基于伺服電機的C61100車床數(shù)控化改造

丁錦宏

(南通紡織職業(yè)技術學院，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，主要用于對較大回轉(zhuǎn)體零件的大功率強力切削加工。雖然有切削自動走刀和自動快進、快退功能，但機床的對刀、尺寸的控制、主軸的控制等仍需要操作人員進行手動操作，非常吃力，在勞動力緊缺和自動化水平大大提高的今天，已經(jīng)不太適應形勢的發(fā)展。需要對該設備進行數(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，要求機床應完成的工作內(nèi)容有:能夠控制主軸正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)不同切削速度的變速;刀具能實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動;具有螺紋加工功能;可安裝4個刀具，并在轉(zhuǎn)動刀架后夾緊。為此，主要從4個方面進行改造［1］:

(1)進給系統(tǒng)

縱向進給系統(tǒng)改造方案為:拆除原機床的掛輪系統(tǒng)、進給箱、溜板箱、快速進退裝置、絲杠、光杠和操作桿。以伺服電機作為驅(qū)動元件，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。

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

(2)主傳動系統(tǒng)

原車床主軸速度的變化是通過復雜的液壓系統(tǒng)手動操作進行的?？紤]到加工過程中需要進行變速，手動操作變速需要機床停止運行，會直接影響加工效率，不利于發(fā)揮數(shù)控的效果。為此，在主軸上增加變頻器，實現(xiàn)主軸自動無級變速。同時，安裝編碼器，向數(shù)控系統(tǒng)反饋主軸的實際轉(zhuǎn)速，使機床具有螺蚊切削功能。

(3)自動換刀

自動換刀功能是數(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，安裝四工位電動刀架。

(4)數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)在能滿足實際所需功能的前提下，改造時有多種方案可供選擇:(1)采用國產(chǎn)品牌步進電機數(shù)控系統(tǒng);(2)采用國產(chǎn)品牌伺服電機數(shù)控系統(tǒng);(3)采用國外品牌步進電機數(shù)控系統(tǒng);(4)采用國外品牌伺服電機數(shù)控系統(tǒng)。經(jīng)對比分析國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)在性能、檔次、價格等的不同后，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)，配以伺服電機作為進給驅(qū)動的方案。

2 進給傳動系統(tǒng)的改造

縱向進給系統(tǒng) (Z向)以伺服電機作為驅(qū)動元件，通過同步帶輪箱體安裝在原走刀箱的位置，經(jīng)一級同步帶輪減速 (2.5∶1)后，由滾珠絲杠傳動。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)。

橫向進給系統(tǒng) (X向)以伺服電機作為驅(qū)動元件，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。伺服電機通過電機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 伺服電機的選擇

所選用的車床X和Z向伺服電機在轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩兩方面需要進行計算，為了使系統(tǒng)的負載慣量達到較合理的匹配，折算到電機軸上的負載慣量Jr與電機本身的轉(zhuǎn)動慣量Jm的比值，應控制在一定范圍內(nèi)，即 0.25≤Jr/Jm≤1［2］。

在X、Z兩個方向的進給系統(tǒng)中，由于Z軸的行程大，工作狀況差，現(xiàn)對Z軸進給系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)動慣量匹配計算［1］。方法如下:

(1)折算到電機軸上的負載慣量Jr

傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量［3］

式中:J1為小帶輪傳動慣量;

J2為大帶輪轉(zhuǎn)動慣量;

Js為滾珠絲杠慣量;

Jw為負荷慣量。

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為機床執(zhí)行部件 (床鞍臺、拖板、刀架)的總質(zhì)量 (kg)。

所以，折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為:

驗算慣量匹配:Jr/Jm=1 928.75/3 249=0.56，滿足0.25≤Jr/Jm≤1。

(2)力矩匹配驗算

為了保證伺服系統(tǒng)的正常工作，伺服電動機的最大力矩Tmax和切削總力矩Tm應滿足下列關系［4］:

Tmax≥Tm

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

Tm=Tj+Tq/i+Tf/i

①加速力矩Tj

式中:n為機床執(zhí)行部件以最快速度運動時絲桿的最高轉(zhuǎn)速 (r/min);

Jm為電動機的轉(zhuǎn)動慣量 (kg·mm2);

Jr為進給軸的負載慣量 (kg·mm2);

t為加速時間 (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計算切削負載力矩Tq

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

S為絲杠螺距 (m);

η為進給傳動系統(tǒng)總效率 (取η=0.9)。

③滾珠絲杠的預緊而產(chǎn)生的附加負載力矩Tf

由滾珠絲杠的預緊而產(chǎn)生的附加負載力矩

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

S為絲杠螺距 (m);

η為進給傳動系統(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，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)動慣量32.4 kg·cm2。因此，滿足Tmax≥Tm的要求。

同理，橫向伺服電機確定為110SM05030。

4 滾珠絲杠的選用及驗算

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

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

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

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

現(xiàn)以X軸為例，進行X軸滾珠絲杠屈服負荷的校驗。

圖1為C61100車床X向絲杠計算圖。

圖1 C61100車床X向絲桿計算簡圖

根據(jù)圖1得滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度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)。

屈服負荷［1］

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

經(jīng)計算，所選用的滾珠絲杠能滿足各項效驗要求。

5 主傳動系統(tǒng)的改造

(1)主軸變頻系統(tǒng)

原機床主軸的速度通過手動換擋進行。為提高加工效率，充分發(fā)揮數(shù)控機床的特點，改造時，實現(xiàn)主軸自動無級變速，在主軸上增加了交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)?？紤]到改造的經(jīng)濟性，仍使用機床原有的普通三相異步交流電動機拖動，由新增加的變頻器進行控制。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，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，使機床具有螺蚊切削功能。改裝時，需保證主軸編碼器與主軸等速旋轉(zhuǎn)。該C61100車床主傳動系統(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，并通過一對傳動比為1∶1的同步齒形帶與掛輪軸聯(lián)接起來。工作時，數(shù)控系統(tǒng)接受主軸編碼器的轉(zhuǎn)速信號，控制進給電機準確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進給運動，從而進行螺紋切削。

6 刀架的改造

選用四工位電動刀架LD4-6163。安裝時，卸掉原機床小拖板和方刀架，將電動刀架置于中拖板上，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)動軸承蓋處的內(nèi)六角螺孔，使刀架轉(zhuǎn)動到約45°時，可以方便地裝上固定螺釘，將刀架和墊板固定。當加工過程中需要換刀時，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀控制指令，刀架電機正轉(zhuǎn)，使刀架旋轉(zhuǎn)，當?shù)竭_預定刀位時，通過霍爾元件，向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀架到位信號，刀架電機反轉(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)與控制單元有關的各部件的聯(lián)接如圖2所示。

(1)緊急停機

當數(shù)控系統(tǒng)運行出現(xiàn)緊急情況時應采取停機措施。在改造過程中，為確保急停功能的可靠性，在機床上增置一個緊急停機開關，接在系統(tǒng)XJ5接口的P1與P5即可。

(2)參考點

該數(shù)控系統(tǒng)在對刀后，能將對刀時刀尖的X、Z位置設為0，該位置即為機床參考點。并在斷電后重新上電時，準確記憶該位置，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個行程開關作為機床各坐標軸參考點的檢測器件，克服了使用行程開關尋找機床各坐標軸參考點可能產(chǎn)生的誤差。

(3)坐標軸的限位

為了保護機床的安全運行，在機床縱橫坐標的兩個極限位，各設一個行程開關和機械撞塊。將各行程開關的信號線接到數(shù)控系統(tǒng)上，即可實現(xiàn)對各坐標軸的運動限位。設計時，使用限位行程開關的常閉觸點，當限位開關沒有被壓下時，系統(tǒng)接收到該信號為“1”;當限位開關被壓下時，系統(tǒng)接收到該信號為“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)連接簡圖

8 結束語

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

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［2］劉小宇.普通機床數(shù)控化改造關鍵技術的設計及計算［J］.機械設計與制造，2009(9):42-44.

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

［5］張魯陽.S1-262管螺紋車床的數(shù)控改造［J］.制造技術與機床，2007(2):97-99.