伺服主轴可以在1S内从静止加速到6000r/min。

4.具有位置控制能力

即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。

1.1.1 主轴驱动变速的三种形式

1.主轴电动机齿轮换档，

目的在于降低主轴转速，增大传动比，放大主轴功率以适应切削的需要；

2.主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴，

该类主轴电动机又称宽域电机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。由于无需机械变速，主轴箱内省却了齿轮和离合器，主轴箱实际上成了主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传动链的可靠性。

3.电主轴

1.1.2调速的主要指标

1、调速范围：

2、调速的平滑性： 一般的变频调速系统应该小于或等于0.3r/min

1.2 交流主轴驱动装置的特性

早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统，为使主轴电动机能输出较大的功率，所以一般采用它激式的直流电动机。为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或热冷管冷却技术。20世纪80年代后，微电子技术、交流调速计数、现代控制理论等有了很大发展，同时新型大功率半导体器件如大功率晶体管GTR 、绝缘栅双极晶体管IGBT 以及IPM 智能模块不断成熟并应用与交流驱动系统，并可实现高转速和大功率主轴驱动，其性能已达到和超过直流驱动系统的水平。交流电动机体积小、重量轻，采用全封闭罩壳，防灰尘和防污染性能好，因此，现代数控机床90%都采用交流主轴驱动系统。

主轴驱动系统包括主轴驱动器和主轴电动机。数控机床主轴的无级调速则是由主轴驱动器完成。主轴驱动系统分为直流驱动系统和交流驱动系统，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴驱动系统即交流主轴电动机配备变频器或主轴伺服驱动器。

2.伺服驱动进给系统设计

2.1 概述

伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控机床精度、稳定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。

机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。对于数控机床伺服控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环两种位置控制方式。位置控制系统是由伺服驱动器中的位置控制模块、速度控制模块、位置检测及反馈控制等各部分组成。开环位置控制不需要位置检测及反馈，闭环位置控制需要位置检测及反馈。位置控制反馈能够精确地控制机床运动部件的运动，快速而准确地跟踪指令运动。

根据其位置检测信号所取的位置不同，它又分为半闭环与全闭环两种。所谓半闭环控制系统即采取的反馈检测元件是与伺服电机同轴连接地旋转编码器，其直接与伺服电机转子后部相连接，与伺服电机构成一体。因为编码器不能直接反映机床各个进给轴的实际位置，而是反映电机的旋转速度和圈数。此种控制方式的机床其机械运动部分（如传动丝杠和工作台）的机械误差没有因反馈而获得改善。但是对于这些机械误差，可以在CNC 系统中通过反向间隙补偿和螺距误差Min

N max/a =1

+-==∑i i n N N