对CA6150车床控制系统的数控化改造设计

付　刚（抚顺市技师学院，辽宁　抚顺　113123）

对CA6150车床控制系统的数控化改造设计

付刚
（抚顺市技师学院，辽宁抚顺113123）

摘要：为实现CA6150普通车床数控化，对机床的控制系统进行了设计、改造，改造后的普通车床能够满足具有准确定位、直线插补、圆弧插补、暂停等数控功能的要求。

关键词：CA6150车床；控制系统；改造设计

1　引言

对CA6150车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改造为用数控装置控制的、能独立运动的进给伺服系统，保证改造后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等控制功能。伺服系统又叫伺服机构，它是一种反馈控制系统，它的受控变量是机械运动或者位置。在数控机床的控制系统中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与整形后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等运动，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种机械运动，完成复杂形状零件的加工。

2　改造的内容

2.1伺服驱动元件种类的选择

永磁式交流伺服电动机结构简单、运行可靠、效率较高。在结构上采取改进措施后，可使其外形尺寸比直流电动机减小1/2左右、重量减轻60%、转子惯量减到直流电动机的1/5。与异步电动机相比，由于采用永磁铁励磁消除了励磁损耗及相关的杂散损耗，因而效率提高，而且无换向器、电刷等，其机械可靠性与感应电动机相同而功率因数大大提高，所以永磁同步电动机的体积比异步电动机小些，在数控机床进给驱动中多采用永磁式同步交流伺服电动机作为伺服系统的驱动装置。

2.2伺服驱动元件的选择计算

2.2.1负载转动惯量的估算

折算的电动机轴上的转动惯量可按下式估算

式中：

JL—折算到电动机轴上的转动惯量（kg·cm2）；

J1—齿轮1的转动惯量（kg·cm2）；

J2—齿轮2的转动惯量（kg·cm2）；

J3—丝杠的转动惯量（kg·cm2）；

mj—各直线运动件的质量（kg）；

vj—各直线运动件的速度（m/min）；

nm—电动机的转动速度（r/min）；

JM—电动机的转动惯量（kg·cm2）；

J—传动系统的转动惯量（kg·cm2）；

J=JL+JM（2）

对于材料为钢的圆柱体可近似计算如下：

J=7.8×D4×L×10-4（kg·cm2）（3）

式中：

D—零件的直径（cm）；

L—零件的轴向长度（cm）；

则：

J1=7.8×4.84×1×10-4=0.414（kg·cm2）

J2=7.8×64×1×10-4=1.01（kg·cm2）

J3=7.8×44×150×10-4=29.95（kg·cm2）

工作台折算到电动机轴上的转动惯量（4）

式中：

J4—工作台折算到电动机轴上的转动惯量；

v—工作台运动速度；

ω—电动机的角速度；

w—工作台重量（N）；

B—丝杠螺距（mm）；

i—传动比。

J4=0.1863×10-4kg·cm2

JL=0.8341×10-3kg·cm2

初选JM=1.0×10-3kg·cm2

得J=1.8341×10-3kg·cm2。

2.2.2作用在滚珠丝杠副上的各种转矩计算

外加载荷产生的摩擦力矩TF（N·m）

滚珠丝杠副预加载荷FP产生的预紧力矩TP

式中：

L0—滚珠丝杠螺距；

η—未预紧的滚珠丝杠副效率。

1、2、3级精度的丝杠取0.9；4级以下取0.85；

F—作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷，不同情况取值不同。在计算电动机启动时是导轨摩擦力；若计算电动机工作转矩时，包括导轨摩擦力和工作转矩；

最大加速转矩Tam

当电动机从静止升速到nmax时：

式中：

nmax—电动机最高转速（r/min）；

ta—加速时间约为3至4倍tm；

tm—电动机时间常数。

电动机最大启动转矩Tr（N·m）

TR=Tam+（TF+TP）i（8）式中：

i—传动比；

将各参数代入得：

TF=0.14（N·m）

TR=Tam+（TF+TP）i=10.24+ （0.14+0.17）×2=10.86（N·m）

电动机连续工作的最大转矩TM

TM=（TF+TP）i=（1.31+0.17）×2=2.96（N·m）

查阅武汉华大新型电机科技有限公司提供的交流永磁同步伺服电机ST系列产品样本，选择110ST-M06020LFB电机作为改造后的CA6150车床的伺服驱动元

中图分类号：TG511

文献标识码：A