CYNC-500P数控机床主轴改造方案

一、伺服技术
　　伺服系统是机电产品中的重要环节，其控制性能反映了机电设备的控制质量。伺服系统的发展经历了由液压到电气，电气伺服又经历了由模拟到模拟•数字混合再到全数字化伺服的演进过程。伺服系统根据所驱动的电机对象，又分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。到90年代初期，随着微处理技术、高性能半导体功率器件等制造工艺的发展及xxx的日益提高，交流伺服技术逐渐成为主导产品。
　　交流伺服系统按其驱动电动机的类型，主要有两大类：交流永磁同步（SM型）电动机伺服系统和交流感应式异步（IM型）电动机伺服系统。感应式异步电动机伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固、制造容易、价格低廉，具有良好的发展前景，是未来伺服技术的发展方向之一。
　　随着市场竞争的日趋激烈，用户对所需产品提出了更高的技术和更合理的性能价格比的要求。交流伺服系统以其出色的性能完成了对产品的加工过程、加工工艺和综合性能的改造，在工业领域中得到了日益广泛的应用。
　　
　　二、技术进步造就效率和节省
　　自2003年，时光科技有限公司推出了全数字交流异步伺服控制器系列产品，并成功应用到机床、油田机械、电梯、塑料机械行业，为客户赢取了显著经济效益。
　　在产品的推广过程中，我们深切体会到，企业效益升级的本源来自于其自身产品技术含量的提升。时光公司产品具有交流化、数字化、集成化和智能化的技术内涵，为用户产品提高了技术含量，并充分提高了客户产品的生产效率、系统传动效率和原材料使用效率，带来了对产品安装、调试、维护的节省，以及最终用户能耗成本支出的节省。
三、数控机床主轴改造案例
　　（一）改造要点
　　CYNC-500P机床（采用西门子802C数控单元）是两坐标（纵向Z、横向X）连续控制卧式数控机床，能自动完成内外圆表面、圆锥面、圆弧面、端面、多种螺纹（公英制螺纹、锥螺纹、端面螺纹）、钻、铰、镗孔等车削加工。
　　改造要点：主轴驱动采用本公司11KW伺服控制器驱动11KW电机，取消变速箱，保留一级皮带传动。原设计是机械变速3档6级 / 变频调速3档无级，改造后的主轴为伺服主轴，实现无级变速（不必每次机床上电时，必须在MDA方式下用S代码输入确定主轴档位，手动方式下的转速才能以参数设定的数值转动），实现恒线速切削，可以长时间高、低速运行，主轴可以定位。

（二）系统选型及配置
1. 伺服控制器

2. 主轴电机

3. 码盘： LF-102.4-BM-C05D
　　4. 皮带轮：110mm/245mm 减速比：2.2273
　　5. 皮带：1600*4*2
　　6. 制动电阻： RXHG-1100W 50Ω
　　
　　（三）改造方案
　　机床数控单元为西门子802C，主轴驱动为连续直流电压（0～10V和－10V～＋10V可变），精度相当于12位D/A输出。伺服控制按脉冲列和模拟量两种输入方式实施：
　　方案一：脉冲列方式
　　·原理：将NC侧的模拟量输出信号（－10V～＋10V）通过F/V转换单元（输出频率0～250KHZ）转换为脉冲列信号后经过控制器内部运算，转化为频率进行速度控制。
　　·接线方式：按照控制器单脉冲列方式接线。
　　·试验结果：运行状况比较理想，考虑到此方法需要外接电路，而用模拟量直接连接更加简洁，如果可以达到精度要求，选择模拟量控制为佳。
　　方案二：模拟量方式
　　·原理：将+10V和-10V信号分开，接口板经过改造后，模拟量接口为0～－10V和0～＋10V分别对应相应地址，精度由原来的准十位提高到十一位。
　　·接线方式：只需引入模拟量信号和相应I/O信号即可。
　　·试验结果：实现正向6～2500rpm、反向4～2500rpm平稳调速，可达到定位、恒线速度加工的要求。
　　分析比较
　　方案一、二经试验证明均为可行方案：方案二连接简单、控制方便；但由于本控制器A/D精度为11位，如果不能达到客户要求、可选用方案一（需要外加转换模块）

　　
（四）结论
　　1. 伺服主轴与机械变速主轴、变频变速主轴相比在调速范围、速度精度、定位功能、机械结构的简化方面具有较明显的优势。
　　2. 机械结构简化，节省了金属材料。
　　3. 操作简化，降低了机械故障率及维修成本。
　　4. 控制范围增大，控制精度提高，控制电机效率提高。
　　5. 提高了机床的加工精度和生产效率。
　　

参考文献

[1] AC伺服控制器IMS-GCT4011S使用手册[z].

作者简介

余达太(1946-) 男 教授/博士生导师 2002年出任北京时光科技有限公司(国家开发投资公司与北京科技大学共同投资)总经理、北京时光科技研发院院长。