CNC控制系统、主轴电机如何选型

数控机床主要部件的选型方法本文重点介绍机床主要控制部件的选型方法，具体内容包括：CNC控制系统的设计原则、内容、CNC型号规格的确定；主轴电机型号的确定，转速、主轴电机功率的计算及实例；伺服电机的类型与转速选择，伺服进给系统的切削转矩、摩擦转矩、运动部件重力转矩的计算，电机输出转矩的选择；伺服驱动器的选择原则，驱动器电流的计算，驱动器选择实例。1.CNC的选择选择CNC,主要是确定CNC的生产厂家与型号，在选型确定后可根据机床要求对CNC功能与硬件（如操作面板的布置形式、显示器、I/O单元、机床操作面板及其布置等）进行选择。确定CNC厂家，除应考虑设备用户的要求、设计使用者习惯、熟悉程度、配套产品的一致性以及工厂内调试设备的通用性、技术服务等方面外，更重要的是CNC的可靠性。从目前我国机床行业产品的性能与水平、用户的接受程度以及可靠性、服务等因素综合考虑。国外系统FANUC的FS-0iC系列、西门子810/840系列，国内北京凯恩帝数控K1000系列、广州数控980系列是目前绝大多数机床生产厂家优先考虑的CNC。在满足可靠性前提下，从技术角度考虑，以下指标也是CNC选择时应注意的问题。（1）CPU性能CNC的CPU性能主要涉及处理器的位数、运算速度，处理精度、用户存储容量、编程能力、功能等方面。目前大部分CNC从可靠性的角度，已经可以满足用户的要求，且价格服务等各方面都很好，但是对于要求高速、高精度加工的场合，CPU的性能将直接影响加工精度，这一点在选择CNC时尤为注意。（2）轴控制能力CNC轴控制能力（最大控制轴数和联动轴数）是衡量CNC重要参数之一，也是决定CNC价格的重要因素，因此，在机床要求已经确定的情况下，建议不要再轴控制能力上考虑余量。（3）CNC功能CNC功能主要包括硬件功能和软件功能，硬件功能的增加对价格的影响较大，应根据实际需要选择，软件功能主要是影响操作及编程，价格影响小，为方便用户，应尽可能予以选择。（4）I/O单元的选择CNC内置PLC的I/O点数应根据机床、操作面板的实际I/O点数确定。正常情况下PLC的I/O数量应该适当留有余量，特别对于以下情况，应适当增加I/O点。a.控制对象部分要求不明确b.I/O点统计不完整，在实际生产、现场调试可能增加I/O点c.适用环境差，PLC工作负荷重d.维修不方便，配件供应周期才长（5）机床操作面板的选择机床操作面板与显示器性能应根据机床实际要求进行。2.主轴电机的选择（1）电机类型的确定主轴电机的选择包括确定电机类型、安装形式、转速、功率和加减速时间等。电机类型和安装形式决定于机床的结构，一般由机械设计人员选定；转速、功率与加减速则需要通过计算确定。（2）电机转速的选择主轴电机转速选择包括确定电机的额定转速与最高转速两方面。在同样最高转速下，住电机的额定转速决定了主轴的恒功率输出范围，它是反映机床实际切削加工能力的指标，在生产成本、安装尺寸许可情况下，原则上应尽量选择额定转速较低的电机，以提高切削能力。对于传动比可变的主轴系统，需要考虑因传动变换而带来的主轴功率下降，并保证功率下降在允许范围之内。例如：对主轴最高转速为6000r/min的系统，当电机额定转速为1500r/min时，对传动比为1:1、4:1的两级主轴变速系统，选择最高转速为6000r/min、额定转速为1500r/minm的电机是合适的，它在变速档改变时，输出功率保持不变，如图（a）如果同样的主电机用于传动比为1:1、6:1的两级主轴变速系统，则在1000-1500r/min范围将引起输出功率的下降，如图（b）；因此宜选用最高转速为9000r/min的电机，以保持输出功率的不变，如图（c）。（3）电机功率的选择主轴电机的输出功率应根据机床的“切削能力”这一设定指标计算后确定，机床的切削能力常用以每分钟能够切削的典型金属材料（如45钢）体积Q来衡量。I.车削能力计算公式：Q=πDdF/1000Q：每分钟切削体积（cm3/min）D：平均切削直径（mm）d：切削深度（mm）F：切削进给速度（mm/min）II.铣削能力计算公式：Q=WdF/1000W：切削宽度（mm）d：铣削深度（mm）III.钻孔能力计算公式：Q=π（D/2）2F/1000D：钻孔直径（mm）通过切削能力的计算，通过公式P=Q/η*Mr，便可计算出输出功率。η：机械传动装置效率（见表1）Mr：单位功率的切削能力。单位功率切削能力与刀具材料、切削用量、工件材质、硬件等因素有关，对PPe4:11:137515006000nPPe电机ne=1500nm=6000（a）PPe6:11:1250100015006000n电机ne=1500nm=60002Pe/3（b）2501000150060009000n6:11:1电机ne=1500nm=9000（c）于常规加工可参考表2表1常用机械传动装置效率传动装置类型传动效率同步带（单级）0.95~0.97齿轮传动（单级）0.90~0.95行星齿轮传动（单/双级）0.88~0.94齿轮传动（多级）0.80~0.88摆线齿轮传动（单级）0.85~0.90谐波齿轮传动0.80~0.90涡轮传动0.7表2常规加工的单位功率切削能力参考用表切削条件工件材质硬度单位功率切削能力Mr车削铣削钻削切削用量—主轴每转0.12~0.38每齿0.12~0.3mm主轴每转0.05~0.3刀具材料—高速钢或硬质合金硬质合金高速钢刀具形式—锋利钝化锋利钝化锋利钝化碳素钢合金结构钢工具钢HB85~2002519.62519.627.421HRC35~4019.616.118.214.419.616.1HRC40~5018.214.415.212.516.113HRC50~5513.610.91310.51310.5HRC55~5886.510.58.510.58.5铸铁HB110~19039.130.545.734.227.422.9HB190~32019.616.12519.617.113.6不锈钢HB135~2752117.119.616.12519.6HRC30~4519.616.118.214.422.918.2硬化不锈钢HB150~45019.616.118.214.422.918.2钛合金HB250~37522.918.22519.62519.6耐高温合金HB200~36010.98.713.610.913.610.9铁合金HB180~32017.113.6617.113.622.918.2钨钢HB3219.87.79.47.610.58.2钼钢HB22913.610.917.113.617.113.6泥钢HB21716.11318.214.419.616.1镍合金HB80~36013.610.914.411.915.212.5铝合金HB20~15011091.585.768.6171.5137.2锰合金HB40~90171.5137.2171.5137.2171.5137.2铜HRB8027.422.927.422.930.525铜合金HRB80~10027.422.927.422.934.227.4主轴电机功率计算实例如下：例一：假设某数控车床要求能能够利用高速钢刀具，对硬度为HB180、直径为100mm的刚件进行单边3mm以上的切削。主轴传动采用多级齿轮变速，传动效率取0.8，主轴电机功率可以按一下计算方法计算。对于通常情况，高速钢刀具加工硬度为HB180的钢件车削，其切削速度可以取30M/min，主轴每转进给量为0.3mm，因此各量如下：主轴转速:n=V/（π*D）=30*1000/（π*100）=95（r/min）进给速度：F=0.3*95=29（mm/min）车削能力：Q=πDdF/1000=π*100*3*29/1000=27.33（cm3/min）主轴功率：P=Q/（η*Mr）=27.33/（0.8*25）=1.37（kW）选择电机时注意：以上主轴功率是针对主轴转速为95r/min时的要求，而并非主轴在额定转速下的最大输出功率。假设车床在低速档的传动比为6:1，也就是要求主轴电机在570r/min时输出功率为1.37KW，如果选择额定转速为2000r/min的电机，则电机的额定功率必须为Pe=2000/570*1.37=4.8KW因此可以选择额定转速2000r、额定功率5.5KW的主轴电机。例二：假设某加工中心要求能利用高速钢刀具，对硬度为HB180的刚件，进行直径为25mm的钻孔。主轴采用一级（1:1）同步齿形带传动，传动效率取0.95，主轴功率可按以下计算：对于通常情况，高速钢刀具加工硬度为HB180的钢件钻孔加工，其切削速度可以取21m/min，主轴每转进给量为0.3mm，因此各量如下：主轴转速：n=V/（π*D）=21*1000/（π*25）=267（r/min）进给速度：F=0.3*267=80（mm/min）钻孔能力：Q=π（D/2）2F/1000=39.27（cm3/min）主轴功率：P=Q/（η*Mr）=1.5（KW)选择电机时同时注意：以上主轴功率是在诅咒转速为267r/min的要求，而并非在额定转速下的最大功率。所以当主轴电机与主轴1:1连接且选择额定转速为2000r/min的主轴电机时功率应该达到11.3kw；选择1500r/min额定转速的主轴电机功率应该达到8.43kw。3.3.3.3.进给电机的选择