基于伺服电机的C61100车床数控化改造

丁锦宏

(南通纺织职业技术学院，江苏南通 226000)

C61100车床的回转直径为φ1 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］:

(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［2］。

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［1］。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［3］

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。

式中:ρ为比重;

R1和r1分别为外圆和内孔半径 (mm)。

式中:ρ为比重;

R2和r2分别为外圆和内孔半径 (mm)。

式中:R为滚珠丝杆底径的半径 (mm)。

式中:m为机床执行部件 (床鞍台、拖板、刀架)的总质量 (kg)。

所以，折算到电机轴上的总转动惯量为:

验算惯量匹配:Jr/Jm=1 928.75/3 249=0.56，满足0.25≤Jr/Jm≤1。

(2)力矩匹配验算

为了保证伺服系统的正常工作，伺服电动机的最大力矩Tmax和切削总力矩Tm应满足下列关系［4］:

Tmax≥Tm

切削总力矩由加速力矩Tj、切削负载力矩Tq、滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩Tf组成，即

Tm=Tj+Tq/i+Tf/i

①加速力矩Tj

式中:n为机床执行部件以最快速度运动时丝杆的最高转速 (r/min);

Jm为电动机的转动惯量 (kg·mm2);

Jr为进给轴的负载惯量 (kg·mm2);

t为加速时间 (s)(t=1/Ks=1/20=0.05 s，Ks为伺服系统的位置环增益 (Hz))。

②计算切削负载力矩Tq

式中:Fzmax为最大轴向切削负载力 (N)(经计算，Fzmax=8 815 N);

S为丝杠螺距 (m);

η为进给传动系统总效率 (取η=0.9)。

③滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩Tf

由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩

式中:Fp为滚珠丝杠的预紧力 (N)(Fp=Fzmax/3=8 815/3=2 938.3 N);

S为丝杠螺距 (m);

η为进给传动系统总效率 (取η=0.9);

η0为滚珠丝杠副的效率 (取η=0.94)。

现选用130SM15015伺服电机，其额定转矩15 N·m、最大转矩30 N·m、最高转速1 500 r/min、转动惯量32.4 kg·cm2。因此，满足Tmax≥Tm的要求。

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［4］。

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［5］。

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。

图1 C61100车床X向丝杆计算简图

根据图1得滚珠丝杠螺母副的最大受压长度L1=926 mm。

丝杠底径d为22.324 mm，安全系数K1=1/3，支承系数K2=0.5(一端固定，一端支撑)。

屈服负荷［1］

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。

［1］夏田.数控机床系统设计［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［2］刘小宇.普通机床数控化改造关键技术的设计及计算［J］.机械设计与制造，2009(9):42-44.

［3］唐金松.机械设计手册［M］.上海:上海科学技术出版社，2002.

［4］刘民生.机床的数控化改造方法与研究［J］.机床与液压，2011，39(4):28-30.

［5］张鲁阳.S1-262管螺纹车床的数控改造［J］.制造技术与机床，2007(2):97-99.