摘要:介紹了普通車床的數(shù)控改造條件,同時(shí)介紹了對(duì)CA6140車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)控化改造的過程。改造后的數(shù)控車床的加工能力、自動(dòng)化水平和加工精度明顯提高。同時(shí)介紹了該車床機(jī)電聯(lián)動(dòng)調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞:普通車床;數(shù)控改造

企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、得到發(fā)展,它必須在最短的時(shí)間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本,制造出合乎市場需要的、性能合適的產(chǎn)品,而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣,制造周期的快慢,生產(chǎn)成本的高低,又往往受工廠現(xiàn)有加工設(shè)備的直接影響。目前,采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床,已成為我國制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢。購買新的數(shù)控機(jī)床是提高數(shù)控化率的主要途徑,而改造舊機(jī)床、配備數(shù)控系統(tǒng)把普通機(jī)床改裝成數(shù)控機(jī)床也是提高機(jī)床數(shù)控化率的一條有效途徑。我校為適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和教學(xué),對(duì)CA6140車床進(jìn)行了數(shù)控化改造。

1 機(jī)床數(shù)控化改造的條件

1·1 機(jī)床基礎(chǔ)件有足夠的剛性

數(shù)控機(jī)床屬于高精度機(jī)床,工件移動(dòng)或刀具移動(dòng)的位置精度要求很高,必須在0·001~0·01mm之間,高的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度要求原有機(jī)床基礎(chǔ)件具有很高的靜剛度和動(dòng)剛度。本次用于改造的CA6140車床自購進(jìn)后一直保養(yǎng)良好,機(jī)床基礎(chǔ)件剛性滿足要求。

1·2 機(jī)床數(shù)控改裝的總費(fèi)用合適,經(jīng)濟(jì)性好

機(jī)床數(shù)控改裝分兩部分進(jìn)行:一是維修機(jī)械部分。更換或修理磨損零件,調(diào)試大型基礎(chǔ)零件,增加新的功能裝置,提高機(jī)床的精度和性能,另一方面是舍棄原有的一部分進(jìn)給系統(tǒng),用新的數(shù)控系統(tǒng)和相應(yīng)的裝置來替代。改造總費(fèi)用由機(jī)械維修和增加的數(shù)控系統(tǒng)兩部分組成。若機(jī)床的數(shù)控改造的總費(fèi)用僅為同類型車床價(jià)格的50% ~60%時(shí),該機(jī)床數(shù)控改造在經(jīng)濟(jì)上適宜。經(jīng)過考查,若購買同樣配置的車床約需10萬元,而我校機(jī)床數(shù)控改造的總費(fèi)用為5·1萬元,僅占51%,因此該機(jī)床數(shù)控改造在經(jīng)濟(jì)上是合適的。

2 系統(tǒng)配置及主要技術(shù)規(guī)格

該系統(tǒng)由SIEMENS 802S系統(tǒng)、接口電路、驅(qū)動(dòng)線路及步進(jìn)電機(jī)等組成,另外還配有自動(dòng)轉(zhuǎn)塔刀架、主軸變頻調(diào)速器及主軸編碼器等,系統(tǒng)屬開環(huán)控制系統(tǒng)。其主要技術(shù)性能和參數(shù)如下:

(1)系統(tǒng)控制部分。采用SIEMENS 802S系統(tǒng),鍵盤和顯示部分裝在面板上。

(2)系統(tǒng)軟件具有若干指令。其中加工指令有

直線、斜線、螺紋、錐螺紋和圓弧等5條指令。可實(shí)現(xiàn)車削外圓、端面、臺(tái)階、割槽、錐度、倒角、螺紋、順圓弧和逆圓弧等操作。控制指令有結(jié)束循環(huán)、暫停、延時(shí)、延時(shí)換刀、編碼換刀、通訊等,與加工指令配合,可加工出各種較復(fù)雜的零件。

(3)系統(tǒng)環(huán)境工作條件。溫度-10~+40℃;濕度為40% ~80%。

(4)輸入電網(wǎng)電壓。交流(220±22)V;頻率為50Hz;電流為1·5A。

(5)步進(jìn)電機(jī)。BYG550C-2型電機(jī)兩臺(tái),驅(qū)動(dòng)電壓為110V;相電流為2·5A;步距角為0·36°/步;靜力距為12N·m。

3 主傳動(dòng)的數(shù)控化改造

機(jī)床主傳動(dòng)的作用是把電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過一定途徑傳給主軸,使工件以不同的速度運(yùn)動(dòng),主傳動(dòng)性能的好壞,直接影響零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。考慮到改造的經(jīng)濟(jì)性,可乘用機(jī)床原有的普通三相異步交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。考慮到加工過程中當(dāng)電網(wǎng)電壓和切削力矩發(fā)生變化時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之波動(dòng),直接影響加工零件的表面粗糙度。因此為提高加工精度,實(shí)現(xiàn)主軸自動(dòng)無級(jí)變速,在主軸上增加了交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng),從而不需進(jìn)行機(jī)械換檔。針對(duì)機(jī)床要求具有螺蚊切削功能,在主軸部位安裝主軸脈沖發(fā)生器,如圖1所示。為保證脈沖發(fā)生器與主軸等速旋轉(zhuǎn),即主軸轉(zhuǎn)一周,主軸脈沖發(fā)生器也

圖1 主軸脈沖發(fā)生器安裝示意圖轉(zhuǎn)一周,主軸脈沖發(fā)生器的安裝方式很重要。改裝時(shí),主軸傳動(dòng)必須經(jīng)過原有CA6140車床主軸箱中58/58和33/33兩級(jí)齒輪(實(shí)現(xiàn)1∶1)傳遞到原有CA6140車床的掛輪軸X,拆除掛輪留出空間,安裝脈沖發(fā)生器,并用法蘭盤固定。

4 進(jìn)給傳動(dòng)的數(shù)控化改造

進(jìn)給傳動(dòng)的作用是接受數(shù)控系統(tǒng)的指令,驅(qū)動(dòng)刀具作精確定位或按規(guī)定的軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng),加工出符合要求的零件,對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)的要求是高精度、高速度。改造中我們采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開環(huán)控

圖2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)制,這樣結(jié)構(gòu)簡單,安裝調(diào)試和維修都非常方便。

4·1 進(jìn)給傳動(dòng)鏈

圖2為普通車床改造后的進(jìn)給傳動(dòng)鏈,刀具縱向(Z軸)移動(dòng)由步進(jìn)電機(jī),經(jīng)接口箱內(nèi)一對(duì)減速齒輪,轉(zhuǎn)動(dòng)縱向移動(dòng)的絲桿而實(shí)現(xiàn)。刀具的徑向(X軸)移動(dòng)由步進(jìn)電機(jī),經(jīng)接口箱內(nèi)一對(duì)減速齒輪,轉(zhuǎn)動(dòng)橫向移動(dòng)絲桿而實(shí)現(xiàn),該傳動(dòng)鏈與原機(jī)床的傳動(dòng)鏈相比,擺脫了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的進(jìn)給箱和拖板箱。

4·2 接口箱內(nèi)減速齒輪的齒數(shù)比

該車床要求的控制精度為: Z向0·005mm, X向?yàn)?·0025mm,即當(dāng)執(zhí)行一個(gè)脈沖指令時(shí),工件的長度和直徑均變化0·005mm。BYG550C-2型步進(jìn)電機(jī)的步距角為0·36°,每周步距數(shù)為360/0·36=1000(步/周), X向絲杠螺距為4mm,脈沖當(dāng)量為0·0025mm,Z向絲杠螺距為6mm,脈沖當(dāng)量0·005mm。按公式

主動(dòng)輪齒數(shù)

從動(dòng)輪齒數(shù)=步/周×脈沖當(dāng)量絲杠螺距則X向:Z主/Z從=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z從=1000×5/6000=5/6

4·3 傳動(dòng)滾珠絲杠副

數(shù)控機(jī)床要求進(jìn)給部分移動(dòng)元件靈敏度高、精度高、反應(yīng)快、無爬行,采用滾珠絲杠副可以滿足上述要求。在結(jié)構(gòu)中,用普通滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠螺母副安裝時(shí)需預(yù)緊,通過預(yù)緊可消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙,提高傳動(dòng)剛度。預(yù)緊的方法是采用雙螺母齒差調(diào)隙式結(jié)構(gòu)(圖3)。通過改變兩個(gè)螺母的軸向相對(duì)位置,使每個(gè)螺母中滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側(cè)來實(shí)現(xiàn)的。

圖3 雙螺母齒差調(diào)隙式結(jié)構(gòu)

一般需要幾次調(diào)整才能保證機(jī)床在最大軸向載荷下,既消除間隙,又能靈活運(yùn)轉(zhuǎn)。

4·4 刀架

根據(jù)需要,拆除原方刀架,安裝620型四方刀架(圖4)。該刀架由120W的三相交流異步電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),使刀架正轉(zhuǎn)選刀,到預(yù)定刀位時(shí),電機(jī)則反轉(zhuǎn),使刀架夾緊。換刀方式有手控和機(jī)控兩種。機(jī)控時(shí)當(dāng)零件在加工過程中需要換刀時(shí),數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出預(yù)先編制好的換刀控制指令,控制器接到換刀指令時(shí),立即驅(qū)動(dòng)刀架回轉(zhuǎn)。手控時(shí),按動(dòng)面板上的按鈕,刀架能轉(zhuǎn)一個(gè)刀位(90°),也可連續(xù)按動(dòng)按鈕,直至任一刀位。

5 機(jī)電聯(lián)動(dòng)調(diào)試

5·1 機(jī)械調(diào)試

絲杠上,側(cè)母線和橫、縱導(dǎo)軌的平行度誤差控制在0·01mm/全長之內(nèi);轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠,絲杠軸向竄動(dòng)在0·01mm之內(nèi);絲杠螺母同軸度誤差控制在0·01mm之內(nèi)。

5·2 機(jī)電聯(lián)動(dòng)調(diào)試

(1)單坐標(biāo)點(diǎn)動(dòng),主要調(diào)試其有無動(dòng)作,運(yùn)動(dòng)方向是否符合要求,機(jī)械傳動(dòng)是否正常,有無不正常響聲等。

1·上刀體 2·活動(dòng)銷 3·反靠盤 4·定軸 5·蝸輪 6·下刀體 7·螺桿 8·離合器盤 9·霍爾元件 10·磁鋼

圖4 四方刀架結(jié)構(gòu)圖

(2)點(diǎn)動(dòng)合格后,做連續(xù)運(yùn)動(dòng)。反復(fù)多次,若出現(xiàn)故障或異常,排除后方可繼續(xù)進(jìn)行。

(3)先試Z坐標(biāo)方向,后試X坐標(biāo)方向,這是因?yàn)閆坐標(biāo)方向調(diào)試方便。

(4)測量兩坐標(biāo)重復(fù)定位精度。在Z向坐標(biāo)做連續(xù)移動(dòng)時(shí),若發(fā)現(xiàn)與絲杠相聯(lián)的齒

額定轉(zhuǎn)速: 2000r/min

額定輸出功率: 2kW

編碼器:絕對(duì)位置檢測方式,分辨率1000000p/r 軸端形式:錐軸伺服放大器采用與電機(jī)配套的SJV2系列20型,其驅(qū)動(dòng)能力為2kW。對(duì)于2kW電機(jī),也可采用SJV2系列的10型放大器,但此時(shí)的輸出扭矩要比20型減少1/3,不利于大功率切削。I/O設(shè)備選用型號(hào)為HR341的基本I/O單元,主要用于機(jī)床操作面板及與機(jī)床間的輸入輸出控制。另外附加一個(gè)遠(yuǎn)程I/ODX110,主要用于教學(xué)功能的“故障模擬設(shè)置”的輸入輸出。伺服及I/O單元連接原理圖如圖2所示。

圖2 電氣連接原理圖

2·2·2 主軸控制

主軸電機(jī)采用交流變頻控制電機(jī),由變頻器進(jìn)行控制,轉(zhuǎn)速范圍60~6000r/min。模擬量由基本I/O單元的A0端口輸出0~10V的直流電壓,變頻器根據(jù)輸入的電壓變化而輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。由于模擬主軸電機(jī)沒有編碼器,因此在發(fā)出轉(zhuǎn)速命令后,系統(tǒng)無法檢測到主軸的是否運(yùn)行。為解決這一問題,我們利用變頻器上的功能端子,將其通過參數(shù)設(shè)置成“到達(dá)指令頻率閉合”狀態(tài),并通過PLC檢測此信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行監(jiān)控。

2·3 教學(xué)功能的附加

本機(jī)改造后除保證加工功能和精度外,還要滿足一定的教學(xué)功能。所謂的教學(xué)功能主要是針對(duì)學(xué)習(xí)數(shù)

控系統(tǒng)調(diào)試及維修人員而設(shè)立的附加功能。該功能通過參數(shù)設(shè)置及調(diào)整PLC程序人為地設(shè)置故障,讓學(xué)生通過故障現(xiàn)象先判斷故障種類,再分析故障產(chǎn)生的原因,直至排除故障。通過這種實(shí)訓(xùn),學(xué)生可全面學(xué)習(xí)工業(yè)現(xiàn)場可能出現(xiàn)的故障現(xiàn)象,掌握故障排除方法,提高學(xué)生解決現(xiàn)場問題的綜合能力。

3 結(jié)束語

我國現(xiàn)有機(jī)床中,近幾年急需技術(shù)改造的約占25%,這將蘊(yùn)藏著無限商機(jī)。機(jī)床改造主要是采用數(shù)控和計(jì)算機(jī)控制技術(shù),我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展和機(jī)床數(shù)控化改造應(yīng)緊跟世界潮流,發(fā)展多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng),開發(fā)高速、高精度、高效加工中心等關(guān)鍵技術(shù),向智能化方向發(fā)展[3]。

參考文獻(xiàn)

【1】諸小麗·普通機(jī)床數(shù)控技術(shù)改造探討[J]·南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2003 (4): 61-64·

【2】朱文伯·西門子數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)床改造中的應(yīng)用[J]·航空制造技術(shù), 1999 (5): 30-32·

【3】席俊杰·數(shù)控技術(shù)和機(jī)床數(shù)控化改造[J]·機(jī)械工程師, 2002 (8): 6-7·