基于伺服電機的C61100 車床數控化改造
2015-1-31 來源： 南通紡織職業技術學院 作者：丁錦宏
摘要: 闡述了車床數控化改造的方案與工作原理。詳細論述了C61100 車床的進給系統和電氣系統的數控化改造過程。改造后的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，主要用于對較大回轉體零件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，但機床的對刀、尺寸的控制、主軸的控制等仍需要操作人員進行手動操作，非常吃力，在勞動力緊缺和自動化水平大大提高的今天，已經不太適應形勢的發展。需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: 能夠控制主軸正反轉，實現不同切削速度的變速; 刀具能實現縱向、橫向的進給運動; 具有螺紋加工功能;可安裝4 個刀具，并在轉動刀架后夾緊。為此，主要從4 個方面進行改造 :
( 1) 進給系統
縱向進給系統改造方案為: 拆除原機床的掛輪系統、進給箱、溜板箱、快速進退裝置、絲杠、光杠和操作桿。以伺服電機作為驅動元件，安裝減速箱、經同步帶輪減速( 2 ∶ 1) 增大轉矩后，由滾珠絲杠傳動。
橫向進給系統改造方案為: 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，將滾珠絲杠與伺服電機直接聯接，由滾珠絲杠傳動。
( 2) 主傳動系統
原車床主軸速度的變化是通過復雜的液壓系統手動操作進行的。考慮到加工過程中需要進行變速，手動操作變速需要機床停止運行，會直接影響加工效率，不利于發揮數控的效果。為此，在主軸上增加變頻器，實現主軸自動無級變速。同時，安裝編碼器，向數控系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之一。為此，必須拆除原普通刀架，安裝四工位電動刀架。
( 4) 數控系統
數控系統在能滿足實際所需功能的前提下，改造時有多種方案可供選擇: ( 1) 采用國產品牌步進電機數控系統; ( 2) 采用國產品牌伺服電機數控系統;( 3) 采用國外品牌步進電機數控系統; ( 4) 采用國外品牌伺服電機數控系統。經對比分析國內外數控系統在性能、檔次、價格等的不同后，C61100 車床的數控化改造采用第2 方案。確定選用國內知名品牌華興WA-901XT 數控系統，配以伺服電機作為進給驅動的方案。
2、 進給傳動系統的改造
縱向進給系統( Z 向) 以伺服電機作為驅動元件，通過同步帶輪箱體安裝在原走刀箱的位置，經一級同步帶輪減速( 2. 5∶ 1) 后，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，滾珠絲杠兩端分別支承在前端同步帶輪箱體和尾部絲杠托架內。
橫向進給系統( X 向) 以伺服電機作為驅動元件，將原來的普通絲杠更換為滾珠絲桿，但需使滾珠絲桿的軸心線與原普通絲杠的軸心線相同，以便利用原絲桿前端軸承座。伺服電機通過電機座安裝在床鞍的后端，經過聯軸器與滾珠絲桿相聯。
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面需要進行計算，為了使系統的負載慣量達到較合理的匹配，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，應控制在一定范圍內，即0. 25≤Jr /Jm≤1 。
在X、Z 兩個方向的進給系統中，由于Z 軸的行程大，工作狀況差，現對Z 軸進給系統進行轉動慣量匹配計算。方法如下:
( 1) 折算到電機軸上的負載慣量Jr傳動系統折算到電機軸上的總轉動慣量
式中: J1為小帶輪傳動慣量;J2為大帶輪轉動慣量;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、高的靈敏度及高的構件剛度，工作穩定、摩擦力小，并能清除傳動間隙。
滾珠絲桿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) 選擇適當的絲桿類別，經由參考公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 。
在滾珠絲杠選用后，應該進行承載能力校驗，包括滾珠絲杠螺母副屈服負荷Fc、臨界轉速nc、精度等方面的校驗，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 軸為例，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 得滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度L1 =926 mm。
該機床工作臺滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷Fxmax = 3 660 N，小于其屈服負荷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 、主傳動系統的改造
( 1) 主軸變頻系統
原機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，實現主軸自動無級變速，在主軸上增加了交流異步電動機變頻調速系統。考慮到改造的經濟性，仍使用機床原有的普通三相異步交流電動機拖動，由新增加的變頻器進行控制。WA-31D 數控系統向變頻器發出主軸速度模擬控制電壓( DC0 ～ 10 V) 和正反轉控制信號，從而控制主軸的轉速和旋向。系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
在主軸箱上安裝主軸編碼器，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等速旋轉。該C61100 車床主傳動系統中，主軸與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，并通過一對傳動比為1∶ 1 的同步齒形帶與掛輪軸聯接起來。工作時，數控系統接受主軸編碼器的轉速信號，控制進給電機準確地配合主軸的旋轉而產生進給運動，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，卸掉原機床小拖板和方刀架，將電動刀架置于中拖板上，下面墊一塊與刀架等面積的墊板，以使刀架上安裝40 × 40 的刀桿后，刀尖與主軸中心等高。轉動軸承蓋處的內六角螺孔，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。當加工過程中需要換刀時，數控系統發出換刀控制指令，刀架電機正轉，使刀架旋轉，當到達預定刀位時，通過霍爾元件，向數控系統發出刀架到位信號，刀架電機反轉，鎖緊刀架后停止旋轉。
7 、數控系統電氣接口
WA-901XT 數控系統具有普及型數控應有的功能，如手輪、圖形跟蹤和模擬、模擬量輸出、內置固定式PLC 等。WA-901XT 數控系統與控制單元有關的各部件的聯接如圖2 所示。
( 1) 緊急停機
當數控系統運行出現緊急情況時應采取停機措施。在改造過程中，為確保急停功能的可靠性，在機床上增置一個緊急停機開關，接在系統XJ5 接口的P1 與P5 即可。
( 2) 參考點
該數控系統在對刀后，能將對刀時刀尖的X、Z位置設為0，該位置即為機床參考點。并在斷電后重新上電時，準確記憶該位置，保證數控系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各坐標軸參考點的檢測器件，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) 坐標軸的限位
為了保護機床的安全運行，在機床縱橫坐標的兩個極限位，各設一個行程開關和機械撞塊。將各行程開關的信號線接到數控系統上，即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，當限位開關沒有被壓下時，系統接收到該信號為“1”; 當限位開關被壓下時，系統接收到該信號為“0”。這種接法消除了因線路開路而產生限位失靈現象，提高了限位電路的可靠性。
圖2 數控系統連接簡圖
8、 結束語
C61100 普通車床改造后，定位準確、可靠，操作簡便，實現了自動加工，穩定了零件的加工質量，大大提高了加工工效。同時，可方便地加工多種異形件，增強了其適用性。改造后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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