數(shù)控化改造在普通車床中的應(yīng)用

(亞洲富士電梯股份有限公司，湖南 邵陽(yáng)422001)

0 引言

數(shù)控化改造集傳統(tǒng)的加工制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、信息處理技術(shù)、傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體的技術(shù)。將車床的進(jìn)給箱、溜板箱、刀架、絲桿、尾座等拆除，然后安裝橫向、縱向滾珠絲桿副、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、電動(dòng)刀架、防護(hù)裝置、電器控制箱等。本文以C6140普通車庫(kù)進(jìn)行數(shù)控化改造設(shè)計(jì)與選型來(lái)說(shuō)明。方案考慮成本及能滿足車床加工精度要求(車床改造的各項(xiàng)精度取決于原有車床的精度)，選用交流伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，編碼器反饋即時(shí)速度的的半閉環(huán)控制系統(tǒng)(反饋伺服電機(jī)尾端的脈沖數(shù))，用數(shù)控編制程序來(lái)控制車床主軸運(yùn)轉(zhuǎn)、刀架轉(zhuǎn)位、刀具進(jìn)給等加工回轉(zhuǎn)件。

1 C 6140普通車床拆卸

1)C6140普通車床先要進(jìn)行性能及精度檢測(cè)，維修或大修恢復(fù)車床18項(xiàng)精度，保證數(shù)控化改造后達(dá)到車庫(kù)設(shè)備原有精度。

2)保留需要使用的普通車庫(kù)功能性部件，如主軸箱等。拆除不需要的車床進(jìn)給箱、溜板箱、刀架、橫縱向絲桿副、尾座等。

2 普通車床主軸數(shù)控化改造

1)車床的主電動(dòng)機(jī)最大切削功率：P=PηK，式中P——主電動(dòng)機(jī)功率，CA6140車床P =7.5 kW，η——主傳動(dòng)系統(tǒng)效率，一般為0.6～0.7，取η=0.65，K——進(jìn)給系統(tǒng)功率總效率 取K=0.96∴P =7.5 kW×0.65 kW×0.96 kW=4.68 kW。結(jié)論：滿足切削刀要求。

2)變頻器的選型：按7.5 kW的主軸電機(jī)選擇控制變頻器，參照廠家選型手冊(cè)選擇符合要求的變頻器，如選臺(tái)達(dá)變頻器VFD075M43A。

3)光電編碼器的設(shè)計(jì)選型：編碼器是將旋轉(zhuǎn)角度的變化量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的角位移脈沖信號(hào)傳感器，分絕對(duì)型和增量型?？砂疵}沖數(shù)、電源電壓、軸徑外形、聯(lián)接方式等選型，可加裝模數(shù)同的齒輪來(lái)配合光電編碼器使用，參照廠家選型手冊(cè)來(lái)選擇符合要求的編碼器。

3 普通車床X-Y數(shù)控化改造

車庫(kù)數(shù)控改造明細(xì)圖如圖1所示。

圖1 車庫(kù)數(shù)控改造明細(xì)圖

1)X向拖板重量：w=mg=Vρ WX=400×200×45×10-3×7.8×10-3≈280 N

Y向拖板重量：w=mg=Vρ WY=620×400×50×10-3×7.8×10-3≈960 N

X-Y軸伺服電機(jī)重量為:60+80=140 N 電動(dòng)刀架重量: 320 N 連接板及螺母座重量：100 N

則X-Y移動(dòng)工作臺(tái)總重量為:WX-Y= 280+960+140+320+100=1 800 N

2)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算及選型：已知：重復(fù)定位精度：±0.015 mm，滾珠絲杠副在中等沖擊下使用壽命：T=20 000 h，工作臺(tái)的有效行程為X=400 mm 、Y=1 200 mm ，工作載荷2 000 N。根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌靜額定載荷，工作載荷P=0.5(Fz+W)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選絲杠副受中等沖擊時(shí)取值：

fSL=4.0 CO=fsLpx.y

PX=0.5(Fz+WX)=0.5×(280+320+2000)=1 300 N

則COX=fsLpx=4×1 300=5 200 N

PY=0.5(Fz+WY)=0.5×(1 800+2 000)=1 900 N

則COY= fsLpY=4×1 900=7 600 N

根據(jù)計(jì)算選絲杠副: 參照廠家選型手冊(cè)來(lái)選擇符合要求滾珠絲杠副；如選漢江絲杠副，X軸選FL2005/410，Y軸選FL4006/1200。

3)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算：齒輪采用漸開(kāi)線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪，模數(shù)1.5、壓力角20、小齒輪齒數(shù)25、大齒輪齒數(shù)52，伺服驅(qū)動(dòng)上電子齒輪傳動(dòng)比設(shè)置為25/52。

4)伺服電機(jī)的計(jì)算及選型：伺服電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算：T=36δP[Ps+μ(G+Pz)]/2πηQb式中：T為電機(jī)負(fù)載力矩(N·cm)，Ps為移動(dòng)負(fù)載力(N)，G為拖板部件質(zhì)量(N)，PX在X軸部件上的負(fù)載力(N)，PY在Y軸部件上的負(fù)載力(N)，μ為摩擦系數(shù)，η為機(jī)械傳動(dòng)效率，Qb為伺服電機(jī)的步距角(rad)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》計(jì)算：電機(jī)啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件受慣性的影響，系數(shù)取0.4，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：TQ=T/0.4，則TQX=TX/0.4=32.5/0.4=81.3 N·cm TQY=TY/0.4=51.3/0.4=128.3 N·cm，X-Y向伺服電機(jī)的最大工作頻率：fmax=Vmax/60×δP=1 000/60×0.01=1 667。參照廠家選型手冊(cè)，選擇X軸和Y軸選用不同功率的伺服電機(jī)，如選廣州數(shù)控伺服電機(jī)X軸型號(hào)為 110SJT-M040D及伺服電機(jī)Y軸型號(hào)為110SJT-M060D。

5)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選型：伺服驅(qū)動(dòng)上電子齒輪傳動(dòng)比應(yīng)設(shè)置為25/52，現(xiàn)廠家已按伺服電機(jī)型號(hào)配專用驅(qū)動(dòng)器，故按廠家參數(shù)手冊(cè)選型，如選廣州數(shù)控X軸伺服電機(jī)110SJT-M040D配伺服驅(qū)動(dòng)器GR2030T-LA1，伺服電機(jī)Y軸型號(hào)為110SJT-M060D配伺服驅(qū)動(dòng)器GR2045T-LA1。

4 電動(dòng)刀架的選型

電動(dòng)刀架工作原理是利用渦輪蝸桿傳動(dòng)，接受到霍爾元件的信號(hào)后，刀架抬起上下齒盤嚙合傳動(dòng)，到位后刀架落下螺桿夾緊自鎖。具有正反轉(zhuǎn)靈活、定位精度高，夾緊可靠的特點(diǎn)。現(xiàn)廠家已按車床型號(hào)配專用刀架，參照廠家手冊(cè)選型，如選宏達(dá)電動(dòng)刀架LD4B-CK6140及配套刀架盒。

5 數(shù)控系統(tǒng)的選型

參照廠家手冊(cè)選型，如廣州數(shù)控GSK980Ti車床數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用中央處理器CPU和集成芯片F(xiàn)PGA構(gòu)成控制核心，實(shí)現(xiàn)高精度μ級(jí)運(yùn)動(dòng)控制?？刂平涣魉欧?qū)動(dòng)器和絕對(duì)式伺服電機(jī)、可轉(zhuǎn)位電動(dòng)刀架等，通過(guò)程序完成外圓、端面、倒角、內(nèi)孔、切槽、錐度、圓弧、螺紋等形狀加工。

6 數(shù)控化改造車庫(kù)試運(yùn)行及試件的加工檢測(cè)

1)車床數(shù)控化改造驗(yàn)收：按車床數(shù)控化改造驗(yàn)收文件檢測(cè)。主要項(xiàng)目(重復(fù)定位：手動(dòng)下單段狀態(tài)F=1 000，I=100往返10次，百分表測(cè)量重復(fù)定位精度誤差在0.005 mm內(nèi)為合格。

檢查：定位精度: 手動(dòng)下單段狀態(tài)F=1000，I=0.01，檢測(cè)X、Z向，連續(xù)按20次方向鍵，指針均勻跳動(dòng)，行程達(dá)到X：0.1 mm；Z向：0.2)

2)車床試加工零件及檢驗(yàn)：輸入零件加工程序并完成數(shù)控加工，按車床數(shù)控化改造加工工件及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)文件檢測(cè)并填寫(xiě)。加工零件材料：45 外形尺寸：Φ60×180 mm。檢驗(yàn)項(xiàng)目：工件表面無(wú)振紋、徑向尺寸、圓度、同軸度、螺紋M30×1.5、表面粗糙度等。

3)車床數(shù)控化改造裝配完成后，進(jìn)行24 h不間斷試運(yùn)行，設(shè)備不允許離人，緊切觀測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況。有問(wèn)題及時(shí)停機(jī)排除。

4)車床數(shù)控化改造設(shè)備最后交付客戶前，還須逐項(xiàng)完成清潔、涂油、加注潤(rùn)滑油、噴漆、清潔、隨機(jī)文件、檢測(cè)報(bào)告等項(xiàng)目。各種手續(xù)完成后，并取得客戶認(rèn)可，方可交付設(shè)備。

7 結(jié)語(yǔ)

普通車床數(shù)控化改造是合理可行的技術(shù)方案。本數(shù)控化改造使普通車床升級(jí)成數(shù)控化車床，降低成本的同時(shí)提高了生產(chǎn)效率和減少了勞動(dòng)強(qiáng)度并保證產(chǎn)品一致性。