C616車(chē)床數(shù)控化改造思路*

歐陽(yáng)全會(huì) 李 英

(武漢交通職業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 430065)

0 引言

數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電液一體化的典型產(chǎn)品,是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中不可缺少的加工設(shè)備,在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用。然而我國(guó)企業(yè)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)都是依賴進(jìn)口,進(jìn)口設(shè)備在使用、維護(hù)和維修方面都受到國(guó)外的控制,因此,我國(guó)絕大部分企業(yè)目前仍然使用傳統(tǒng)老式機(jī)床。隨著現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)的發(fā)展,對(duì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求不斷提高,企業(yè)急需進(jìn)行設(shè)備更新,但很多企業(yè)在短時(shí)間內(nèi)承受不了巨額購(gòu)置費(fèi)用,另一方面現(xiàn)有傳統(tǒng)老式機(jī)床的閑置造成浪費(fèi)。為了節(jié)約成本,發(fā)揮傳統(tǒng)老式機(jī)床的功效和潛在價(jià)值,將大批閑置老式機(jī)床改造為數(shù)控機(jī)床顯得尤為重要,也成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

1 數(shù)控化改造的意義

對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的意義主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面:

第一,節(jié)省資金。機(jī)床的數(shù)控改造同購(gòu)置新機(jī)床相比一般可節(jié)省費(fèi)用 60%左右,且交貨周期短,并可充分利用現(xiàn)有條件。

第二,力學(xué)性能穩(wěn)定可靠。因原機(jī)床經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用,各基礎(chǔ)件相當(dāng)于進(jìn)行了時(shí)效處理,幾乎不會(huì)再因殘余應(yīng)力而引起變形,因而數(shù)控改造的機(jī)床具有性能穩(wěn)定、變形誤差小的優(yōu)勢(shì)。

第三,提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化,生產(chǎn)效率大大提高,尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、批量小、零件多變的加工,更能顯示其優(yōu)越性。

第四,熟悉設(shè)備,便于操作維修。購(gòu)買(mǎi)新設(shè)備可能不了解新設(shè)備的性能特點(diǎn)、是否能滿足其加工要求,需要時(shí)間來(lái)熟悉和摸索。機(jī)床改造則不然,由于多年的使用,操作者對(duì)機(jī)床的特性早已了解,可以精確地計(jì)算出機(jī)床的加工能力,且在操作使用和維修方面培訓(xùn)時(shí)間短、見(jiàn)效快,改造的機(jī)床一旦安裝好,就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 車(chē)床數(shù)控改造的方案

車(chē)床數(shù)控改造的方案主要從數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)的選擇、車(chē)床機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的改造、車(chē)床電器控制系統(tǒng)的改造這三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造,在考慮總體設(shè)計(jì)方案時(shí),應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)是:在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,對(duì)機(jī)床的改造盡可能少,以降低成本;數(shù)控化改造的車(chē)床能進(jìn)行生產(chǎn)加工,其加工質(zhì)量和精度達(dá)到或超過(guò)改造前車(chē)床出廠時(shí)的水平,接近同檔次數(shù)控車(chē)床的水平;數(shù)控化改造的車(chē)床其生產(chǎn)效率、安全性能超過(guò)改造前普通車(chē)床出廠時(shí)的水平。

同時(shí),對(duì)普通車(chē)床 C616數(shù)控化改造提出了要求:經(jīng)數(shù)控改造后,其車(chē)削加工的功能不能減少,性能要提高。要求該車(chē)床能切削螺紋,縱向和橫向具有直線和圓弧插補(bǔ)功能,系統(tǒng)分辨率縱向?yàn)?.001mm,橫向?yàn)?0.0005mm。改造的數(shù)控車(chē)床的各項(xiàng)要求及精度檢測(cè)參照國(guó)家關(guān)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.1 數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)的選擇

2.1.1 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定

數(shù)控系統(tǒng)按其運(yùn)動(dòng)軌跡可分為:點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。由于C616車(chē)床要加工復(fù)雜輪廓零件,所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)切削控制系統(tǒng)也稱(chēng)為輪廓控制系統(tǒng),其控制特點(diǎn)是能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移和速度同時(shí)進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制。在這類(lèi)控制方式中,要求數(shù)控裝置具有插補(bǔ)運(yùn)算的功能,即根據(jù)程序輸入的基本數(shù)據(jù)(如直線的終點(diǎn)坐標(biāo)、圓弧的終點(diǎn)坐標(biāo)和圓心坐標(biāo)或半徑),通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)插補(bǔ)運(yùn)算器的數(shù)學(xué)處理,把直線或曲線的形狀描述出來(lái),并一邊運(yùn)算,一邊根據(jù)計(jì)算結(jié)果向各坐標(biāo)軸控制器分配脈沖,從而控制各坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)位移量與所要求的輪廓相符。

2.1.2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造

數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)按有無(wú)位置檢測(cè)和反饋可分為開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。本課題組所改造的 C616車(chē)床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)介于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)之間,機(jī)床的傳動(dòng)絲杠或伺服電動(dòng)機(jī)上裝有角位移檢測(cè)裝置(如:光電編碼器等),可以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)或絲杠的轉(zhuǎn)角,從而間接地檢測(cè)了移動(dòng)部件的位移。角位移信號(hào)被反饋到數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動(dòng)中,實(shí)現(xiàn)了從位置給定到電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角間的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床,電氣控制與機(jī)械傳動(dòng)間有明顯的分界,因此調(diào)試、維修與故障診斷較方便;且機(jī)械部分的間隙、摩擦死區(qū)、剛度等非線性環(huán)節(jié)都在閉環(huán)以外,因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。由于其調(diào)速范圍寬、過(guò)載能力強(qiáng),又采用反饋控制,所以具有傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低、性能價(jià)格比高等特點(diǎn),在數(shù)控機(jī)床改造中得到了廣泛應(yīng)用。

2.1.3 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

目前市場(chǎng)上數(shù)控系統(tǒng)的類(lèi)型比較多,選擇前首先應(yīng)對(duì)擬改造的數(shù)控機(jī)床自身功能有一個(gè)充分的了解,選擇時(shí)應(yīng)注重?cái)?shù)控系統(tǒng)的功能,而不應(yīng)單純追求系統(tǒng)的高性能指標(biāo),數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能要與擬改造的數(shù)控機(jī)床所能達(dá)到功能相匹配,盡量減少過(guò)剩的數(shù)控功能。因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)功能過(guò)剩,一方面浪費(fèi)資金,另一方面還可能潛伏下由于數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加而帶來(lái)的故障率升高的隱患。

依據(jù)價(jià)格合理、技術(shù)先進(jìn)、服務(wù)方便的原則,結(jié)合被改造機(jī)床的結(jié)構(gòu)、性能及被加工零件精度要求,從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā),以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)為主,C616型普通車(chē)床改造為數(shù)控車(chē)床,采用廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK928-TE型數(shù)控系統(tǒng)。

2.2 車(chē)床機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的改造

C616車(chē)床的機(jī)械改裝主要在主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和刀架等三部分進(jìn)行。

2.2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)改裝

為滿足加工工藝的要求,實(shí)現(xiàn)在加工過(guò)程中自動(dòng)變速,在保留 C616主傳動(dòng)系統(tǒng)即主軸箱的前提下,作如下的改裝:

(1)將普通三相交流主電機(jī)換成變頻電機(jī);(2)去掉原機(jī)床主軸箱中的掛輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),增加安裝 GD7072光電脈沖發(fā)生器作為主軸編碼器裝置;(3)對(duì)主軸箱中的主軸軸承檢查調(diào)整。

2.2.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造

C616改造后為保證較高的傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率,采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。Z進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)將經(jīng)溜板箱齒輪梯形絲桿傳動(dòng)的傳動(dòng)鏈,計(jì)算選擇傳動(dòng)鏈的參數(shù)后,采用滾珠絲桿的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),拆除原進(jìn)給箱、溜板箱、光桿及梯形絲桿部分,改造設(shè)計(jì)為伺服電機(jī)滾珠絲杠直聯(lián)驅(qū)動(dòng)。滾珠絲杠選用單圓弧滾道截面,外循環(huán)方式 、精度選 4級(jí) 。

改造后的縱向(Z軸)、橫向(X軸)傳動(dòng)鏈如圖 1所示 。改造后,原縱向進(jìn)給傳動(dòng)鏈中的絲杠和光桿由滾珠絲杠取代,Z軸滾珠絲杠采用一端固定一端浮動(dòng)的支承形式,絲杠受熱后有膨脹伸長(zhǎng)的余地,伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠采用直聯(lián)傳動(dòng)的方式。絲杠螺母固定在大拖板上,帶動(dòng)刀架縱向移動(dòng)。伺服電機(jī)可放在絲杠的任一端,從改造和使用方便考慮,將伺服電機(jī)放在滾珠絲桿的右端,設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)用電機(jī)支座用以安裝絲杠支撐和伺服電機(jī)(如圖 2)。

由于空間尺寸有限,X軸伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠采用同步齒形帶變速,該聯(lián)接一方面增大了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,另一方面由于同步齒形帶的柔性,可克服由于電動(dòng)機(jī)軸和絲杠不平行而引起的失步現(xiàn)象。伺服電機(jī)安裝在床鞍的后部,用一個(gè)接長(zhǎng)軸套把同步帶輪軸和滾珠絲杠連接起來(lái),絲杠螺母固定在中拖板上?？拷僮髡叩囊欢?布置一根支撐短軸,通過(guò)接長(zhǎng)軸套與滾珠絲杠連接,利用車(chē)床原橫向進(jìn)給絲杠的滑動(dòng)軸套作為徑向支撐,在靠近伺服電機(jī)一端采用一對(duì)向心球軸承承受徑向和軸向力。X軸滾珠絲杠的安裝方式如圖3所示。

2.2.3 刀架部分的改造

數(shù)控機(jī)床的刀架是機(jī)床重要的功能部件,刀架改裝的目的主要是為了實(shí)現(xiàn)多刀夾持和自動(dòng)轉(zhuǎn)位。刀架的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)于產(chǎn)品加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有很大影響,要求擬改裝的刀架應(yīng)具有良好的強(qiáng)度和剛度,適宜重負(fù)荷切削;轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確可靠、工作平穩(wěn);重復(fù)定位精度高、使用壽命長(zhǎng)、工藝性好等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)數(shù)控刀架產(chǎn)品調(diào)研,本設(shè)計(jì)選用的是常州新墅數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的 LD4-I型四工位自動(dòng)刀架。將 LD4系列電動(dòng)刀架取代原手動(dòng)四方刀架,如圖 4所示。

LD4型系列立式電動(dòng)刀架采用蝸桿蝸輪傳動(dòng),上下齒盤(pán)嚙合,螺桿夾緊的工作原理。具有轉(zhuǎn)位快,定位精度高,切向扭矩大的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)信轉(zhuǎn)位采用可靠的無(wú)觸點(diǎn)霍爾元件,發(fā)信準(zhǔn)確。

刀架的定位過(guò)程:系統(tǒng)發(fā)出換刀信號(hào),刀架控制器中的繼電器動(dòng)作,刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)螺桿升降機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)使刀架上升并轉(zhuǎn)位,刀架到位發(fā)出信號(hào),數(shù)控系統(tǒng)將反饋刀位信號(hào)與指令刀位信號(hào)相比較,當(dāng)兩信號(hào)相同時(shí),說(shuō)明上刀體已旋轉(zhuǎn)到所選刀位,此時(shí)系統(tǒng)控制刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn),活動(dòng)銷(xiāo)反靠在反靠盤(pán)上實(shí)現(xiàn)初定位,在活動(dòng)銷(xiāo)反靠作用下,螺桿帶動(dòng)上刀體下降,直到上下齒盤(pán)嚙合,完成精定位,通過(guò)蝸輪蝸桿鎖緊螺母使刀架夾緊,當(dāng)夾緊力達(dá)到要求的程度時(shí),過(guò)流繼電器動(dòng)作,切斷電流,刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn),向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀應(yīng)答信號(hào),完成換刀。

刀架的到位信號(hào)由刀架中心軸上的 4個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)和永久磁鐵檢測(cè)獲得,4個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)分別為 4個(gè)刀位的位置 ,當(dāng)?shù)杜_(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí),帶動(dòng)磁鐵一起旋轉(zhuǎn),到達(dá)規(guī)定刀位時(shí),通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)輸出到位信號(hào)。

2.3 車(chē)床電器控制系統(tǒng)的改造

C616普通車(chē)床原來(lái)的電氣控制采用的是常規(guī)硬布線繼電邏輯控制,其主軸啟停由相應(yīng)的開(kāi)關(guān)按鈕及繼電器、接觸器實(shí)現(xiàn),主軸的正、反轉(zhuǎn)由機(jī)床的摩檫片離合器控制完成。數(shù)控化改造后,采用可編程控制器取代常規(guī)繼電邏輯控制。主軸啟停,正、反轉(zhuǎn)等均由可編程控制器完成。同時(shí)在改造中,增加了立式電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架控制功能,機(jī)床輔助裝置控制功能,如卡盤(pán)裝夾、冷卻液,機(jī)床工作燈等。

3 設(shè)備改造后成果展示

普通車(chē)床 C616經(jīng)數(shù)控化改造后,主軸采用有級(jí)變速,其車(chē)削加工的功能沒(méi)有減少,可實(shí)現(xiàn)縱向和橫向直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)、固定循環(huán)、復(fù)合循環(huán)、恒線速度車(chē)削、刀尖半徑自動(dòng)補(bǔ)償功能,切削螺紋功能,進(jìn)給變速功能,并能實(shí)現(xiàn)冷卻液壓控制輔助功能和手動(dòng)工作方式等。通過(guò)編程可以完成外圓、端面、切槽、錐度、圓弧、螺紋等加工,具有較高的性價(jià)比,C616數(shù)控車(chē)床經(jīng)改造后各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到國(guó)家關(guān)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

C616型普通車(chē)床數(shù)控改造完成后的數(shù)控車(chē)床 CX616如圖 5所示。

4 項(xiàng)目研究的突破和創(chuàng)新

項(xiàng)目組完成了數(shù)控改造的機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算、電器設(shè)計(jì)的全部工作,并采用了最新的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)繪制了機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙和電氣設(shè)計(jì)圖,已將數(shù)控改造的研究成果和設(shè)計(jì)技術(shù)資料準(zhǔn)備齊全。項(xiàng)目研究積累了數(shù)控改造的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)生的教學(xué)要求配套,滿足基于工作過(guò)程的教學(xué)改革需要,可以據(jù)此資料指導(dǎo)學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計(jì)和頂崗實(shí)習(xí)工作。

圖5 數(shù)控改造后的 CX616數(shù)控車(chē)床

5 結(jié)論

C616普通車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)改造完成后,在滿足使用要求的前提下,對(duì)機(jī)床的改動(dòng)盡可能少,大大降低了成本。改造后的設(shè)備充分考慮了其實(shí)用性,操作方便,技術(shù)參數(shù)設(shè)置合理,極大地提高了加工效益。經(jīng)過(guò)一年多的使用表明,其性能穩(wěn)定,沒(méi)有出現(xiàn)任何故障。該技術(shù)還可用于其他型號(hào)普通車(chē)床的數(shù)控化改造,只需根據(jù)機(jī)床參數(shù)改變相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),對(duì)于同類(lèi)型車(chē)床的數(shù)控化改造具有一定的參考價(jià)值和推廣作用。普通車(chē)床的數(shù)控化改造研究完全達(dá)到了預(yù)期的目的。

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