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基於伺服電機的C61100 車床數控化改造

2015-1-31 來源：南通紡織職（zhí）業技術（shù）學院作者：丁錦宏

摘要: 闡述了車床數控化改造的方案與工作原理。詳細論述了C61100 車床的進給係統和電氣係統的（de）數控化改造（zào）過程。改造後的（de）數控車床實現了自動加工，零件的加工質量穩定，加工工效大大提高，為企業進行數控化技術改造提（tí）供了途徑。

C61100 車床的回轉直（zhí）徑為1 100 mm，兩頂尖間（jiān）距離為1 500 mm，主軸功率為22 kW，主要用於對較大回（huí）轉體零件的大（dà）功（gōng）率強力切削加工。雖然有切削自動走刀和自動快進、快退功（gōng）能，但機床（chuáng）的對刀、尺寸的控製、主軸的控製等仍需要操作人（rén）員進行手動操作，非常吃力，在勞動力緊缺和自動（dòng）化水平大大提高的今天，已經不太適應形（xíng）勢的發展。需（xū）要對該設備進行數控化改造的企業十分多。

1 、數控化改造方案

加工零件時，要求機床應完成的工作內容有: 能夠控製主軸正反轉（zhuǎn），實現（xiàn）不同切削速度的變速; 刀具能實現縱向、橫向（xiàng）的進給運動; 具有螺紋加工功能（néng）;可安裝4 個刀具，並在轉動刀架後夾緊。為此，主要（yào）從4 個方麵進行改造 :

( 1) 進給係（xì）統

縱向進給（gěi）係統改造方案為: 拆（chāi）除（chú）原機床的掛輪係統、進給箱、溜板箱、快速進退裝置、絲杠、光杠和操作杆。以伺服電機作為驅動元件，安（ān）裝減速箱、經同步帶輪減速( 2 ∶ 1) 增大轉（zhuǎn）矩後，由（yóu）滾珠絲（sī）杠傳動。

橫向進（jìn）給係統改造方案為: 拆除原機床的普通絲杠、安裝電機座，以伺服電機作為驅動元件，將滾（gǔn）珠絲（sī）杠與伺服電機直接聯接，由滾珠絲杠傳動。

( 2) 主傳動係統

原（yuán）車床主軸速度的變化是通過複雜的液壓係統手動（dòng）操作進行的。考慮到加工過程中需要進行變速，手動操作變速需要機（jī）床停止運行，會直接影響加工效率，不利於發揮數控的效果。為此，在主軸上增加變頻（pín）器，實現（xiàn）主軸自動（dòng）無級變速。同時，安裝編碼器，向數控係（xì）統反饋主軸的實際轉速，使機（jī）床具有螺蚊切削功能。

( 3) 自動換（huàn）刀

自動換刀功能是數控車床與普通車（chē）床的顯著區別之一。為此，必須拆除原（yuán）普通刀架，安裝四工位電動刀架。

( 4) 數控係統

數控係統在能滿足實（shí）際所需（xū）功能的前提下（xià），改造時有多種方案（àn）可供選擇: ( 1) 采用國（guó）產品牌步進（jìn）電機數控係統; ( 2) 采用國產品牌伺服電機數控係統;( 3) 采用國外品（pǐn）牌步進（jìn）電機數控係統; ( 4) 采用國外品牌伺服電機數控係統。經對比（bǐ）分（fèn）析國內外數控係統在性能、檔次、價格等的不同後，C61100 車床的數控化改造采用第2 方（fāng）案。確定選用國內知名（míng）品牌華興WA-901XT 數控（kòng）係統，配以伺服電機作為進給驅動的方案。

2、進給（gěi）傳動係統的改造

縱向進給係統( Z 向) 以伺服電（diàn）機作為（wéi）驅動元件，通過（guò）同步帶輪箱體安裝在原走（zǒu）刀箱的位置，經一級同步（bù）帶輪減速( 2. 5∶ 1) 後，由滾珠絲杠傳動。滾珠絲杠螺母副通過（guò）托架（jià）安裝在床鞍底部（bù），滾珠（zhū）絲杠兩（liǎng）端（duān）分別支承在前端同（tóng）步帶輪箱（xiāng）體和尾部（bù）絲杠托架內。

橫向進給係統( X 向) 以伺服電機作為（wéi）驅動元件，將原來的普（pǔ）通絲杠更換為（wéi）滾珠絲杆，但需使滾珠絲杆的軸心線與原普通絲杠的軸心線相同，以便利用原絲杆前端軸承座。伺服（fú）電機通過電機座安裝在（zài）床鞍的後端，經過聯（lián）軸（zhóu）器與滾珠（zhū）絲杆相聯。

3 、伺服電（diàn）機的選擇

所選用的車床X 和Z 向伺服電機在轉動慣量和轉（zhuǎn）矩兩方麵需要進行計算，為了使係統的負載慣量達到較合理的匹配，折（shé）算到電機（jī）軸上的負載慣量Jr與電機（jī）本身的轉動慣量Jm的比值，應控製在一定範圍內，即（jí）0. 25≤Jr /Jm≤1 。

在X、Z 兩個（gè）方向的（de）進給係統中，由於Z 軸的行程大（dà），工作狀況差，現對Z 軸進給係統進行（háng）轉動慣量匹配計算。方法如下:

( 1) 折算到電機軸上的負載慣量Jr傳（chuán）動係統折算到電（diàn）機軸上的總轉動（dòng）慣量

式中: J1為小帶輪傳動（dòng）慣量;J2為大帶輪轉動慣量;Js為滾珠（zhū）絲杠慣量;Jw為負荷慣量。

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（mǐn）度及高的構件剛度，工作穩定、摩擦力小，並能清除傳動間隙。

滾珠絲杆的選用過程比（bǐ）較繁瑣。從已知的設計條件（jiàn）( 如定位精度、移（yí）動速度、行程、負荷、支撐方式等（děng）) 選擇適當的絲杆類別，經由（yóu）參考公（gōng）式一步步遵循選擇程序，找出符合設計要求的滾珠絲杠規格。

在滾珠絲杠選用後，應該進行承載能（néng）力校驗，包括滾珠絲杠螺母副屈服負荷Fc、臨界轉速nc、精度等方麵的校驗，最終確定滾珠（zhū）絲（sī）杠的型號。此改造使用的X 方向的（de）滾珠絲杠（gàng）型號為FFZD4006-3-P4 /1140 × 925，Z 方向的滾珠絲（sī）杠（gàng）型號為FFZD5010-3-P4 /2210 × 1840。現以X 軸為例，進行（háng）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。

根據圖1 得滾珠絲杠螺母副的最大（dà）受壓長度L1 =926 mm。

該機床（chuáng）工作台滾珠絲杠螺母副的（de）最大軸向壓縮載荷Fxmax = 3 660 N，小於其屈服負荷Fc的值，故滿足要求。

經計算，所選用的滾珠絲杠能滿足各項效驗要求。

5 、主傳動係統的改造

( 1) 主軸變頻係統

原機（jī）床主軸的速度通過手動換擋進行。為提高加工效率，充分發揮數控機床的特點，改造時，實現主軸自動（dòng）無（wú）級變速，在主軸上增加了交流異（yì）步電動機變頻調速係統。考（kǎo）慮到改（gǎi）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（dòng），由新增加的變頻器進行控製。WA-31D 數控係統向變頻器發出主（zhǔ）軸速度模擬控製（zhì）電壓( DC0 ～ 10 V) 和（hé）正反轉控製信號，從而控製主軸的轉速（sù）和旋向。係統選用的變頻（pín）器功率與主軸電機相同( 22 kW) 。

( 2) 主軸編碼器的安裝（zhuāng）

在主軸箱（xiāng）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（zhóu）等速旋轉。該C61100 車床主（zhǔ）傳動係統中，主軸與掛輪軸之間的（de）轉速正好為1∶ 1，拆除掛輪（lún）留出空間，安裝主軸編碼器，並通過一對傳動比為1∶ 1 的同步齒形帶與掛輪軸聯接起來（lái）。工作時，數控係統接受主軸編碼器的轉速信號，控製進給電機準確地配合主軸的旋轉而產生進給運動（dòng），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（diàn）動刀架置於中拖板上，下麵墊一塊與刀架（jià）等麵積的墊板，以使刀架上安裝40 × 40 的刀杆後，刀（dāo）尖（jiān）與主軸中心等（děng）高。轉動軸承蓋處的內六角螺孔，使刀（dāo）架轉動到約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，數控係統發出換刀控製指令（lìng），刀架（jià）電機正轉，使刀架（jià）旋轉，當到達預定刀位時，通過霍爾（ěr）元件（jiàn），向（xiàng）數控係統（tǒng）發出刀架到位信號，刀架電機反轉，鎖（suǒ）緊刀架後停止旋（xuán）轉。

7 、數控係統電氣接口

WA-901XT 數控係統具（jù）有普及型數控應有的功能，如手輪、圖形跟蹤和（hé）模（mó）擬、模擬量輸（shū）出、內置固定式PLC 等。WA-901XT 數控係統與控製（zhì）單元有關的各部件的聯接如圖2 所示。

( 1) 緊急停機

當數控係統運行（háng）出現緊急（jí）情況時（shí）應采取（qǔ）停機措施（shī）。在（zài）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（jiē）在係（xì）統XJ5 接口的P1 與P5 即可。

( 2) 參考點

該（gāi）數控係統在對刀後，能將對刀時刀尖的X、Z位（wèi）置設為（wéi）0，該位置即為機床參考點。並在斷電後重新上電時，準確記憶該位置，保證（zhèng）數控係統加工的精度及可（kě）靠性。因（yīn）而（ér），可以省去（qù）用2 個行程開關作為機床各（gè）坐（zuò）標（biāo）軸參考點的檢測器件，克服了使用行程開關尋（xún）找機床（chuáng）各坐標軸參考點可能產生的誤差。

( 3) 坐標軸的（de）限（xiàn）位（wèi）

為了保護機（jī）床的安全運（yùn）行，在機床縱橫坐標的兩個極（jí）限位（wèi），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控係統上，即可實現對各（gè）坐標軸的運動限位。設計時，使用限位行（háng）程開關（guān）的常閉觸點，當限位開關沒有（yǒu）被壓下時，係統接收到該信（xìn）號為（wéi）“1”; 當限（xiàn）位開關被壓下時，係統接收到該信號為“0”。這種接法消（xiāo）除了因線路開路而產生限位失靈現（xiàn）象，提高了限位電路的可靠性。

圖2 數控係統連接簡（jiǎn）圖

8、結束語

C61100 普（pǔ）通車床改造後，定位準確、可靠，操作簡便（biàn），實現了自動加工，穩定（dìng）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（xíng）件，增強（qiáng）了其適用性。改造後保留了原機床的基本結構，節約資金，縮短生產周期（qī），為同類機床的改造提供了參考。

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