帶 C 軸光柵尺的數(shù)控車削中心應(yīng)用分析
2017-5-31 來源：德州德隆 ( 集團(tuán)) 機(jī)床有限責(zé)任公司 作者：鄭翠翠，李樂
摘要: 在數(shù)控車削中心 C 軸定位中增加圓光柵全閉環(huán)功能，通過定位阻尼增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了提高機(jī)床整體加工性能，在伺服主電機(jī) ( 主傳動) 的輸出軸增加 ZF 減速機(jī)，不僅使 C 軸作為聯(lián)動軸在車削過程中具有低速大扭矩，而且大大提高了機(jī)床的加工精度。同時，數(shù)控系統(tǒng)采用西門子 828D，通過準(zhǔn)確、精密的智能控制使機(jī)床加工性能更加完善。
關(guān)鍵詞: 數(shù)控車削中心; C 軸; 圓光柵; 加工精度
目前，數(shù)控機(jī)床在加工精度與車削速度上的要求越來越高。數(shù)控車削中心主軸夾持工件旋轉(zhuǎn)時，有時需要對其旋轉(zhuǎn)位置有精確定位。這時，開環(huán)、半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)就已經(jīng)達(dá)不到加工要求。機(jī)床的加工精度除了由機(jī)床本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)精度決定外，光柵尺的精度也是關(guān)鍵性元素之一。光柵尺作為數(shù)控系統(tǒng)的位置檢測元件［2］，檢測機(jī)床的直線軸或者旋轉(zhuǎn)軸的實(shí)際位移是否與數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令相符。
旋轉(zhuǎn)軸配光柵尺 ( 相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)編碼器) ，使機(jī)床工作精度大大提高，這種配置可以使機(jī)床加工具有高分辨率，并且大大提高機(jī)床本身的抗干擾性。圓光柵采用的制作材料是玻璃，使系統(tǒng)具有絕緣性、防爆性、抗地磁干擾性、耐高溫等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)多種惡劣環(huán)境，不影響機(jī)床加工精度［3］。所以，數(shù)控加工中心進(jìn)給軸使用光柵尺進(jìn)行定位很有必要。
1. 數(shù)控車削中心普通車削中心
C 軸采用半閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行定位，也就是使用電機(jī)編碼器，其 C 軸結(jié)構(gòu)見圖 1、2。
圖 1 車削中心 C 軸結(jié)構(gòu)圖 (一)
圖 2 車削中心 C 軸結(jié)構(gòu)圖 (二)
2.圓光柵應(yīng)用及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置
2. 1 圓光柵功能介紹
德國海德漢公司生產(chǎn)的內(nèi)置軸承 ERA 系列角度編碼器采用實(shí)心光柵鼓［4］。安裝在機(jī)床主軸上可以實(shí)現(xiàn)高速主軸，且定位準(zhǔn)確、滿足大直徑空心軸要求，軸速最高可達(dá) 10 000 min－ 1。ERA4480C 主軸圓光柵尺的信號周期為 40 μm，1Vpp 增量信號，系統(tǒng)精度為 20 000 ± 3. 2' ( 線數(shù)) 。此型號光柵尺與西門子 828D 系統(tǒng)配合使用，主軸準(zhǔn)確定位可達(dá)到 0. 007 8° ( 實(shí)測數(shù)值)［5］。
2. 2 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置
機(jī)床使用的數(shù)控系統(tǒng)為 SIEMENS 828D SL，其中 C 軸加入圓光柵時，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)時需要注意一下參數(shù) 30200 是編碼器的數(shù)量; 31000 = 1 表示的是光柵尺; 30240 ［0］ = 1; 30240 ［1］ = 0。關(guān)于其他與光柵尺有關(guān)的參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際車削精度作改動。
2. 3 數(shù)控車削中心應(yīng)用
2. 3. 1 機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化
以數(shù)控車削中心為研究對象，對 C 軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)控車削中心主軸電機(jī)傳動結(jié)構(gòu)中，將光柵尺安裝在床頭箱端面［6］，電機(jī)與主軸傳送帶之間增加ZF 減速機(jī) ( 如圖 3 所示) ，使主軸在低速車削時具有大扭矩，同時當(dāng) C 軸車削做回擺運(yùn)動時，定位精度大大提高。除此外，在機(jī)床圓光柵 C 軸加入了阻尼 ( C 軸阻尼) 。這種結(jié)構(gòu) ( 如圖 4 所示) 大大減少了機(jī)床在車削過程中的抖動，機(jī)床可以做到精準(zhǔn)停，停擺精度可以達(dá)到 1% 。阻尼夾持器的安裝需要對稱，兩邊的加持力度才平衡［7］，C 軸定位精度才越高。
圖 3 結(jié)構(gòu)主視圖
圖 4 結(jié)構(gòu)后視圖
2. 3. 2 試車加工精度分析
對工件進(jìn)行圓弧加工，工件如圖 5 所示。隨機(jī)選擇優(yōu)化前與優(yōu)化后工件經(jīng)三坐標(biāo)進(jìn)行檢測。5圖 5 零件圖選用特殊刀具對以上工件內(nèi)弧進(jìn)行加工［8］，要求工件加工精度小于等于 0. 01°。隨機(jī)挑選
7 件零件分別在普通機(jī)床與優(yōu)化后的機(jī)床上進(jìn)行車削，前后工件加工精度誤差結(jié)果見表 1。表 1 工件加工精度表 ( °)
3.結(jié)果
從數(shù)控車削中心 C 軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化前與優(yōu)化后數(shù)據(jù)對比中可以得出: 優(yōu)化后，工件的加工精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于優(yōu)化前。因此在 C 軸加入光柵尺、通過定位阻尼增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以提高機(jī)床的整體加工性能，大大提高機(jī)床加工精度。
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