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基於伺服電機（jī）的C61100 車床（chuáng）數（shù）控化改造

2015-1-31 來（lái）源：南通紡織職業技術學院（yuàn）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數控化改造過程。改造後的數（shù）控車床實現（xiàn）了自（zì）動加工，零件的加工質量穩定，加工（gōng）工效大大提高（gāo），為企業進（jìn）行數控化技（jì）術改造提供了途徑。

C61100 車床的回轉直徑為1 100 mm，兩頂尖間距離為1 500 mm，主軸功率為22 kW，主要用於對較（jiào）大回轉體零件（jiàn）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（chuáng）的對刀、尺寸的控製、主軸的控製等（děng）仍需要操作人員進行手動操作，非（fēi）常吃力，在勞動力緊缺和（hé）自動（dòng）化水平大大提高的今天（tiān），已經不太適應形（xíng）勢的發展。需要對該設備進行數控（kòng）化（huà）改造的企業十分多（duō）。

1 、數控化改（gǎi）造方案

加工零件時，要求機床應完成的工作（zuò）內容有: 能夠控製（zhì）主軸正反轉，實（shí）現不同切削（xuē）速度的變（biàn）速; 刀具能實現縱向、橫向（xiàng）的進給運動; 具有螺紋加（jiā）工功能;可安裝4 個刀具（jù），並在轉動刀架後夾緊。為此，主要從4 個方麵進行改造 :

( 1) 進（jìn）給係統

縱向進給（gěi）係（xì）統改造方（fāng）案（àn）為: 拆除原機床的掛輪係統、進給箱、溜板箱、快（kuài）速進退裝置、絲杠、光杠和操作杆。以伺服電（diàn）機作為驅動元件，安裝減速箱、經同步帶輪減速（sù）( 2 ∶ 1) 增大轉矩後，由滾珠絲杠傳（chuán）動。

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

( 2) 主傳動係統

原車床主軸速度的變化是通過複雜的液壓係統手動操作進行的。考慮到加工過程中需（xū）要進行變速（sù），手動操作變速需要機床停止運行，會直接影響加工效率，不利於（yú）發揮數（shù）控（kòng）的效（xiào）果。為（wéi）此，在（zài）主軸上增加變頻器，實現主軸自（zì）動（dòng）無級變速。同時，安裝編碼器，向數控係（xì）統（tǒng）反饋主軸的實際轉（zhuǎn）速（sù），使機床具有螺蚊切（qiē）削功能。

( 3) 自動（dòng）換刀（dāo）

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

( 4) 數控（kòng）係統

數控係統（tǒng）在能滿（mǎn）足實際所需（xū）功能的前（qián）提下，改造時有多種方（fāng）案可供選擇: ( 1) 采用國產品牌步進（jìn）電機數控係統; ( 2) 采用國產品牌（pái）伺服電機數控係統;( 3) 采用國外品牌步進電機數控係統; ( 4) 采用國外品牌伺服電機數控係統。經對比（bǐ）分析國內外數控係統在性能、檔次、價格等的不同（tóng）後，C61100 車床的（de）數（shù）控化改造采用第2 方案（àn）。確定選（xuǎn）用國內知名品（pǐn）牌華興WA-901XT 數控係統，配以伺服（fú）電機作為進給驅動的方案。

2、進給傳動係統的改造

縱向進給係統( Z 向) 以伺服電機作（zuò）為驅（qū）動元件，通過同步帶輪（lún）箱（xiāng）體安裝在原走刀箱的位（wèi）置，經一級同步帶輪減速( 2. 5∶ 1) 後，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（dǐ）部，滾珠絲杠兩端分別支承在前端同步帶輪箱體和尾部（bù）絲杠托架內。

橫向進給係統( X 向) 以伺服電機作（zuò）為驅動元件，將原來的普通（tōng）絲杠更換為滾（gǔn）珠絲杆，但需使滾珠絲杆的（de）軸（zhóu）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（sì）服電機通過電機座安裝在床鞍的後（hòu）端，經過（guò）聯軸器與滾珠絲杆相聯。

3 、伺服電機的選擇

所選用的車床X 和Z 向伺服電機在轉動慣量和轉矩兩方麵需要進行計算，為了使係統的負（fù）載慣量達（dá）到（dào）較合（hé）理的匹配，折算到電機軸上的負載慣量Jr與電機（jī）本身的轉動慣量（liàng）Jm的比值，應（yīng）控製在一定範圍內，即0. 25≤Jr /Jm≤1 。

在X、Z 兩個（gè）方向的進（jìn）給係統中，由於Z 軸的行程大，工作狀況（kuàng）差，現對（duì）Z 軸（zhóu）進給係統進行轉動慣量匹配計算。方法如下:

( 1) 折算到（dào）電（diàn）機軸上的負載慣（guàn）量Jr傳動係統折算到電機軸上的總轉動慣量

式中: J1為小（xiǎo）帶輪傳動慣量（liàng）;J2為大（dà）帶（dài）輪轉動慣量;Js為滾珠絲杠慣量;Jw為負荷慣量。

同理，橫向伺服電機確定為110SM05030。

4 、滾（gǔn）珠絲杠的選用及（jí）驗算

采用滾珠絲杠副具有高的（de）傳動精（jīng）度、高的靈敏度及高的（de）構件剛度，工作穩定、摩擦（cā）力（lì）小，並能清（qīng）除傳（chuán）動間隙。

滾珠絲杆的選用過程（chéng）比較繁瑣。從已知的設計條件( 如定位（wèi）精度、移動速度、行程（chéng）、負荷、支撐（chēng）方（fāng）式等) 選擇適當的（de）絲杆類別，經由參考公式（shì）一步步遵循選擇程序，找出符合設計要求（qiú）的滾珠絲杠（gàng）規格。

在（zài）滾珠絲杠選用後，應該進行承載能（néng）力校驗，包括滾珠（zhū）絲杠（gàng）螺母副屈服負荷Fc、臨界轉速nc、精度等方麵的（de）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。現以X 軸為（wéi）例，進行X 軸滾珠絲杠屈服負荷（hé）的校驗。

圖 1 為（wéi）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受壓長度L1 =926 mm。

該機床工作台滾珠（zhū）絲杠螺母（mǔ）副的最大軸向壓縮載（zǎi）荷Fxmax = 3 660 N，小於其屈服負荷Fc的值，故滿足要求。

經計算，所（suǒ）選用的滾珠絲杠（gàng）能滿足各項效（xiào）驗要（yào）求。

5 、主傳動係統的改造

( 1) 主軸變頻係統

原機（jī）床主軸（zhóu）的速度通過手動換擋進行。為提高加工（gōng）效率，充分（fèn）發揮數控機床的特（tè）點，改造時，實現主（zhǔ）軸自動無級變速，在主軸上增加（jiā）了交流異步電動機變頻調速（sù）係統。考慮到改造的經濟（jì）性，仍使用機（jī）床原有的普通三（sān）相異步交流電動機拖動，由新增加的變頻器進行控製。WA-31D 數控係統向變（biàn）頻器發出主（zhǔ）軸速度模擬控製電壓( DC0 ～ 10 V) 和正反轉控製信號，從而控製主軸的轉速和旋（xuán）向。係統選（xuǎn）用的變頻器（qì）功率與主軸電機相（xiàng）同( 22 kW) 。

( 2) 主軸編碼器的安（ān）裝

在主軸箱上安裝（zhuāng）主軸編碼器，使機床具（jù）有螺（luó）蚊（wén）切削功能（néng）。改裝時，需保證主軸編碼器與主（zhǔ）軸等速旋轉（zhuǎn）。該C61100 車床主傳動係統中，主軸與掛輪（lún）軸之間的轉速正好為1∶ 1，拆除掛輪留出空間，安裝主軸（zhóu）編碼器，並通（tōng）過（guò）一對傳動比為1∶ 1 的同步齒形帶（dài）與掛（guà）輪軸聯接起來。工作（zuò）時，數控係統接受主（zhǔ）軸編碼器的轉速信號，控製進給（gěi）電機準確地配合主軸的旋轉而產生進給運（yùn）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（chuáng）小拖板和方（fāng）刀架，將電動刀架（jià）置於中拖（tuō）板上，下麵墊一塊與刀（dāo）架等麵積的墊板，以使刀架上安裝40 × 40 的刀杆後，刀尖與主軸中心等高。轉動軸承蓋處的內六角螺孔（kǒng），使刀架轉動到約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（xū）要換刀時，數控係統發出換刀控製指令，刀架（jià）電機正轉，使刀架旋轉，當到達預定刀（dāo）位時，通過霍爾元件，向數控係統發（fā）出刀架（jià）到位信號，刀架電機反轉，鎖緊（jǐn）刀架後停止旋轉。

7 、數控係統電氣接口

WA-901XT 數（shù）控係統具有普及型數控應有的功能，如手輪、圖形跟（gēn）蹤（zōng）和模擬、模擬量輸出、內置固（gù）定式PLC 等。WA-901XT 數控係統（tǒng）與控製單元有關的（de）各部（bù）件（jiàn）的聯接如圖2 所示。

( 1) 緊急停機

當（dāng）數控係統運行出現緊急（jí）情況時（shí）應采取（qǔ）停機措施。在改造過程中，為確保急（jí）停功能的可靠（kào）性，在機床上增置一個緊急停機開關，接在係統XJ5 接口的P1 與P5 即可。

( 2) 參考點

該數控係統在對刀後，能將對刀時刀尖的X、Z位置設（shè）為0，該位置即為機床參（cān）考點。並在斷電後重新上電時，準確記憶該位置，保證數控係統加工的精度及可靠性（xìng）。因而，可以省去用2 個行程開關作為機床各坐標（biāo）軸參考點的檢測（cè）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生的誤差。

( 3) 坐標軸的限（xiàn）位

為了保護機床的（de）安全運行（háng），在機床（chuáng）縱橫坐標的兩個極（jí）限（xiàn）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）控係統上，即（jí）可實現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（méi）有被（bèi）壓下時，係統接收到該信號為“1”; 當限位開關被壓下時，係統接收（shōu）到該信號為“0”。這種（zhǒng）接法消除（chú）了因線路（lù）開路而產生限位失靈現象，提高了限位電路的可靠（kào）性。

圖2 數控係統（tǒng）連接簡圖

8、結（jié）束語

C61100 普通車床改造後，定位準確、可（kě）靠（kào），操作簡便，實現了自動加工（gōng），穩定了零件的加（jiā）工質量，大大提高了（le）加（jiā）工（gōng）工效。同時，可方便地加工多種異形件，增強了其適用性。改造後保留了原（yuán）機床的基本結構，節（jiē）約資金，縮短生產周期，為同類機床的改造提供（gòng）了參考。

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