基於伺服電機的C61100 車床數（shù）控化改造
2015-1-31 來源： 南（nán）通紡織（zhī）職業（yè）技術學院 作（zuò）者：丁錦宏
摘（zhāi）要: 闡述了車床數控化改造的方案與工作原理（lǐ）。詳細論述了C61100 車床的（de）進給係統和電氣係統的數控化改造過程。改造後的數控車床實現（xiàn）了自（zì）動加工，零件的加工（gōng）質量穩定（dìng），加工工效大（dà）大（dà）提高，為企業進行數（shù）控（kòng）化技術改（gǎi）造提供了途徑。
C61100 車床的回轉（zhuǎn）直徑為1 100 mm，兩頂尖（jiān）間距離為1 500 mm，主軸功（gōng）率為22 kW，主要用（yòng）於對較大回轉體零件的大功率強力切（qiē）削加（jiā）工。雖然有切削自動走刀和自動快（kuài）進、快退功能，但（dàn）機（jī）床的對刀、尺寸的控（kòng）製、主軸（zhóu）的控（kòng）製等仍需要操作人員（yuán）進行手動操作，非常吃力，在勞動力緊缺和自動化（huà）水平大（dà）大提高的今天，已（yǐ）經不太適應形勢的（de）發展。需要對該設備進行數控化改造（zào）的企業十（shí）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（nèi）容有: 能夠（gòu）控製主軸正反轉，實（shí）現不同切削速度的（de）變速; 刀具能實現縱（zòng）向、橫向的進給運動; 具有螺紋加工功能;可安裝4 個刀具，並在轉動刀架後（hòu）夾緊。為（wéi）此，主（zhǔ）要從4 個方麵進行改造 :
( 1) 進給係統
縱向進給係統（tǒng）改造方案為: 拆除原機床的掛輪係統、進給箱、溜板箱、快速進退（tuì）裝置、絲杠、光杠和操作杆（gǎn）。以伺服電機作為（wéi）驅動元件，安裝減速箱、經同步帶輪減速（sù）( 2 ∶ 1) 增大轉矩後，由滾珠絲杠傳動。
橫向進給係統改造方案為（wéi）: 拆除原機床的普通絲杠、安（ān）裝電（diàn）機座，以伺服電機作為驅動元件，將滾珠絲杠與伺服電機直接聯接，由滾珠絲杠傳動。
( 2) 主傳動係（xì）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（gōng）過程中需要進行變速，手（shǒu）動操作變速需要機床停止運（yùn）行，會直接影響加工效率，不（bú）利於（yú）發揮數控的效果。為此（cǐ），在主軸上增加（jiā）變頻（pín）器，實現主（zhǔ）軸自動無級變速。同時，安裝編碼器，向數控係統反饋主軸的（de）實際轉速，使（shǐ）機床具有螺蚊切（qiē）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之一。為此，必（bì）須拆除原普通刀架（jià），安裝四工位電動（dòng）刀架。
( 4) 數控係統
數控係（xì）統在能滿足實際所（suǒ）需功能的前提下，改造時有多種方案可供選擇: ( 1) 采用國產品牌步（bù）進電機數控係統; ( 2) 采用國產品牌伺服電機數控係統;( 3) 采用國外品牌步進電機數控（kòng）係（xì）統; ( 4) 采用國外品牌伺服電機數控係（xì）統。經（jīng）對比分（fèn）析國內外數控（kòng）係統在性（xìng）能、檔（dàng）次、價格（gé）等的不同後，C61100 車床的數控化改造采用第2 方案（àn）。確定選用國內知名品牌（pái）華興WA-901XT 數控係統（tǒng），配以伺服電機作為進給驅動的方案。
2、 進給傳動係統的（de）改造
縱向進給係（xì）統( Z 向) 以伺服電機作為驅動元（yuán）件，通過同步帶輪（lún）箱體安裝在原走刀箱的位置（zhì），經一級同步帶（dài）輪減速( 2. 5∶ 1) 後，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（bù），滾珠絲杠兩端分別支承在前端同步帶輪箱體和尾（wěi）部（bù）絲杠托架內。
橫向進給係（xì）統( X 向) 以伺服電機作為驅動元件，將原來的普通絲杠更（gèng）換為（wéi）滾珠絲杆，但需使滾（gǔn）珠絲杆的軸心線與原普通（tōng）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（zhuāng）在（zài）床鞍的後端，經過聯軸器（qì）與滾珠絲杆（gǎn）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（zài）轉動慣量和轉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（pǐ）配，折算到電機軸上的負載慣量Jr與電機本身的（de）轉動慣量Jm的比值，應控製在（zài）一定範圍內，即0. 25≤Jr /Jm≤1 。
在X、Z 兩個方向的（de）進給係統中，由於Z 軸的行程大，工作狀況差，現（xiàn）對（duì）Z 軸進（jìn）給係（xì）統進行轉動慣量匹配計算。方法如下:
( 1) 折算到電機軸上的（de）負載慣量Jr傳動係統折算到電機軸上的總轉動慣量
式中（zhōng）: J1為小帶輪傳動慣量;J2為大帶輪轉動慣量;Js為滾珠（zhū）絲（sī）杠慣量;Jw為負（fù）荷慣量。
同理，橫向伺服電機確定為110SM05030。
4 、滾珠絲杠的（de）選用及驗算（suàn）
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，工作穩定（dìng）、摩擦力小，並能清除傳動間隙。
滾珠絲（sī）杆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（děng）) 選擇（zé）適當的絲杆類別，經由參（cān）考公式（shì）一步步遵（zūn）循選擇程序，找出符（fú）合設計要（yào）求的滾珠絲杠（gàng）規格（gé） 。
在滾珠（zhū）絲杠選用後，應（yīng）該進行承載能力校驗（yàn），包括滾珠絲杠螺母（mǔ）副屈服負荷Fc、臨界（jiè）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（gǎi）造使用的X 方向的滾珠（zhū）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 軸為例，進行X 軸滾珠絲（sī）杠屈服負荷的校驗。
圖 1 為C61100 車床X 向絲杠（gàng）計算（suàn）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最大軸向壓縮（suō）載荷Fxmax = 3 660 N，小於其屈服負荷Fc的值，故（gù）滿足（zú）要求。
經計算，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（zhóu）變頻係（xì）統
原機（jī）床主（zhǔ）軸的速度通過手動換擋進行。為提高加工效率，充分發揮（huī）數控機床的特點，改（gǎi）造（zào）時，實（shí）現主軸自動（dòng）無級變速，在主軸上（shàng）增加了交流異步電動（dòng）機變頻調（diào）速係（xì）統。考慮到改造的經濟性（xìng），仍使用機床原有的普（pǔ）通三相（xiàng）異步交流電動機拖動，由新（xīn）增加的變頻器進行控製。WA-31D 數控係統向變頻器發出主軸速（sù）度模擬控製電壓( DC0 ～ 10 V) 和正反轉控製信號，從而控製（zhì）主軸的（de）轉速和旋向。係統選用的變頻（pín）器（qì）功率（lǜ）與主軸電（diàn）機相同( 22 kW) 。
( 2) 主軸編碼器的（de）安裝
在主（zhǔ）軸箱上安裝主軸編碼器，使機床具（jù）有螺蚊切削功能（néng）。改裝時，需保證主軸編（biān）碼器與主軸等速旋轉。該C61100 車床主傳動係統中，主軸與掛輪軸之間的轉速（sù）正好為1∶ 1，拆除掛輪留出空間，安裝主（zhǔ）軸編碼器，並通過一對傳動比為（wéi）1∶ 1 的同步（bù）齒形帶與掛輪（lún）軸聯接起來。工作時，數控係統接受主軸編碼器的轉速信號，控製（zhì）進給電機準確地配合主軸的旋轉而（ér）產生進給運動，從（cóng）而（ér）進行（háng）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（yuán）機床小拖板（bǎn）和方刀架，將電動刀架置於中拖板上，下麵墊一塊與刀架等麵積的墊板，以使刀架上安裝40 × 40 的（de）刀杆後，刀尖與主軸中（zhōng）心等高。轉動軸承蓋處的內六角螺孔，使（shǐ）刀架轉動到約45°時，可以方便地裝上固定螺釘，將（jiāng）刀架（jià）和墊板固定。當加工過（guò）程中需要換刀（dāo）時，數控係統發出換刀控製指令（lìng），刀架電機正轉，使刀架旋轉，當到達預定刀位時，通過霍（huò）爾元件，向數控係統發出刀架到位信號，刀架電機反轉，鎖（suǒ）緊刀架後停止旋轉。
7 、數控係統電氣接口
WA-901XT 數控係統具（jù）有（yǒu）普及型數控應有的（de）功（gōng）能，如手輪、圖形跟蹤和模擬、模（mó）擬量（liàng）輸出、內置固定式PLC 等。WA-901XT 數控（kòng）係（xì）統與控製單元有關的各部件的聯接（jiē）如圖2 所（suǒ）示。
( 1) 緊急停機（jī）
當數控係統運行出現緊急情況時應采（cǎi）取停機措施。在改造（zào）過程中，為確保急停功能的（de）可靠性，在機床（chuáng）上增置一個緊急停機開關，接（jiē）在係統（tǒng）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位置設為0，該位置即為機（jī）床參考點。並在斷電後重新上電時，準確記憶該位（wèi）置（zhì），保證數控係統加工的精度及可靠性。因而，可以（yǐ）省去用2 個行程開關作為機床各坐標軸參考點（diǎn）的檢測器件，克服了使用行程（chéng）開關尋找（zhǎo）機床各坐（zuò）標軸（zhóu）參考點可能產生的誤差。
( 3) 坐標軸的限位
為了保（bǎo）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（gè）行程開（kāi）關和機（jī）械撞塊。將各行程開關的信號線接到數控係統上（shàng），即可實現對各（gè）坐標軸的運動限位。設計時，使用限位行程開關的常（cháng）閉觸點，當限位開（kāi）關沒有（yǒu）被壓下時，係統接（jiē）收到（dào）該信號為“1”; 當限位開關被（bèi）壓（yā）下（xià）時，係統接（jiē）收到該信號為（wéi）“0”。這種接法消除了因線路開（kāi）路而（ér）產生限位失靈現象，提高了（le）限（xiàn）位電路的可靠性（xìng）。
圖2 數控係統連接簡圖
8、 結束語
C61100 普（pǔ）通車床改造後，定位準確（què）、可（kě）靠，操作簡便，實現了（le）自動加工（gōng），穩定了零件的加工（gōng）質量，大大提高（gāo）了加工工效。同時，可方便（biàn）地（dì）加工（gōng）多種異（yì）形件，增強了其（qí）適用性。改造後（hòu）保留了原機床的基本結構，節約資金，縮短生產周期，為同類機床的改造提供了參考。
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