C61100車床數(shù)控化改造的方案與工作原理

　　C61100 車床的回轉(zhuǎn)直徑為1100mm，兩頂尖間距離為1500 mm，主軸功率為22kW，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) 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復(fù)雜的液壓系統(tǒng)手動(dòng)操作進(jìn)行的�？紤]到加工過程中需要進(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) 采用國產(chǎn)品牌步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng); ( 2) 采用國產(chǎn)品牌伺服電機(jī)數(shù)控系統(tǒng);( 3) 采用國外品牌步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng); ( 4) 采用國外品牌伺服電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。經(jīng)對(duì)比分析國內(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)通過電機(jī)座安裝在床鞍的后端，經(jīng)過聯(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 。

　　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。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

　　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。

　　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 。

　　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�，F(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。

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

　　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。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

　　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。