基于伺服电机的C61100 车床数控化改造
2015-1-31 来源： 南通纺织职业技术学院 作者：丁锦宏
摘要: 阐述了车床数控化改造的方案与工作原理。详细论述了C61100 车床的进给系统和电气系统的数控化改造过程。改造后的数控车床实现了自动加工，零件的加工质量稳定，加工工效大大提高，为企业进行数控化技术改造提供了途径。
C61100 车床的回转直径为1 100 mm，两顶尖间距离为1 500 mm，主轴功率为22 kW，主要用于对较大回转体零件的大功率强力切削加工。虽然有切削自动走刀和自动快进、快退功能，但机床的对刀、尺寸的控制、主轴的控制等仍需要操作人员进行手动操作，非常吃力，在劳动力紧缺和自动化水平大大提高的今天，已经不太适应形势的发展。需要对该设备进行数控化改造的企业十分多。
1 、数控化改造方案
加工零件时，要求机床应完成的工作内容有: 能够控制主轴正反转，实现不同切削速度的变速; 刀具能实现纵向、横向的进给运动; 具有螺纹加工功能;可安装4 个刀具，并在转动刀架后夹紧。为此，主要从4 个方面进行改造 :
( 1) 进给系统
纵向进给系统改造方案为: 拆除原机床的挂轮系统、进给箱、溜板箱、快速进退装置、丝杠、光杠和操作杆。以伺服电机作为驱动元件，安装减速箱、经同步带轮减速( 2 ∶ 1) 增大转矩后，由滚珠丝杠传动。
横向进给系统改造方案为: 拆除原机床的普通丝杠、安装电机座，以伺服电机作为驱动元件，将滚珠丝杠与伺服电机直接联接，由滚珠丝杠传动。
( 2) 主传动系统
原车床主轴速度的变化是通过复杂的液压系统手动操作进行的。考虑到加工过程中需要进行变速，手动操作变速需要机床停止运行，会直接影响加工效率，不利于发挥数控的效果。为此，在主轴上增加变频器，实现主轴自动无级变速。同时，安装编码器，向数控系统反馈主轴的实际转速，使机床具有螺蚊切削功能。
( 3) 自动换刀
自动换刀功能是数控车床与普通车床的显著区别之一。为此，必须拆除原普通刀架，安装四工位电动刀架。
( 4) 数控系统
数控系统在能满足实际所需功能的前提下，改造时有多种方案可供选择: ( 1) 采用国产品牌步进电机数控系统; ( 2) 采用国产品牌伺服电机数控系统;( 3) 采用国外品牌步进电机数控系统; ( 4) 采用国外品牌伺服电机数控系统。经对比分析国内外数控系统在性能、档次、价格等的不同后，C61100 车床的数控化改造采用第2 方案。确定选用国内知名品牌华兴WA-901XT 数控系统，配以伺服电机作为进给驱动的方案。
2、 进给传动系统的改造
纵向进给系统( Z 向) 以伺服电机作为驱动元件，通过同步带轮箱体安装在原走刀箱的位置，经一级同步带轮减速( 2. 5∶ 1) 后，由滚珠丝杠传动。滚珠丝杠螺母副通过托架安装在床鞍底部，滚珠丝杠两端分别支承在前端同步带轮箱体和尾部丝杠托架内。
横向进给系统( X 向) 以伺服电机作为驱动元件，将原来的普通丝杠更换为滚珠丝杆，但需使滚珠丝杆的轴心线与原普通丝杠的轴心线相同，以便利用原丝杆前端轴承座。伺服电机通过电机座安装在床鞍的后端，经过联轴器与滚珠丝杆相联。
3 、伺服电机的选择
所选用的车床X 和Z 向伺服电机在转动惯量和转矩两方面需要进行计算，为了使系统的负载惯量达到较合理的匹配，折算到电机轴上的负载惯量Jr与电机本身的转动惯量Jm的比值，应控制在一定范围内，即0. 25≤Jr /Jm≤1 。
在X、Z 两个方向的进给系统中，由于Z 轴的行程大，工作状况差，现对Z 轴进给系统进行转动惯量匹配计算。方法如下:
( 1) 折算到电机轴上的负载惯量Jr传动系统折算到电机轴上的总转动惯量
式中: J1为小带轮传动惯量;J2为大带轮转动惯量;Js为滚珠丝杠惯量;Jw为负荷惯量。
同理，横向伺服电机确定为110SM05030。
4 、滚珠丝杠的选用及验算
采用滚珠丝杠副具有高的传动精度、高的灵敏度及高的构件刚度，工作稳定、摩擦力小，并能清除传动间隙。
滚珠丝杆的选用过程比较繁琐。从已知的设计条件( 如定位精度、移动速度、行程、负荷、支撑方式等) 选择适当的丝杆类别，经由参考公式一步步遵循选择程序，找出符合设计要求的滚珠丝杠规格 。
在滚珠丝杠选用后，应该进行承载能力校验，包括滚珠丝杠螺母副屈服负荷Fc、临界转速nc、精度等方面的校验，最终确定滚珠丝杠的型号。此改造使用的X 方向的滚珠丝杠型号为FFZD4006-3-P4 /1140 × 925，Z 方向的滚珠丝杠型号为FFZD5010-3-P4 /2210 × 1840。现以X 轴为例，进行X 轴滚珠丝杠屈服负荷的校验。
图 1 为C61100 车床X 向丝杠计算图。
根据图1 得滚珠丝杠螺母副的最大受压长度L1 =926 mm。
该机床工作台滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷Fxmax = 3 660 N，小于其屈服负荷Fc的值，故满足要求。
经计算，所选用的滚珠丝杠能满足各项效验要求。
5 、主传动系统的改造
( 1) 主轴变频系统
原机床主轴的速度通过手动换挡进行。为提高加工效率，充分发挥数控机床的特点，改造时，实现主轴自动无级变速，在主轴上增加了交流异步电动机变频调速系统。考虑到改造的经济性，仍使用机床原有的普通三相异步交流电动机拖动，由新增加的变频器进行控制。WA-31D 数控系统向变频器发出主轴速度模拟控制电压( DC0 ～ 10 V) 和正反转控制信号，从而控制主轴的转速和旋向。系统选用的变频器功率与主轴电机相同( 22 kW) 。
( 2) 主轴编码器的安装
在主轴箱上安装主轴编码器，使机床具有螺蚊切削功能。改装时，需保证主轴编码器与主轴等速旋转。该C61100 车床主传动系统中，主轴与挂轮轴之间的转速正好为1∶ 1，拆除挂轮留出空间，安装主轴编码器，并通过一对传动比为1∶ 1 的同步齿形带与挂轮轴联接起来。工作时，数控系统接受主轴编码器的转速信号，控制进给电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动，从而进行螺纹切削。
6 、刀架的改造
选用四工位电动刀架LD4-6163。安装时，卸掉原机床小拖板和方刀架，将电动刀架置于中拖板上，下面垫一块与刀架等面积的垫板，以使刀架上安装40 × 40 的刀杆后，刀尖与主轴中心等高。转动轴承盖处的内六角螺孔，使刀架转动到约45°时，可以方便地装上固定螺钉，将刀架和垫板固定。当加工过程中需要换刀时，数控系统发出换刀控制指令，刀架电机正转，使刀架旋转，当到达预定刀位时，通过霍尔元件，向数控系统发出刀架到位信号，刀架电机反转，锁紧刀架后停止旋转。
7 、数控系统电气接口
WA-901XT 数控系统具有普及型数控应有的功能，如手轮、图形跟踪和模拟、模拟量输出、内置固定式PLC 等。WA-901XT 数控系统与控制单元有关的各部件的联接如图2 所示。
( 1) 紧急停机
当数控系统运行出现紧急情况时应采取停机措施。在改造过程中，为确保急停功能的可靠性，在机床上增置一个紧急停机开关，接在系统XJ5 接口的P1 与P5 即可。
( 2) 参考点
该数控系统在对刀后，能将对刀时刀尖的X、Z位置设为0，该位置即为机床参考点。并在断电后重新上电时，准确记忆该位置，保证数控系统加工的精度及可靠性。因而，可以省去用2 个行程开关作为机床各坐标轴参考点的检测器件，克服了使用行程开关寻找机床各坐标轴参考点可能产生的误差。
( 3) 坐标轴的限位
为了保护机床的安全运行，在机床纵横坐标的两个极限位，各设一个行程开关和机械撞块。将各行程开关的信号线接到数控系统上，即可实现对各坐标轴的运动限位。设计时，使用限位行程开关的常闭触点，当限位开关没有被压下时，系统接收到该信号为“1”; 当限位开关被压下时，系统接收到该信号为“0”。这种接法消除了因线路开路而产生限位失灵现象，提高了限位电路的可靠性。
图2 数控系统连接简图
8、 结束语
C61100 普通车床改造后，定位准确、可靠，操作简便，实现了自动加工，稳定了零件的加工质量，大大提高了加工工效。同时，可方便地加工多种异形件，增强了其适用性。改造后保留了原机床的基本结构，节约资金，缩短生产周期，为同类机床的改造提供了参考。
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