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基於伺服電機的C61100 車床數控化改造

2015-1-31 來（lái）源：南通紡織（zhī）職業（yè）技術學院作者：丁錦宏

摘要: 闡述了車床數控化改造的方案與工作（zuò）原理。詳細論述了C61100 車床的進給係統和（hé）電氣係統（tǒng）的數控化改（gǎi）造過程。改造後的數控車床實現（xiàn）了自（zì）動加工，零（líng）件的加工質量穩定，加工工效大大提（tí）高，為企業進行數控化技術改造提供了途徑。

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，主要用於對較大回轉體零件的大功率（lǜ）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（duì）刀、尺寸的控製、主軸的控（kòng）製（zhì）等仍需要操作人員進（jìn）行手動操作，非常吃力，在勞動力緊缺和（hé）自動化（huà）水平大大提高的今天，已經不太適應形勢的發展。需（xū）要對該設備進（jìn）行數控化改造的企業十分多（duō）。

1 、數控化改造方案

加（jiā）工零件（jiàn）時，要（yào）求機床應完成的工作內容有（yǒu）: 能夠控製主軸正反轉，實現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（luó）紋加工功能;可安裝4 個（gè）刀具，並在轉動刀架後夾緊。為此，主要從4 個方麵進行改造 :

( 1) 進給係統

縱向進給係統改造方案為: 拆除原機床的掛輪係統、進給箱、溜板（bǎn）箱、快速進退裝置（zhì）、絲杠、光杠和操作杆。以伺服電機作為驅動元件，安裝減速箱、經同步帶輪（lún）減速（sù）( 2 ∶ 1) 增大轉矩後，由滾珠絲杠傳動。

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（diàn）機作為（wéi）驅動元件，將滾珠絲杠與伺服電機（jī）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（fù）雜的液壓係統手動（dòng）操作（zuò）進行的。考慮（lǜ）到加工過程中需要進行變速，手動操作變速需要機床停（tíng）止運（yùn）行，會直接影響加工效率，不利於發揮數控的效果。為（wéi）此，在主軸上增加變（biàn）頻器，實現主軸自動無級變速。同時，安裝（zhuāng）編碼器，向數控係統反饋主軸的實際轉速，使機床具有螺蚊切削功能。

( 3) 自動換刀

自動換刀功能是數控車床與普通車床的顯著區別（bié）之一。為此，必須拆除原普通（tōng）刀架，安（ān）裝四工位（wèi）電動刀（dāo）架。

( 4) 數控係統

數控係統在能滿足實際所需功能的（de）前（qián）提下，改造時有多種方案可（kě）供選擇: ( 1) 采用（yòng）國產品牌步進電機數控係統; ( 2) 采用（yòng）國產品（pǐn）牌伺服電機數控係統;( 3) 采用國外品牌步進電機數控係統（tǒng）; ( 4) 采用國外品牌伺服電機數控係統。經對（duì）比分析國內外數控係（xì）統在性能、檔次、價格等的不同後，C61100 車床的數控化改造采用（yòng）第（dì）2 方案。確定選用國內知名品牌華興WA-901XT 數控係統，配以伺服電機作為進給驅動（dòng）的方案。

2、進給傳（chuán）動係（xì）統的改造

縱向進給係統( Z 向) 以伺服電機作為驅動元件，通過同（tóng）步（bù）帶輪箱體（tǐ）安裝在原走（zǒu）刀箱（xiāng）的位置，經一級同步帶輪減速( 2. 5∶ 1) 後，由滾（gǔn）珠絲杠傳動。滾珠絲杠螺母（mǔ）副通過托（tuō）架安裝在床鞍底部，滾珠絲（sī）杠兩端分別支承在前端（duān）同步帶輪（lún）箱體（tǐ）和尾（wěi）部絲杠托架內。

橫向進（jìn）給係統( X 向) 以（yǐ）伺服電機作為驅動元件，將原來的普通絲（sī）杠更換為滾珠絲杆（gǎn），但需使滾珠絲杆的軸心線與原普通絲杠（gàng）的軸心線相同，以便利用（yòng）原絲杆前端軸承座。伺服電機通過電機座安裝在床鞍的後端，經過聯軸器與滾珠絲（sī）杆相（xiàng）聯。

3 、伺服電機的選擇

所（suǒ）選用的車床X 和Z 向伺服電機在轉動慣量和轉矩兩方麵（miàn）需要進行計算，為了（le）使係統的負載慣量達到（dào）較合理的匹配，折算到電機軸上的負載慣量Jr與電機本身的轉動慣量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）方向的進給係統中，由（yóu）於Z 軸的行（háng）程大，工作狀況差，現對Z 軸（zhóu）進給係統進行轉動慣量匹配計算。方法如下:

( 1) 折算到電機軸上（shàng）的負載（zǎi）慣量Jr傳動係統折算到電機軸上（shàng）的總轉動慣量

式中: J1為小帶輪傳動慣（guàn）量;J2為大帶（dài）輪轉動慣量（liàng）;Js為（wéi）滾珠絲杠慣量;Jw為負荷慣量。

同理，橫向伺服電機確（què）定為110SM05030。

4 、滾珠絲杠（gàng）的選用及（jí）驗（yàn）算

采（cǎi）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，工作穩定、摩擦力小，並能清除傳動間隙（xì）。

滾珠絲杆的選用過程比較繁瑣。從已知（zhī）的設計條件( 如定位精度（dù）、移動速（sù）度、行程、負荷、支撐方式（shì）等) 選擇適當的絲杆類別，經由參考公（gōng）式一步步遵循選擇程序，找出符合設計要求的滾珠（zhū）絲杠規格。

在滾珠絲杠選用後，應該進（jìn）行承載能力校驗，包括滾珠絲杠螺母副屈（qū）服（fú）負荷Fc、臨界轉速nc、精度等方麵的校驗，最終確定滾珠絲杠的型號。此改造（zào）使用的X 方向的滾（gǔn）珠絲杠型號為（wéi）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（lì），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。

根據圖1 得滾珠絲（sī）杠螺母副的最大受壓長度L1 =926 mm。

該機床工作台滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷Fxmax = 3 660 N，小於其屈服負（fù）荷Fc的值，故（gù）滿足要求。

經（jīng）計算，所選用的滾（gǔn）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（xì）統

原機床主軸（zhóu）的速度通過手動（dòng）換（huàn）擋進行。為提高加工效率，充分發（fā）揮數控機床的特點，改造時，實現（xiàn）主軸自動無級變速，在主軸上增加了交流異（yì）步電動機變頻調速係統。考慮（lǜ）到改造（zào）的經濟性，仍使用機床原有的普通三相異（yì）步（bù）交流電動機拖動，由新增加的變頻器進行（háng）控製。WA-31D 數控係統向變頻器發出主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向。係統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（zhǔ）軸箱上安裝主軸（zhóu）編碼器，使機（jī）床具有螺蚊切削功能（néng）。改裝時，需保證主軸編碼器與主軸等速旋轉（zhuǎn）。該C61100 車床主傳動係統中，主軸與（yǔ）掛輪軸之間的轉速正好為1∶ 1，拆除掛輪留出空間，安裝主軸編碼器，並通過一對傳動比為1∶ 1 的同步（bù）齒（chǐ）形帶與掛輪軸（zhóu）聯接起來。工作時，數控係統接受主軸（zhóu）編碼（mǎ）器的轉速信號，控製進給電機（jī）準確（què）地配合主軸的旋轉而產生進給（gěi）運動，從而進行螺紋切削。

6 、刀架（jià）的改造

選用四工位（wèi）電（diàn）動刀架（jià）LD4-6163。安裝時，卸掉原機床小拖板和方刀架，將電動刀（dāo）架置於中拖板上，下麵墊一塊（kuài）與刀架等麵積的墊板，以使刀架上安裝40 × 40 的刀杆後（hòu），刀尖與主軸中心等（děng）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（dì）裝上固定螺釘，將刀（dāo）架和墊板固定。當加（jiā）工過程中需要換刀時，數控係統（tǒng）發出換刀控製指令，刀架（jià）電機正轉（zhuǎn），使刀架旋轉，當到達預定刀位時，通過霍爾（ěr）元件，向數控係統發出刀架到位（wèi）信號，刀架電機反轉，鎖緊刀架後停（tíng）止旋轉。

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（gōng）能，如手輪、圖形（xíng）跟蹤和模擬、模擬量輸出、內置固定式PLC 等。WA-901XT 數控係統與控製單元有關的各部件的聯接如圖2 所示。

( 1) 緊急停機

當數控係統運行出現緊急情況時應采取停機措施。在改造過程中，為確保（bǎo）急停功能的可靠性，在機床上增置一個（gè）緊急停機開關，接在係統XJ5 接口的P1 與（yǔ）P5 即可（kě）。

( 2) 參考點

該（gāi）數控係統在對刀後，能（néng）將對刀時刀尖的（de）X、Z位置設為0，該位置即為機床參考點。並（bìng）在斷電後重新上電時，準確記憶該位置，保證數控係（xì）統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（chuáng）各坐標軸（zhóu）參考點的檢測器件，克服了使用（yòng）行（háng）程開關尋找機床各坐標軸參考點可能產生的誤差。

( 3) 坐標軸的限位

為（wéi）了保護機床的安全運行，在機床縱橫坐標的兩個極限（xiàn）位，各設（shè）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，即可實現對各坐標軸的運（yùn）動限位。設（shè）計（jì）時，使用限位行程開關的常閉觸點，當限位開（kāi）關沒有被壓下時（shí），係統接收到該（gāi）信號為“1”; 當限位開關被壓下時，係統接收到（dào）該（gāi）信號為“0”。這種（zhǒng）接法消除了因線（xiàn）路開路而產生限位（wèi）失靈現象，提高（gāo）了（le）限位電路的可靠性。

圖2 數控係統連（lián）接簡圖

8、結束語

C61100 普通車床改造後，定位準確、可靠，操作簡便，實現了自動（dòng）加工，穩定了零件的加（jiā）工質量，大大提高（gāo）了加工工效。同時，可方便地加（jiā）工多種異形（xíng）件，增強了（le）其適用性。改造後保留了原機床的（de）基本結構，節約資金，縮（suō）短生產周期，為（wéi）同類機床的改造提供了參考。

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