新型数控车床的主动系统设计及控制
新型数控车床的主动系统设计及控制
陈彦兆
【摘 要】 如今是一个数控技术飞速发展的时代， 数控技术是机械加工自动化的基础， 是数控机床的核心技术数控车床已
经成为了数控制造业的核心， 新型数控车床是一种新型的数控车床， 新型车床的自动系统设计和控制是尤为重要的， 它
的内容分为结构设计、 理论分析， 本文主要介绍了对数控车床的主动系统设计的过程。
【关键词】 数控车床； 主动系统； 设计； 控制
中图分类号： TG65 文献标识码 A 文章编号 1006-0278(2014)06-149-01
一、 引言
它不但可以加速工业， 更能带动国民经济的发展。长期
以来， 国际市场上的竞争越演越烈， 这就需要更先进的技术来
争夺市场、 扩大焦点， 因此用户便提出了更多的要求， 我们在
此基础上研究新—型数控车床的主动系统与控制。
二、 数控车床的发展现状与特性
（一） 数控车床的发展现状
当代这个社会， 机床工业的竞相发展已经成为工业发达
国家高度重视的产业， 包括高精准度、 高效率、 自动化、 机电同
体化的先进机床。
（二） 型数控机床的特性
控车床的运动以及加工过程是由数字化信息来进行控制
的， 这种通用的加工设备是可编程的。能利用它来完成圆锥
面、 圆柱内外面、 圆锥面、 螺纹、 端面等程序的加工切削， 因此
它也很适合加工形态繁杂的盘套类或轴类零件。 与普通的车
床相比， 新型车床整机控制系统的加工具有硬件电路通俗实
用、 程序操作思路简单、 可靠性高、 有较强的抗干扰能力、 并且
有很高的性价比等明显的优势， 工矿企业的相关数控机床设
计改造可以借鉴其设计的 思路。更加适用于产品的种类和
规格的变化、 生产效率更高， 这是一种高性能的新产品。
三、 新型数控车床的主动系统
（一） 数控车床主动系统的基本要求
第一点是要有安全可靠性， 数控车床属于一长时间运行
的设备所以本身应该安全可靠的。 第二点就是需要有足够先
进的技术来跟紧时代的要求， 这样才能更适应社会需要。第
三就是要有良好的控制性， 能够被平稳的控制、 不会出现异常
的升温和特殊噪声现象并且能做出灵敏的反应的车床才能被
社会普遍使用。第四点是要有明显的状态指示信息， 如故障
指示和安全标示以及故障排除指示等。 第五点是要有方便的
可维护性， 易损坏的部件要易于拆修， 这也要求保护元器件足
够灵敏， 不能有错误的动作。
（二） 数控车床主动系统的选型
数控系统的选型一般以性价比高和综合成本低为主要原
则， 在这个基础上还要对众多的数控系统进行比较， 选择最佳
的。 性价比高就是在选择过程中， 要考虑到系统的先进性， 不
要出于对价格的考虑来选择那些既将废弃的劣等品， 这样不
但用不了多久还会影响到运行速率。 更不要盲目的追求先进
性和高性能产品， 同样的应该选择价格合理的； 综合成本低指
的是除了商品本身外， 维修成本、 配套采购、 因修护导致的时
间成本以及使用寿命等。 所以要选择好主动系统还要考虑配
件价格、 故障率、 售后服务以及使用寿命等因素。
（三） 新型数控车床主动系统的设计
综合上述， 为设计好新型数控车床的主动系统， 本次改造
使用了 HNC—21 系列数控装置。它将所有的 HMI、 CNC 以
及通讯系统集成在一个单一的部件上，802C 配备 SIMO-
DRIVE 611UE 和带编码器的 1FK7 伺服电机作为进给驱动
系统， 最多可控制 1 个主轴 4 个数字进给轴。各州驱动的功
率模块独立配置。本系统采用了高速微处理器来做控制电
路， 超大规模定制型集成电路芯片， 极大地提高了系统的可靠
性。在控制面板上，将车床操作面板与 CNC 操作面板集为
一体， 简化了联机。具有直线和圆弧插补、 间隙补偿、 道具补
偿代码编程螺纹控制加工等控制功能。
（五） 主轴驱动系统
主轴驱动系统采用的是如今SIEMENS常用的交流数字
式伺服驱动系统SIEMENS611U， 与 611A具 有相似的基本
结构， 采用的安装方法为模块化， 各伺服的驱动单元与主轴共
用电源。起进给驱动作用的伺服驱动模块有两种结构型式，
分别为单轴与双轴，总线接口带有 PROFIBUS DP。其内部
带有 FEPROM ( non-volatile data memory， 非易失可擦写存储
器 ) ， 用于存储系统软件与用户数据， 驱动器的优化、 调整分析
可以在 W1NDOWS 操作下， 直接通过软件进行， 安装、 调整
都十分简便。驱动器由模块电源模块 ( NE module ) 功率模块
( Power module ) 、 整流电抗器 ( 或伺服变压器 ) 、 611 控 制等组
成： 电源模块自成单元， 轴驱动单元由 611 控制模块、 PROFI-
BUS DP 总线接口模块、 功率模块等组成。各驱动器单元间
共用 611 直流母线与控制总线，其中经过总线 PROFIBUS
DP， SIEMENS 802C/810D/840S 系统与其相连接， 这就是数
控机床的伺服驱动系统的组成。
四、 控制系统的设计
（一） 刀架电气控制系统设计
数控车床重要的传统结构之一是电动刀架， 由于该类刀
架的控制采用全电式， 无需加气动以及液压等能量源， 所以选
配电动刀架对简化机床控制的难易程度带来好处理的效果，
生产的准备时间大大缩短， 人为的误差也能得以消除， 还可以
另加工精度与位置准度的一致性得到提高； 另外， 连续工作的
工作能力和加工工艺适应性也明显提高， 尤其是对形状较复
杂的几何零件加工过程， 除了主动系统能做出适合的控制算
法， 合理的控制指令由执行机构发出外， 尤为重要的一个问题
是数控车床应该配备容易控制电动刀架， 所需各种刀具都能
很方便的一次装夹， 灵活， 方便地完成各种几何形的加工。 刀
架是经济型的四方位简易刀架， 它的机械结构简单， 调试和使
用方便。 其功能为： 有四个刀位， 能装夹四把不同的功能刀具，
方刀架回转 90 °时， 刀具变换一个位置， 但方刀架的回转和
刀位号的选择是由加工程序指令控制。
（二） 控制功能的设计
数控车床的工作是在自动控制下进行， 作为主动控制设
备， 数控机床被这两类所受制： 一类是 “顺序控制” 即在数控车
床主动系统运行过程中， 以条件为 CNC 内部和车床继电器、
传感器按钮、 各行程开关等的开关量信号状态， 并按照对诸如
主轴的起停换向预先规定的逻辑顺序， 工件的夹紧、 松开， 液
压、 冷却、 润滑系统的运行刀具的更换等进行的控制； 另一类
是最终实现进行的 “数字控制” 对各坐标轴运动， 即控制机床
各轴运行的插补、 补偿、 各坐标轴的移动距离等。CNC 单元
直接给伺服装置发控制指令实现对机床的 “数字控制” ， 而机
床的 “顺序控制” 必须通过 PLC 装置才能完成。
五、 结语
总的来说， 数控车床的主动系统已经成为了数控制造业
的领航产业， 新型数控车床这种新型的数控车床， 自动系统设
计和控制是尤为重要的。整个设计过程还需要不断的完善，
为数控车床的主动系统更高更远发展奠定基础。
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