1 引言

　　車床作為機械制造業(yè)的重要基礎裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關注。由于計算機技術的興起，促使車床的控制理論發(fā)生了質的突破，應用數(shù)字技術進行柔性自動化控制的新一代車床數(shù)控車床的誕生和發(fā)展，實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化。數(shù)控車床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能，成為機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河。

　　目前數(shù)控車床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控車床最近幾年產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進步，特別是在車床的高速化、多軸化、復合化、精密化方面進步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控車床與先進國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設的需要。我國是一個車床大國，有三百多萬臺普通車床，經(jīng)濟資源有限，因此不可能拿出相當大的資金去購買新型的數(shù)控車床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高車床的自動化程度。這樣才符合我國的國情。

　　數(shù)控車床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)車床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，車床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具設計有機地結合在一起，具有典型性和實用性的特點。將預先編排的加工信息代碼記錄在計算機中，經(jīng)過處理，轉換為控制指令，發(fā)送給數(shù)控車床，完成零件的自動加工過程。

　　數(shù)控車床與普通車床相比，其主要有以下的優(yōu)點：

　　(1) 適應性強一適合加工批量的復雜工件，針對不同的加工零件，編制相應的加工程序，實現(xiàn)零件自動加工。

　　(2) 加工精度高一進給系統(tǒng)中采用的滾珠絲桿、滾動導軌等先進技術，具有間隙小、運動精度高、50種以上的進給速度的特點，適合加工表面粗糙度較高的機械零件。

　　(3) 生產(chǎn)效率高一數(shù)控車床是自動化程度較高的車床，整個加工過程無需認為參與，，節(jié)省了工裝時間，減輕勞動強度，改善勞動條件，具有良好的經(jīng)濟效益，有利于現(xiàn)代化生產(chǎn)管理。

2 數(shù)控車床的電器設計

　　2.1 數(shù)控車床的電器組成部分

　　數(shù)控車床的電器設計主要包括：車床主軸變頻調速、車床進給速度脈沖分頻、快速進給電路、車床限位器、數(shù)顯坐標、步進電機的選配及驅動、上位機接口等部分組成，見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)圖

　　2.2 數(shù)控車床的電器設計

　　2.2.1 車床主軸變頻調速

　　車床主軸旋轉帶動工件，配合刀具進給運動，完成對零件加工。其主軸的轉速、回轉精度，對工件的加工質量及效率起著決定性作用。普通車床的主軸傳動方法是利用交流三相異步電機，配合皮帶傳動、齒輪變速箱完成調速。以CA6140普通車床為例，主軸的轉速分為24級，以適應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)控車床屬于加工能力極強的設備，要求主軸轉速在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調，因此采用交流變頻調速技術，可實現(xiàn)車床主軸無級調速。它與傳統(tǒng)的齒輪變速箱相比，優(yōu)點是傳動鏈較短、回轉精度及機械效率高、工作平穩(wěn)噪音低、速度連續(xù)可調。制造成本低等。缺點是低速擋位扭距受到一定的限制，感覺動力不足。

　　三相異步電機的速度計算公式如下：

　　其中。f-供電頻率、p-錠子極對數(shù)、s-轉差率。根據(jù)切削抗力計算，主軸選擇YVP80M變頻電機，功率750W，轉速1400r/min。變頻器型號為VFD007M21A的0.75kW臺達通用型變頻器。從公式中可以推斷出，電機的轉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定在100Hz—100Hz之間，其轉速調整范圍在280—2800r/min之間連續(xù)可調。電機在5-50Hz之間為恒轉矩運行區(qū)，50-100Hz之間為恒功率運行區(qū)。設定變頻器工作頻率的上、下限，利用線性10K電位器，調整電機速度，也可在變頻器的外接控制端口上輸入4—20mA電流，使用操作器控制車床主軸電機的轉速。

　　2.2.2 車床進給調速電路

　　車床進給運動分為橫向進給和縱向進給兩種，它帶動刀具做相應的運動，完成各類零件的加工。普通車床設置光桿和絲桿進給裝置，光桿做普通進給用，絲桿做加工螺紋用，為了能保證嚴格的進給傳動比，主軸旋轉一個角度，進給要準確地運動到對應的位置，因此加工螺紋時必須使用絲桿做進給。

　　在數(shù)控車床上，為了有效地控制進給，通常使用步進電機帶動滾珠絲桿，使運動處于無間隙狀態(tài)下，傳遞進給運動，既可以實現(xiàn)普通進給，又可以加工螺紋，這樣就要求對驅動進給的步進電機，具有相應配套的變速驅動功能。為了使車床的主軸運動與進給裝置，在加工過程中保持運動系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系，通常情況下在主軸上設置一個隨主軸同步旋轉的光電脈沖發(fā)生盤，作為進給步進電機的基頻，然后利用電子分頻方法，對基頻做進一步的細分。

　　主軸光電脈沖發(fā)生盤每轉發(fā)送脈沖數(shù)量的計算方法。已知進給絲桿螺距8mm，進給量0.02-1mm/r，進給電機為二相步進電機，驅動方式800步／轉(步距角為45度)。即主軸每轉產(chǎn)生100個脈沖，以滿足最大進給量。

　　最小進給量僅為最大進給量的2％，將基頻做1/50分頻處理，即主軸每轉產(chǎn)生2個脈沖，因此脈沖的變換范圍2-100／轉之間成等差數(shù)列，等差值為2，共分為50頻率等級，可提供50種進給速度。

　　電路設計采用十進制計數(shù)器CD4017芯片，對基頻進行逐次分頻，它具有十個譯碼輸出端，譯碼輸出一般為低電平，只有在對應時鐘周期內(nèi)保持高電平，每10個時鐘輸入周期C0信號完成一次進位，并用做多級計數(shù)鏈的下一級脈沖時鐘。它有CP時鐘輸入端、CO進位脈沖輸出端、INH禁止端、Q0-Q9計數(shù)脈沖輸出端。

　　圖2中共有100個輸出端，取奇數(shù)輸出端，利用50檔波段開關作為脈沖分頻輸出，輸入給步進電機驅動器，實現(xiàn)車床進給速度線性調速。

圖2 進給脈沖分頻器

2.2.3 快速進給

　　為了解決加工過程中刀具的快速移動，節(jié)省工裝時間，通常設置快速進給裝置，為點動按扭手動操作，其控制指令與進給限位裝置做邏輯與運算。已知快速進給速度為100mm/s，進給絲桿螺距8mm，步進電機驅動方式800步/轉，則可以計算出由于快速進給運動與主軸運動之間，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發(fā)生器，利用NE555芯片組成典型的脈沖信號發(fā)生電路(見圖3)，產(chǎn)生10KHz的頻率，具有電路簡單，無需要調試，頻率相對比較穩(wěn)定，成本低廉，波形符合步進電機驅動器的要求，驅動步進電機實現(xiàn)快速進給。

 
圖3 快速進給脈沖發(fā)生器

　　2.2.4 車床限位器

　　作用是保證進給裝置在規(guī)定的范圍內(nèi)做往復運動。當?shù)竭_極限位置時發(fā)出信號控制步進電機，及時停止。限位器使用觸點式小型微動開關，分別安裝在直線軌道的兩個極限端，電路設計中，將二個極限開關做邏輯與運算，當?shù)竭_極限位置時，限位開關輸出低電平，致使邏輯運算值為0，步進電機停止運動，實現(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，它對車床的精度要求較高，其中重要的指標是螺距。普通車床是主軸按照一定的傳動比帶動絲桿，配合開合螺母，使刀具隨主軸轉動做直線運動而形成螺紋。由于加工螺紋過程中，車床主軸轉動與刀具進給，以及加工起始位置有著嚴格的內(nèi)在聯(lián)系。因此在車床主軸上不但要設置進給脈沖信號發(fā)生盤，而且還要設置加工起始位置索引孔，嚴格定義螺紋的加工位置。

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

　　為了滿足加工螺距及精度要求，對螺紋進給脈沖不使用電子分頻器，而是在車床主軸脈沖發(fā)生盤上，直接打出由9個同心圓構成的環(huán)狀光柵孔，最外圈500個孔光柵，以此類推到最里圈100個孔光柵，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，通過波段開關選擇加工螺紋的螺距。
 

　　在車床主軸脈沖發(fā)生盤上，設置一個獨立的脈沖發(fā)生孔，作為加工螺紋起始位置定位索引孔，只有當索引孔轉過規(guī)定位置時，才開始加工螺紋，將索引孔、車床主軸盤脈沖信號、限位器開關信號做邏輯與運算，使用與非門電路，將其運算結果作為步進電機驅動控制信號。

　　2.2.6 數(shù)顯坐標

　　在許多自動或半自動車床中使用數(shù)顯坐標，為測量和控制工件尺寸提供了方便條件。由于數(shù)控車床的進給系統(tǒng)是由步進電機驅動的，因此可直接讀取步進電機的驅動脈沖數(shù)，做加減法運算，顯示當前坐標。選用的步進電機步長為800步/轉，進給絲桿螺距8盯吼，則0.01mm/步，加減法計數(shù)器，每一個計數(shù)單位(分辨率)也就是0.01mm。車床啟動后自檢回原點，即坐標(0，0)點，橫向至左端限位器位置，縱向至車床主軸軸心線端限位器位置，此時計數(shù)器清零，此后計數(shù)器隨橫向、縱向步進電機的運動，顯示當前坐標值。使用快進進給回原點，重新修正顯示坐標，也可人為使計數(shù)器清零的方法，定義坐標零點作為工件加工的起始位置。

　　2.2.7 步進電機選配

　　步進電機是一種將脈沖信號轉化為角位移的執(zhí)行裝置，當步進驅動器接收到脈沖信號時，由步進電機驅動器，按設定方向轉動固定的步距角，旋轉是以固定角度運行的，因此通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制步進電機轉動速度和加速度，實現(xiàn)調速的目的，不會產(chǎn)生轉角的積累誤差，具有旋轉精度高，定位準確等優(yōu)點，可省去普通車床龐大而復雜的進給變速箱，擴大了車床進給傳動速比的范圍。

　　按照數(shù)控車床進給方式的要求，選擇步進電機作為動力源，根據(jù)車削過程中走刀抗力計算，橫向進給和縱向進給分別選用二相混合式86BYG250BN和57BYG250C型號的步進電機。

　　2.2.8 步進電機驅動

　　根據(jù)步進電機的型號和驅動電流，選用4A和2.4A以上與之匹配的驅動器，考慮到旋轉精度和傳動比的要求，設置步距角為45度，即800步/轉的驅動方式。工作電壓為DC36V。除了對驅動器作必要的設置外，更重要的是外圍控制電路以及驅動脈沖輸入。步進電機驅動器的作用就是要把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，轉化為步進電機的角位移，或者說：驅動器每接受一個脈沖信號，就驅動步進電機旋轉一步距角，脈沖的頻率和步進電機的轉速成正比，脈沖個數(shù)決定了步進電機旋轉的角度。這樣控制系統(tǒng)通過脈沖信號，可以達到電機調速和定位的目的。

　　2.2.9 脈沖信號

　　脈沖信號的電平方式是設計控制系統(tǒng)時必須考慮的，對共陰接法的驅動器要求為正脈沖方式：脈沖狀態(tài)為高電平、無脈沖時為低電平。通常脈沖信號要求按照正脈沖方式輸入，寬度不小于2us，有效電平5V以上，完全滿足快速進給的要求。

　　2.2.10 DIR信號的作用

　　它是負責電機換向的控制信號，決定電機的旋轉方向，DIR+為高電平時電機為順時針旋轉，DIR一為高平時電機為逆時針旋轉，這種稱之為單脈沖方式，一定要在電機降速停止后再換向。因此DIR換向信號要在前一個方向的最后一個CP脈沖結束后，下一個方向的第一個CP脈沖前發(fā)出。

　　2.2.11 上位機接口

　　數(shù)控車床的控制與驅動電路設計了與上位機的連接接口，可與PC機通過并行端口相連接，并接受PC機的控制指令，以實現(xiàn)自動化加工的目的。在接口中設計了三條接收指令的控制線，以及二條輸出給上位PC機的數(shù)據(jù)線，分別與0378H和0379H并行端口相連接，實現(xiàn)雙工通信。通過PC機將處理好的加工信息，逐一傳給數(shù)控車床，完成預選設定的加工過程。這樣可以大大提高車床的加工能力，改善車削加工的工裝條件，適于大批量機械零件以及木器裝飾用品的加工。

 
圖4 系統(tǒng)電器

3 結束語

　　數(shù)控車床電器系統(tǒng)的設計方案，具有簡單實用，電器系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，制造成本低廉等特點，最適合于小型車床及木工車床，也可以在普通車床上改裝進給裝置，實現(xiàn)半自動車削加工，節(jié)約了人力和物力。