普通开榫机的数控技术改造
2017-06-19罗海峰
罗海峰
(顺德职业技术学院，广东 顺德 528300)
设备改造
普通开榫机的数控技术改造
罗海峰
(顺德职业技术学院，广东 顺德 528300)
为适应现代市场经济快速多变的需求，将普通开榫机改造成数控开榫机。该机采用新方达数控系统、伺服系统，以及变频调速等技术，设计了数控机床电器电路。生产运行结果表明，改造后机床加工出来的产品精度更高，而且具有操作安全、方便、高效等特点。
木工开榫机；新方达数控系统；伺服系统；变频器；技术改造
1 数控开榫机概述
数控开榫机采用X、Y二轴伺服控制、半闭环立式数控方式，机床主轴由变频电机驱动实现无级变速，导轨为直线滚动导轨，结构紧凑合理，能够实现快速加工回转[1]。
1.1 数控开榫机基本参数
改造后数控机床基本参数见表1。
表1 改造后数控机床基本参数
1.2 数控开榫机结构组成
数控开榫机结构组成如图1所示，X轴移动架和X轴伺服电机组成X轴进给机构；Y轴移动架和Y轴伺服电机组成Y轴进给机构[2]。
图1 数控开榫机结构组成1.床身；2.工作台；3.工件；4.气动压头；5.主轴刀具；6.X/Y轴进给机构；7.主轴系统；8.皮带传动：9.主轴电机；10.X轴移动架；11.Y轴移动架；12.X轴伺服电机；13.Y轴伺服电机
1.3 数控开榫机组成
改造后开榫机数控组成如图2所示。
图2 数控开榫机数控组成
1.3.1 数控系统
采用了南京新方达CNC-39T数控系统。为方便操作，输入和显示部分悬挂在机床前部，电气柜在机床的后部与机床整体连接在一起。操作界面如图3所示。
1.3.2 伺服单元
伺服单元包括2个进给轴，它们位于设备侧边的电器柜内。
图3 操作界面
1.3.3 伺服电机和主轴电机
进给电机采用Star系列交流伺服电机，主轴电机采用变频调速电机。
1.3.4 主轴
电机经同步皮带将动力传递至主轴。
1.3.5 工作台
X、Y向运动装置和立柱固定于同一底座，机床的精度保持性得到提高，工作台的X、Y向移动方式均为精密螺旋丝杆和直线滚动导轨。
2 数控电气控制电路设计
2.1 数控主电路设计
数控主电路图如4所示。QF为机床电源开关，QF2/QF3为变频断路器。本电路采用了过电压抑制器设计，将工作电压抑制在交流接触器的额定工作电压范围内，这样能减少不稳定电压对交流接触器的干扰，确保其正常工作。
2.2 PMC输入电路设计
数控机床的通用PMC输入电路图如图5所示。XS10、XS11为输入开关量接口；SQX-1、SQX-3分别为X轴的正、负限位开关常开触点；SQY-1、SQY-3分别为Y轴的正、负限位开关的常开触点；SQX-2、SQY-2分别为X、Y轴回零限位开关的常开触点，Z轴方向没有设定。
2.3 PMC输出电路设计
数控机床的通用PMC输出电路图如图6所示。KA1～KA7为中间继电器；XS20为输出开关量接口；SQX-1、SQX-3分别为X轴的正、负限位开关常闭触点；SQY-1、SQY-3分别为Y轴的正、负限位开关常闭触点。
图4 主电路电气原理图
图5 PMC输入电路图
图6 PMC输出电路图
2.4 伺服系统电路设计
2.4.1 技术设计要求
(1)R、S、T、PE、U、V、W端子截面积大于1.5 mm2(AWG14-16)，r、t端子截面积大于0.75 mm2(AWG18)。
(2)驱动器U、V、W的接线端子必须与电机端子U、V、W一一对应，不能采用调换三相端子的方法使电机反转，这一点与异步电动机不同。
(3)由于高频开关电流通过伺服电机，因此泄漏的电流相对较大，电机接地端子必须与伺服驱动器接地端子连接在一起并良好接地。
(4)伺服驱动器内有大容量的电解电容，即使切断了电源内部电路中仍存在高电压，因此电源被切断后最少需要等待5 min方能接触驱动器的其他电机。
(5)为了防止干扰引起误动作，伺服驱动器和上位控制器已与噪声滤波器尽量靠近安装，继电器、电磁接触、制动器等线圈中已安装浪涌抑制器。
2.4.2 接线电路基本情况
伺服驱动单元将电源模块和驱动模块集成为一体，具有结构小巧、造型美观、使用方便、可靠性高等特点。
(1)通过电磁接触器将电源接入主电路电源输入端子。
(2)控制电路电源r、t 与主电路电源同时或先于主电路电源接通，如果仅接通了控制电路电源，伺服准备好信号(SRDY)OFF。
(3)主电路电源接通后，约延时1.5 s伺服准备好信号(SRDY)ON，此时可以接受伺服使能(SON)信号，检测到伺服使能有效，基极电路开启，电机激励，处于运行状态。
(4)编码器信号接插件CN2与伺服电机连接。
2.4.3 机械制动接线基本情况
电动伺服系统采用了电流环、速度环和位置环三个闭环控制[3-6]。
(1)主电路连接：电源需经噪声滤波器进入伺服驱动器。
(2)位置控制连接：数控机床为X、Y二轴伺服控制，按控制方式分属于半闭环控制立式数控机床，该机床的检测元件安装在驱动电机丝杠的端部，可间接测量执行部件的实际位置或位移。半闭环控制系统框图如图7所示。
图7 半闭环控制系统框图
半闭环数控机床可以获得比开环系统更高的精度，但由于机械传动链的误差难以消除或校正，因此其位移精度比闭环系统低。由于采用了高分辨率测量元件(如编码器)，因此可以获得比较满意的加工精度与速度。
2.5 数控主轴变频电路设计
设计的数控机床主轴变频电路如图8所示。其中，XS9为主轴变频控制接口，通过系统输出的模拟电压对变频器进行调速控制，主轴制动采用了电阻刹车方式，KA4、KA5控制主轴的正反转，即加工方式的正切削和逆切削，木材加工主要以逆切削为主。
采用了SID32-G-1R5 T4V1变频器，其有自动节能控制、故障自复位、瞬时停电再启动、转速追踪、完善保护等功能。
3 数控机床电路布置与连接
3.1 电气布置
控制柜电器布置如图9所示。
3.2 电气连接
主电路控制如图10所示。
3.3 系统控制面板连接
数控装置接口示意图如图11所示。数控装置可连接软件单元、主轴单元(最多可连接四个)、行程开关、手操盒等，3～6为数控装置接口图，数控装置各接口定义如下：XS1为电源接口，XS2为外接PC键盘接口，XS3为以太网接口，XS4 为软驱接口，XS5为 RS232接口，XS6为远程I/O板接口，XS8为手持单元接口，XS9为主轴控制接口，XS10、XS11为输入开关量接口，XS20、XS2为输出开关量接口，XS30、XS33为模拟式、脉冲式(含步进式)进给轴控制接口，XS40、XS43 为轴串口。
图8 主轴变频电路置
图9 控制柜电器布局
图10 主电路控制
4 结束语
改造后的数控开榫机能够方便、安全地完成比较复杂的零件加工，提高了零件的加工精度，生产效率高，能够满足生产企业的要求。通过数控系统控制变频器、伺服驱动器使数控机床能够按照预定的程序自动完成零件加工，加工过程不需要人工干预，大大减轻了工人的作业强度。本设计的不足之处主要有以下两方面，一是机床组合刀具调整没有数控化，主要还是由人工来调整；二是工件木榫角度的调整需要通过相应的手动机械来完成，并需要在CNC操作界面中输入相应的数据才能进行有效加工。
图11 数控装置接口示意图
[1] 侯铁民.家具木工机械[M].北京：中国轻工业出版社，2006.
[2] 张云秀.实木榫建模与数控开榫技术研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2004.
[3] 王德发.数控机床电气控制技术[M].上海：上海科技大学出版社，2009.
[4] 张爱红.机床数控系统[M].北京：高等教育出版社，2009.
[5] 杨家武，刘梦龙.数控车床附加主轴设计及有限元分析[J].森林工程，2015，31(3)：63-66.
[6] 郑立平，宁志涛，郭明慧，等.欧式木窗双端数控砂光机控制系统设计[J].林业机械与木工设备，2016，44(12)：15-21.
(责任编辑 王琦)
Numerical Control Technical Transformation of Ordinary Tenors
LUO Hai-feng
(Shunde Polytechnic，Shunde Guangdong 528300，China)
In order to meet the needs of modern fast and changeable market economy，ordinary tenors are transformed into numerical control tenors.Xinfangda CNC system，a servo system，frequency control technology，etc.are adopted，and a CNC lathe electrical circuit is designed.The production and operation result shows that the transformed lathes feature high product accuracy and safe，convenient and efficient operation.
woodworking tenor；Xinfangda CNC system，servo system；frequency converter；technological transformation
2017-02-24
罗海峰(1980-)，男，广东兴宁人，助理工程师，主要从事木工家具机械方面的实训教学指导工作，E-mail：hai1980_12@qq.com。
TS642
A
2095-2953(2017)06-0044-06
