PM150B精磨拋光機(jī)設(shè)計(jì)改造

范昱，黃震

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng)471099)

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一臺(tái)從德國(guó)LOH 公司引進(jìn)PM150B 雙軸精磨拋光機(jī)主要用于光學(xué)零件的拋光加工，具有主軸精度高、轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、擺臂運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較高等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年使用，機(jī)床主軸調(diào)速機(jī)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞無(wú)法恢復(fù)。由于原廠備件已停產(chǎn)，導(dǎo)致設(shè)備長(zhǎng)期癱瘓。這種情況下唯有重新設(shè)計(jì)機(jī)床主軸系統(tǒng)，實(shí)施改造。

1 精磨拋光機(jī)的工作原理

圖1 光學(xué)精磨拋光機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖(單軸)

PM150B 精磨拋光機(jī)屬于雙軸弧擺精磨拋光機(jī)，它主要由床身、左右主軸、變速箱、擺動(dòng)軸、壓力頭、連桿機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)裝置、冷卻裝置、電氣系統(tǒng)等部件組成，拋光機(jī)的一個(gè)工作單元示意圖見(jiàn)圖1，機(jī)床采用準(zhǔn)球心法弧線擺動(dòng)精磨拋光原理加工各種尺寸的球面。在加工前，將工件粘接在鏡盤上，在加工過(guò)程中主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，壓力頭和磨盤用球頭浮動(dòng)連接。擺軸和其上的擺臂、壓力頭(鐵筆) 繞工件球心作往復(fù)擺動(dòng)，加在工件上的壓力始終指向球心，因此施加在工件表面上的壓力是均勻的。精磨拋光液自動(dòng)連續(xù)輸送且設(shè)有恒溫裝置，加工時(shí)有定時(shí)控制裝置，機(jī)床生產(chǎn)率高、操作簡(jiǎn)便。

2 原機(jī)床主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

原主軸為機(jī)械摩擦式傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)，整個(gè)傳動(dòng)鏈由交流電機(jī)、錐形輪無(wú)級(jí)變速器、齒輪變速器、皮帶變速器、手輪、連桿等機(jī)構(gòu)組成，傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D見(jiàn)圖2。交流電機(jī)軸首先連接一個(gè)機(jī)械摩擦式錐形輪無(wú)級(jí)變速器，該無(wú)級(jí)變速器可通過(guò)搖動(dòng)手輪進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速; 后端又連接一個(gè)齒輪變速器，再連接皮帶減速機(jī)構(gòu)后連至主軸組件。由于機(jī)床主軸要求無(wú)級(jí)調(diào)速范圍較寬(65 ～340 r/min) ，但機(jī)械摩擦式錐形輪無(wú)級(jí)變速器的變速范圍一般只能達(dá)到3∶ 1 左右，無(wú)法滿足機(jī)床主軸變速范圍，所以原主軸電機(jī)選用了雙速交流電機(jī)，通過(guò)電氣控制切換高低兩擋電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)滿足主軸調(diào)速要求。

圖2 原主軸傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D

這種主軸調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是20 世紀(jì)國(guó)內(nèi)外光學(xué)加工機(jī)床主軸調(diào)速系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)，不僅可以獲得最有利的切削速度，而且能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，并且運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好。但也存在很多缺點(diǎn)，比如傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械效率降低，維修保養(yǎng)難度大，無(wú)法滿足全轉(zhuǎn)速范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速等。

3 改造總體設(shè)計(jì)方案

光學(xué)加工機(jī)床實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速主要有以下3 種途徑: (1) 機(jī)械無(wú)級(jí)變速; (2) 直流電機(jī)或交流電機(jī)變頻無(wú)級(jí)變速; (3) 液壓缸或液壓馬達(dá)無(wú)級(jí)變速。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)光學(xué)加工機(jī)床主軸無(wú)級(jí)調(diào)速設(shè)計(jì)均采用交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速起動(dòng)性能好，頻率和電壓逐漸升高，直到達(dá)到給定值，可以方便地調(diào)節(jié)起動(dòng)時(shí)間或加減速時(shí)間。針對(duì)不同負(fù)載，都有相應(yīng)的解決方案，實(shí)現(xiàn)了高性能調(diào)速。變頻器保護(hù)功能齊全，很容易通過(guò)設(shè)定保護(hù)電流和反時(shí)限過(guò)載曲線參數(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)流及過(guò)載保護(hù)，還提供絕緣監(jiān)測(cè)功能，檢測(cè)包括逆變回路、電機(jī)及電纜絕緣情況，可及時(shí)發(fā)出報(bào)警及跳閘信號(hào)。另外，變頻器維護(hù)簡(jiǎn)單，故障率較少; 一旦發(fā)生故障，一般都有故障信息，這使得故障的排查工作變得非常方便。

設(shè)計(jì)變頻調(diào)速裝置時(shí)必須要認(rèn)清變頻調(diào)速與機(jī)械變速存在本質(zhì)上的區(qū)別，絕對(duì)不能不加思索地將某電機(jī)使用機(jī)械變速改為相同功率的變頻器變速。因?yàn)楣β适寝D(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積，當(dāng)采用機(jī)械變速時(shí)(例如齒輪、皮帶變速) ，若變比為i，在電機(jī)功率不變時(shí)(忽略變速器效率) ，如轉(zhuǎn)速下降i 倍，會(huì)造成轉(zhuǎn)矩可升高i 倍。拋光機(jī)主軸負(fù)載特性屬于恒功率負(fù)載，其轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線見(jiàn)圖3，變頻器的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線見(jiàn)圖4。由圖4 可知: 變頻器在低于額定頻率時(shí)，為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，電機(jī)不能提高輸出轉(zhuǎn)矩; 而高于額定頻率時(shí)，轉(zhuǎn)速升高轉(zhuǎn)矩下降。拖動(dòng)恒功率負(fù)載，低速時(shí)力矩增加; 而變頻器和電機(jī)低于額定頻率時(shí)電流被限制，力矩不能增加，所以變頻器調(diào)低電機(jī)轉(zhuǎn)速有可能會(huì)造成電機(jī)帶不動(dòng)負(fù)載，選用時(shí)要根據(jù)減速造成力矩增加的比例，選用比原電機(jī)功率大的電機(jī)和變頻器，并使變頻器工作在5 ～60 Hz 頻率段。

圖3 恒功率負(fù)載特性曲線

圖4 變頻器特性曲線

從以上分析可知，要獲得機(jī)床主軸所需的輸出扭矩，設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率、扭矩都需要加大。為了克服這種矛盾，在電機(jī)輸出軸端仍需連接機(jī)械式減速裝置用以提升扭矩輸出?？紤]到該機(jī)床結(jié)構(gòu)非常緊湊，安裝空間狹小，決定選用交流減速電機(jī)。這種電機(jī)與齒輪減速器合為一個(gè)整體，外形小巧便于安裝; 而且可根據(jù)使用要求選擇不同的減速比，獲得高扭矩輸出。通過(guò)變頻器控制可實(shí)現(xiàn)主軸全轉(zhuǎn)速范圍的無(wú)級(jí)平滑調(diào)速。電機(jī)軸通過(guò)皮帶傳動(dòng)方式(不變速) 與主軸組件連接。主軸傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D見(jiàn)圖5，這種布局型式的優(yōu)點(diǎn)是: 電動(dòng)機(jī)和變速機(jī)構(gòu)的振動(dòng)和發(fā)熱不會(huì)直接傳給主軸，減輕了振動(dòng)和熱變形對(duì)主軸工作性能的不利影響。主軸變速機(jī)構(gòu)與主軸組件的這種分離布局型式，對(duì)精磨拋光機(jī)來(lái)說(shuō)十分重要，因?yàn)楣鈱W(xué)加工機(jī)床的加工精度很高，要求機(jī)床主軸運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以保證加工質(zhì)量。

圖5 主軸傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D

4 改造設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 主軸電機(jī)選型設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1.1 確定電機(jī)減速比

經(jīng)過(guò)查詢有關(guān)資料并進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，得知目前常見(jiàn)的三相交流減速電機(jī)的極數(shù)均為4 極，額定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min 左右。而機(jī)床原主軸電機(jī)為雙速交流電機(jī)，電機(jī)型號(hào)及銘牌參數(shù)如下:

機(jī)床原主軸調(diào)速范圍為65 ～340 r/min，由此可計(jì)算出機(jī)床原整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)總減速比(取最大值)為: i=680/65≈10

由圖4 所示的變頻器轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線可知，在低于額定頻率時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，而高于額定頻率時(shí)，轉(zhuǎn)速升高轉(zhuǎn)矩下降。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使調(diào)速段工作在低于額定頻率時(shí)，所以減速電機(jī)額定轉(zhuǎn)速應(yīng)接近機(jī)床工作時(shí)最高轉(zhuǎn)速。即減速比i =1 400/340≈4，從減速電機(jī)減速比選型表中選取最接近的數(shù)值，可確定電機(jī)減速比i=5。

4.1.2 原主軸輸出扭矩計(jì)算

4.1.2.1 原主軸電機(jī)最大扭矩計(jì)算

取最大值可得到原主軸電機(jī)最大扭矩:

4.1.2.2 原機(jī)床主軸輸出扭矩計(jì)算

從圖2 可知，原機(jī)床主軸傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，每種機(jī)械式變速器都會(huì)降低部分機(jī)械效率，其中: 錐形輪無(wú)級(jí)變速器機(jī)械效率約為0.8; 齒輪變速器約為0.98; 皮帶變速器約為0.9。則整個(gè)傳動(dòng)聯(lián)的機(jī)械效率:

機(jī)床主軸輸出扭矩:

4.1.3 新主軸電機(jī)額定功率計(jì)算

從圖5 可知，改造后電機(jī)與主軸之間只有一級(jí)皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，取機(jī)械效率η' =0.9。

計(jì)算出電機(jī)最小額定功率:

由以上計(jì)算結(jié)果可知，需應(yīng)選擇減速比i=5、功率大于1.192 kW 的減速電機(jī)，方可滿足使用要求。

4.1.4 電機(jī)型號(hào)確定

由于機(jī)床床身下部空間狹小，加工時(shí)主軸連續(xù)工作時(shí)間較長(zhǎng)，這就對(duì)減速電機(jī)外形體積和性能品質(zhì)方面要求苛刻。經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品多方調(diào)研、綜合比較，決定選用日本日精電機(jī)公司生產(chǎn)的G 系列交流減速電機(jī)，其外形在同類產(chǎn)品中外形尺寸最小(符合安裝尺寸) 且性能優(yōu)良，電機(jī)型號(hào)及銘牌指標(biāo)如下:

根據(jù)該型號(hào)電機(jī)銘牌指標(biāo)可進(jìn)行扭矩驗(yàn)算。

按照?qǐng)D5 的傳動(dòng)方式，主軸輸出扭矩:

M主軸=M電機(jī)×η' =45 ×0.9 =40.5 N·m，大于原機(jī)床主軸最大輸出扭矩36.6 N·m，證明該型電機(jī)符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 變頻器選型

目前變頻器應(yīng)用廣泛，品牌型號(hào)眾多，只要根據(jù)負(fù)載情況和價(jià)格選擇相應(yīng)的變頻器，就能控制成本并獲得較好的運(yùn)行效果。但由于變頻器的過(guò)載能力沒(méi)有電機(jī)過(guò)載能力強(qiáng)，一旦電機(jī)過(guò)載，將會(huì)造成變頻器損壞(如果變頻器的保護(hù)功能不完善的話) ，所以變頻器的功率一定要等于或大于電機(jī)功率。

根據(jù)以上選型原則，精磨拋光機(jī)主軸調(diào)速選擇1.5 kW 通用變頻器即可?？紤]到安裝尺寸、操作面板、使用經(jīng)驗(yàn)及價(jià)格等多方面因素，最終選擇臺(tái)達(dá)VFD-M 系列謎你型超低噪聲變頻器，型號(hào)為VFD-015M43B (三相380 V ～1.5 kW) 。該系列變頻器采用16 位微處理器，正弦波PWM 控制，具有自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升及自動(dòng)滑差補(bǔ)償功能，輸出頻率0.1 ～400 Hz，8段速設(shè)定及7 段的可編程運(yùn)轉(zhuǎn)，兩段加減速時(shí)間及兩段S 曲線緩加減速，超低噪聲，可調(diào)整的V/F 曲線及自動(dòng)加減速及簡(jiǎn)易向量控制、PID 控制等功能。尤其重要的是該型變頻器體積小巧(100 mm ×151 mm×116.5 mm) ，控制面板自帶電位器調(diào)節(jié)旋鈕且可通過(guò)電纜與變頻器連接，這些特點(diǎn)非常符合這臺(tái)機(jī)床的實(shí)際安裝和操作要求。

4.3 皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

4.3.1 皮帶輪設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，主軸通過(guò)變頻器進(jìn)行全程無(wú)極調(diào)速，所以皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速比定為1 ∶ 1。即保留原主軸下部的多楔皮帶輪，重新加工一個(gè)相同的皮帶輪。經(jīng)測(cè)繪皮帶輪有效直徑d2= 70，楔數(shù)Z=12。

4.3.2 傳動(dòng)皮帶的選型計(jì)算

皮帶選擇PJ 系列多楔平皮帶。該帶為40°三角楔環(huán)形帶，兼有平帶與聯(lián)組V 帶的特點(diǎn)，但比普通皮帶傳遞功率大、效率高、速度快、帶體薄、比較柔軟，主動(dòng)輪直徑可以很小，非常適合光學(xué)加工機(jī)床。

PJ 型多楔帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)選型計(jì)算:

傳動(dòng)比i=1

皮帶輪有效直徑d1=d2=70 mm

中心距a=270 mm

計(jì)算皮帶的有效長(zhǎng)度:

按設(shè)計(jì)手冊(cè)選取實(shí)際多楔平皮帶長(zhǎng)度L = 750 mm，型號(hào)為12-PJ-750 。

計(jì)算皮帶輪包角:

符合皮帶輪設(shè)計(jì)要求。

5 改造實(shí)施與調(diào)試

5.1 主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝

左、右主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝示意圖見(jiàn)圖6。安裝步驟如下:

(1) 拆除原左、右主軸電機(jī)及機(jī)械式調(diào)速機(jī)構(gòu)，包括手輪、連桿、齒輪減速器、摩擦輪無(wú)級(jí)變速器、皮帶輪等;

(2) 將皮帶輪與電機(jī)軸連接(鍵連接) ;

(3) 將電機(jī)和皮帶輪置于床身連接板安裝面，移動(dòng)電機(jī)使兩皮帶輪在同一水平面上;

(4) 在連接板上標(biāo)記電機(jī)固定孔位置;

(5) 將連接板拆下，按標(biāo)記位置做M10 螺紋孔;

(6) 安裝連接板、電機(jī)、皮帶; 調(diào)節(jié)絲杠副，張緊皮帶。

圖6 改造后主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝示意圖

5.2 變頻器安裝與參數(shù)設(shè)置

改造后機(jī)床主軸主回路電氣圖(單軸) 見(jiàn)圖7。將變頻器外部控制端子M0 與GND 短接，將參數(shù)P38設(shè)定為01，使機(jī)床主軸的啟/停操作與改造前一致;并按照新配電機(jī)的額定電流重新設(shè)定斷路器的保護(hù)電流。

圖7 改造后主軸電氣圖(單軸)

變頻器需設(shè)定的參數(shù)見(jiàn)表1，其余參數(shù)均設(shè)定為出廠默認(rèn)值。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)定表

6 結(jié)束語(yǔ)

改造完成后進(jìn)行功能測(cè)試，主軸起/停操作方法與改造前相同，主軸調(diào)速的操作由手搖式變?yōu)槊姘逶O(shè)定式，較改造前更加簡(jiǎn)便。主軸無(wú)級(jí)調(diào)速范圍變寬，可滿足不同工藝要求。整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低，電機(jī)發(fā)熱量較低。通過(guò)對(duì)多種光學(xué)頭罩試件進(jìn)行加工，完全滿足工藝要求。此次成功的設(shè)備改造，不僅使一臺(tái)長(zhǎng)期癱瘓進(jìn)口設(shè)備重新投產(chǎn)，而且簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)、提升了性能指標(biāo)、延長(zhǎng)了壽命，為同類光學(xué)零件加工設(shè)備技術(shù)升級(jí)改造與維修工作提供參考。

［1］桂松范，于鳳云．光學(xué)加工機(jī)床和設(shè)備［M］．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1989．

［2］李德永，李雙梅．變頻器技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京: 高等教育出版社，2007．

［3］成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．4 版．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2002．