丁錦宏

(南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通 226000)

C61100車床的回轉(zhuǎn)直徑為φ1 100 mm，兩頂尖間距離為1 500 mm，主軸功率為22 kW，主要用于對(duì)較大回轉(zhuǎn)體零件的大功率強(qiáng)力切削加工。雖然有切削自動(dòng)走刀和自動(dòng)快進(jìn)、快退功能，但機(jī)床的對(duì)刀、尺寸的控制、主軸的控制等仍需要操作人員進(jìn)行手動(dòng)操作，非常吃力，在勞動(dòng)力緊缺和自動(dòng)化水平大大提高的今天，已經(jīng)不太適應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展。需要對(duì)該設(shè)備進(jìn)行數(shù)控化改造的企業(yè)十分多。

1 數(shù)控化改造方案

加工零件時(shí)，要求機(jī)床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有:能夠控制主軸正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)不同切削速度的變速;刀具能實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng);具有螺紋加工功能;可安裝4個(gè)刀具，并在轉(zhuǎn)動(dòng)刀架后夾緊。為此，主要從4個(gè)方面進(jìn)行改造［1］:

(1)進(jìn)給系統(tǒng)

縱向進(jìn)給系統(tǒng)改造方案為:拆除原機(jī)床的掛輪系統(tǒng)、進(jìn)給箱、溜板箱、快速進(jìn)退裝置、絲杠、光杠和操作桿。以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，安裝減速箱、經(jīng)同步帶輪減速 (2∶1)增大轉(zhuǎn)矩后，由滾珠絲杠傳動(dòng)。

橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造方案為:拆除原機(jī)床的普通絲杠、安裝電機(jī)座，以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，將滾珠絲杠與伺服電機(jī)直接聯(lián)接，由滾珠絲杠傳動(dòng)。

(2)主傳動(dòng)系統(tǒng)

原車床主軸速度的變化是通過(guò)復(fù)雜的液壓系統(tǒng)手動(dòng)操作進(jìn)行的?？紤]到加工過(guò)程中需要進(jìn)行變速，手動(dòng)操作變速需要機(jī)床停止運(yùn)行，會(huì)直接影響加工效率，不利于發(fā)揮數(shù)控的效果。為此，在主軸上增加變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸自動(dòng)無(wú)級(jí)變速。同時(shí)，安裝編碼器，向數(shù)控系統(tǒng)反饋主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速，使機(jī)床具有螺蚊切削功能。

(3)自動(dòng)換刀

自動(dòng)換刀功能是數(shù)控車床與普通車床的顯著區(qū)別之一。為此，必須拆除原普通刀架，安裝四工位電動(dòng)刀架。

(4)數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)在能滿足實(shí)際所需功能的前提下，改造時(shí)有多種方案可供選擇:(1)采用國(guó)產(chǎn)品牌步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng);(2)采用國(guó)產(chǎn)品牌伺服電機(jī)數(shù)控系統(tǒng);(3)采用國(guó)外品牌步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng);(4)采用國(guó)外品牌伺服電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。經(jīng)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)在性能、檔次、價(jià)格等的不同后，C61100車床的數(shù)控化改造采用第2方案。確定選用國(guó)內(nèi)知名品牌華興WA-901XT數(shù)控系統(tǒng)，配以伺服電機(jī)作為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的方案。

2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造

縱向進(jìn)給系統(tǒng) (Z向)以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，通過(guò)同步帶輪箱體安裝在原走刀箱的位置，經(jīng)一級(jí)同步帶輪減速 (2.5∶1)后，由滾珠絲杠傳動(dòng)。滾珠絲杠螺母副通過(guò)托架安裝在床鞍底部，滾珠絲杠兩端分別支承在前端同步帶輪箱體和尾部絲杠托架內(nèi)。

橫向進(jìn)給系統(tǒng) (X向)以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，將原來(lái)的普通絲杠更換為滾珠絲桿，但需使?jié)L珠絲桿的軸心線與原普通絲杠的軸心線相同，以便利用原絲桿前端軸承座。伺服電機(jī)通過(guò)電機(jī)座安裝在床鞍的后端，經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器與滾珠絲桿相聯(lián)。

3 伺服電機(jī)的選擇

所選用的車床X和Z向伺服電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩兩方面需要進(jìn)行計(jì)算，為了使系統(tǒng)的負(fù)載慣量達(dá)到較合理的匹配，折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量Jr與電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm的比值，應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，即 0.25≤Jr/Jm≤1［2］。

在X、Z兩個(gè)方向的進(jìn)給系統(tǒng)中，由于Z軸的行程大，工作狀況差，現(xiàn)對(duì)Z軸進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配計(jì)算［1］。方法如下:

(1)折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量Jr

傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量［3］

式中:J1為小帶輪傳動(dòng)慣量;

J2為大帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

Js為滾珠絲杠慣量;

Jw為負(fù)荷慣量。

式中:ρ為比重;

R1和r1分別為外圓和內(nèi)孔半徑 (mm)。

式中:ρ為比重;

R2和r2分別為外圓和內(nèi)孔半徑 (mm)。

式中:R為滾珠絲桿底徑的半徑 (mm)。

式中:m為機(jī)床執(zhí)行部件 (床鞍臺(tái)、拖板、刀架)的總質(zhì)量 (kg)。

所以，折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:

驗(yàn)算慣量匹配:Jr/Jm=1 928.75/3 249=0.56，滿足0.25≤Jr/Jm≤1。

(2)力矩匹配驗(yàn)算

為了保證伺服系統(tǒng)的正常工作，伺服電動(dòng)機(jī)的最大力矩Tmax和切削總力矩Tm應(yīng)滿足下列關(guān)系［4］:

Tmax≥Tm

切削總力矩由加速力矩Tj、切削負(fù)載力矩Tq、滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩Tf組成，即

Tm=Tj+Tq/i+Tf/i

①加速力矩Tj

式中:n為機(jī)床執(zhí)行部件以最快速度運(yùn)動(dòng)時(shí)絲桿的最高轉(zhuǎn)速 (r/min);

Jm為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg·mm2);

Jr為進(jìn)給軸的負(fù)載慣量 (kg·mm2);

t為加速時(shí)間 (s)(t=1/Ks=1/20=0.05 s，Ks為伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益 (Hz))。

②計(jì)算切削負(fù)載力矩Tq

式中:Fzmax為最大軸向切削負(fù)載力 (N)(經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)zmax=8 815 N);

S為絲杠螺距 (m);

η為進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)總效率 (取η=0.9)。

③滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩Tf

由滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩

式中:Fp為滾珠絲杠的預(yù)緊力 (N)(Fp=Fzmax/3=8 815/3=2 938.3 N);

S為絲杠螺距 (m);

η為進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)總效率 (取η=0.9);

η0為滾珠絲杠副的效率 (取η=0.94)。

現(xiàn)選用130SM15015伺服電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩15 N·m、最大轉(zhuǎn)矩30 N·m、最高轉(zhuǎn)速1 500 r/min、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量32.4 kg·cm2。因此，滿足Tmax≥Tm的要求。

同理，橫向伺服電機(jī)確定為110SM05030。

4 滾珠絲杠的選用及驗(yàn)算

采用滾珠絲杠副具有高的傳動(dòng)精度、高的靈敏度及高的構(gòu)件剛度，工作穩(wěn)定、摩擦力小，并能清除傳動(dòng)間隙。

滾珠絲桿的選用過(guò)程比較繁瑣。從已知的設(shè)計(jì)條件 (如定位精度、移動(dòng)速度、行程、負(fù)荷、支撐方式等)選擇適當(dāng)?shù)慕z桿類別，經(jīng)由參考公式一步步遵循選擇程序，找出符合設(shè)計(jì)要求的滾珠絲杠規(guī)格［4］。

在滾珠絲杠選用后，應(yīng)該進(jìn)行承載能力校驗(yàn)，包括滾珠絲杠螺母副屈服負(fù)荷Fc、臨界轉(zhuǎn)速nc、精度等方面的校驗(yàn)，最終確定滾珠絲杠的型號(hào)。

此改造使用的X方向的滾珠絲杠型號(hào)為FFZD4006-3-P4/1140×925，Z方向的滾珠絲杠型號(hào)為 FFZD5010-3-P4/2210 ×1840［5］。

現(xiàn)以X軸為例，進(jìn)行X軸滾珠絲杠屈服負(fù)荷的校驗(yàn)。

圖1為C61100車床X向絲杠計(jì)算圖。

圖1 C61100車床X向絲桿計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)圖1得滾珠絲杠螺母副的最大受壓長(zhǎng)度L1=926 mm。

絲杠底徑d為22.324 mm，安全系數(shù)K1=1/3，支承系數(shù)K2=0.5(一端固定，一端支撐)。

屈服負(fù)荷［1］

該機(jī)床工作臺(tái)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷Fxmax=3 660 N，小于其屈服負(fù)荷Fc的值，故滿足要求。

經(jīng)計(jì)算，所選用的滾珠絲杠能滿足各項(xiàng)效驗(yàn)要求。

5 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造

(1)主軸變頻系統(tǒng)

原機(jī)床主軸的速度通過(guò)手動(dòng)換擋進(jìn)行。為提高加工效率，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，改造時(shí)，實(shí)現(xiàn)主軸自動(dòng)無(wú)級(jí)變速，在主軸上增加了交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)?？紤]到改造的經(jīng)濟(jì)性，仍使用機(jī)床原有的普通三相異步交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，由新增加的變頻器進(jìn)行控制。WA-31D數(shù)控系統(tǒng)向變頻器發(fā)出主軸速度模擬控制電壓 (DC0～10 V)和正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，從而控制主軸的轉(zhuǎn)速和旋向。系統(tǒng)選用的變頻器功率與主軸電機(jī)相同 (22 kW)。

(2)主軸編碼器的安裝

在主軸箱上安裝主軸編碼器，使機(jī)床具有螺蚊切削功能。改裝時(shí)，需保證主軸編碼器與主軸等速旋轉(zhuǎn)。該C61100車床主傳動(dòng)系統(tǒng)中，主軸與掛輪軸之間的轉(zhuǎn)速正好為1∶1，拆除掛輪留出空間，安裝主軸編碼器，并通過(guò)一對(duì)傳動(dòng)比為1∶1的同步齒形帶與掛輪軸聯(lián)接起來(lái)。工作時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)接受主軸編碼器的轉(zhuǎn)速信號(hào)，控制進(jìn)給電機(jī)準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行螺紋切削。

6 刀架的改造

選用四工位電動(dòng)刀架LD4-6163。安裝時(shí)，卸掉原機(jī)床小拖板和方刀架，將電動(dòng)刀架置于中拖板上，下面墊一塊與刀架等面積的墊板，以使刀架上安裝40×40的刀桿后，刀尖與主軸中心等高。轉(zhuǎn)動(dòng)軸承蓋處的內(nèi)六角螺孔，使刀架轉(zhuǎn)動(dòng)到約45°時(shí)，可以方便地裝上固定螺釘，將刀架和墊板固定。當(dāng)加工過(guò)程中需要換刀時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀控制指令，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)，使刀架旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定刀位時(shí)，通過(guò)霍爾元件，向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀架到位信號(hào)，刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)，鎖緊刀架后停止旋轉(zhuǎn)。

7 數(shù)控系統(tǒng)電氣接口

WA-901XT數(shù)控系統(tǒng)具有普及型數(shù)控應(yīng)有的功能，如手輪、圖形跟蹤和模擬、模擬量輸出、內(nèi)置固定式PLC等。WA-901XT數(shù)控系統(tǒng)與控制單元有關(guān)的各部件的聯(lián)接如圖2所示。

(1)緊急停機(jī)

當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)緊急情況時(shí)應(yīng)采取停機(jī)措施。在改造過(guò)程中，為確保急停功能的可靠性，在機(jī)床上增置一個(gè)緊急停機(jī)開關(guān)，接在系統(tǒng)XJ5接口的P1與P5即可。

(2)參考點(diǎn)

該數(shù)控系統(tǒng)在對(duì)刀后，能將對(duì)刀時(shí)刀尖的X、Z位置設(shè)為0，該位置即為機(jī)床參考點(diǎn)。并在斷電后重新上電時(shí)，準(zhǔn)確記憶該位置，保證數(shù)控系統(tǒng)加工的精度及可靠性。因而，可以省去用2個(gè)行程開關(guān)作為機(jī)床各坐標(biāo)軸參考點(diǎn)的檢測(cè)器件，克服了使用行程開關(guān)尋找機(jī)床各坐標(biāo)軸參考點(diǎn)可能產(chǎn)生的誤差。

(3)坐標(biāo)軸的限位

為了保護(hù)機(jī)床的安全運(yùn)行，在機(jī)床縱橫坐標(biāo)的兩個(gè)極限位，各設(shè)一個(gè)行程開關(guān)和機(jī)械撞塊。將各行程開關(guān)的信號(hào)線接到數(shù)控系統(tǒng)上，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)限位。設(shè)計(jì)時(shí)，使用限位行程開關(guān)的常閉觸點(diǎn)，當(dāng)限位開關(guān)沒有被壓下時(shí)，系統(tǒng)接收到該信號(hào)為“1”;當(dāng)限位開關(guān)被壓下時(shí)，系統(tǒng)接收到該信號(hào)為“0”。這種接法消除了因線路開路而產(chǎn)生限位失靈現(xiàn)象，提高了限位電路的可靠性。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)連接簡(jiǎn)圖

8 結(jié)束語(yǔ)

C61100普通車床改造后，定位準(zhǔn)確、可靠，操作簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)加工，穩(wěn)定了零件的加工質(zhì)量，大大提高了加工工效。同時(shí)，可方便地加工多種異形件，增強(qiáng)了其適用性。改造后保留了原機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)，節(jié)約資金，縮短生產(chǎn)周期，為同類機(jī)床的改造提供了參考。

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［3］唐金松.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［4］劉民生.機(jī)床的數(shù)控化改造方法與研究［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(4):28-30.

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