C6132車床數控改造案例分析*

李 英 歐陽全會

(武漢交通職業學院,湖北 武漢 430065)

隨著機電一體化技術的迅猛發展,數控機床的應用已日趨普及,機械制造業越來越多的采用數控技術改善生產加工方式,用以解決現代機械制造中結構復雜、精密、多變零件的加工問題。然而,從目前企業面臨的情況看,因數控機床價格昂貴,一次性投資大,使得企業難以承擔,因此,對普通機床的數控化改造就顯得非常必要。

1 C6132數控化改造的背景

武漢神力齒輪制造有限公司根據加工的產品零件工藝的需要,與有關方面合作,對該公司的舊普通車床 C6132進行數控化改造。本文在調研的基礎上,分析這一過程,闡釋筆者的體察。

1.1 利用少量資金進行數控化改造可以發揮明顯效益

我國在信息技術改造傳統產業方面比發達國家落后,起步較晚,如我國機床擁有量中,數控化率與國外相比還處于較低的水平,因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數控化改造的必要性和迫切性。

1.2 數控機床比傳統機床有以下突出的優越性

數控機床可以加工出傳統機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件,加工零件的精度高,尺寸分散度小,使裝配容易,不再需要“修配”,可以實現加工的自動化,而且是柔性自動化,從而效率可比傳統機床提高 3～7倍,擁有自動報警、自動監控、自動補償等多種自律功能,因而可實現長時間無人看管加工,實現多工序的集中,減少零件在機床間的頻繁搬運。

以上這些優越性是傳統機床機械加工不可比擬的,是對傳動加工機床及工藝手段的突破。完成數控技術改造項目,能使企業生產技術力量有較大的提高,增強企業的市場競爭能力,才能使企業更好的持續發展。

2 數控化改造的內容

神力公司原有較多的 C6132普通車床,用數控技術對 C6132車床進行改裝,不僅可提高機床精度,提高生產率,大大減輕工人的勞動強度,減少對工件夾具的投資和數量,且適合公司的發展需要。

改造 C6132車床的基本思路是把原來的機床進行大修,只保留機床導軌、主軸、溜板、尾座等部件,其余的全部撤除。帶之以滾珠絲杠和步進電機,用數控系統來驅動各軸的運動。經過嚴密的計算和論證,選擇絲杠和驅動電機,選擇控制系統和設計控制電路,布置各控制元件。數控系統采用廣州數控設備廠生產的 GSK980-TE型數控系統,可靠性好,功能強大。

2.1 機械部分的改造

機械部分的改造是在原機床的基礎上,去掉掛輪箱(保留三星齒輪)、進給箱、溜板箱、刀架部分,保留大拖板、中拖板;拆掉手動刀架和小拖板裝上數控刀架;拆掉普通絲桿、光桿進給箱、溜板箱,換上滾珠絲杠螺母副。

樹立品牌意識，提高對品牌建設、品牌營銷的認知，積極主動地響應政府號召，進一步加強品牌建設，提升相關旅游產品的知名度和市場影響力，形成品牌效應。

把 C6132普通車床改成數控車床的主要改造部位:主電動機和水泵電動機能分別通過 M03、M04、M05、M09等指令來進行控制;把原來的手動進給改成微機控制,實現二軸聯動;為實現螺紋車削在主軸后端加一光電編碼器用波紋管連接。

光電編碼器的安裝利用掛輪箱中的三星齒輪,找到與主軸傳動比為 1∶1的傳動齒輪,采用同心套通過一個固定支架與光電編碼器相聯,結構示意圖如圖 1所示。

縱、橫向絲杠的改造去掉機床的進給傳動系統,安裝上滾珠絲杠、減速器接口、步進電動機。X軸傳動比為 5∶3,Z軸的傳動比為 1∶1。這類小型機床在中間設置一級傳動結構的目的是提高伺服電動機的使用壽命。對于瞬時性的快速啟停起到一定的緩沖作用。改造后機床的傳動進給示意圖如圖 2所示。

2.2 電控部分的改造

C6132普通車床的電氣控制采用的是繼電器、接觸器等組成的邏輯控制系統,機床主軸的啟停由開關操作控制,主軸的正、反轉由機床的摩檫片離合器完成控制。數控化改造后,主軸控制采用數控系統邏輯輸出信號控制,完成主軸的啟停,正、反轉可編程控制。增加立式電動回轉刀架控制的強電控制的繼電器、接觸器。電控部分改造后相關細節說明如圖 3至圖 6。

圖 1 光電編碼器的安裝

圖2 改造后進給結構示意圖

2.2.1 電源

圖 3 機床電源配置

2.2.2 系統的連接

圖 4 系統連接總圖

2.2.3 I/O信號

圖 5 a、b分別為 I/O1、I/O2的輸入、輸出信號定義

2.2.4 主軸及刀架控制

圖 6 主軸與刀架電源圖

2.3 微機系統控制部分的選用

對于一般車床的改造只須對以下兩部分系統配置進行參數設置就可以了。一是軸參數,二是內置 PLC的編碼。

普通 C6132型車床改造為數控車床,根據生產的實際出發,以經濟型數控系統為主,采用廣州數控設備廠生產的GSK980-TE型數控系統。

GSK928TE車床數控系統是廣州數控推出的一款成熟產品。產品功能更加強大,性能更加穩定,與步進驅動裝置匹配,構成了一款性能高的經濟普及型數控系統:(1)CPLD硬件插補,μm級精度,最高速度 15m/min;(2)加減速特性、輔助功能邏輯可由用戶設置;(3)公制英制單頭/多頭螺紋加工,剛性攻絲功能;(4)480×234TFT彩色顯示器,刀具軌跡圖形仿真;(5)中文 /英文操作界面,標準 ISO代碼全屏幕編輯;(6)可控制車削端面、內外圓、任意錐面、螺紋、球面以及用球面逼近的任意曲面;(7)有自動循環,間隙補償、程序暫停、點動、報警功能,還具有對自動刀架轉位及主軸正、反轉、變速、停止等裝置的控制功能。

3 設備改造前后各項性能指標

普通車床 C6132經數控化改造后,其車削加工的功能沒有減少,性能得到提高。該車床具有切削螺紋都的功能,縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能,改造的數控車床的各項性能指標完全達到國家關于經濟型數控機床的驗收標準。

為比較改造前后車床的加工精度,用改造前車床和數控化改造后的車床把棒料加工成直徑為60mm,長度為 80mm的同一工作軸,比較結果如表 1所示。

表 1 改造前后車床平均加工公差比較(抽樣 15件)

4 縱橫向進給系統的設計計算

C6132普通車床數控系統改造縱切外圓和橫切端面切削力的計算,縱橫向滾珠絲杠副的計算和選型,縱橫向減速齒輪的設計及步進電機的計算和選型等。

4.1 縱向進給系統的設計計算

4.1.1 滾珠絲杠設計計算和選型①朱志宏主編:《金屬切削機床》,東南大學出版社1999年。

根據工作負載 FP、壽命 G,取運轉系數 fw=1.2,硬度系數 fH=1,計算出滾珠絲杠副承受的最大動負荷

由 FQ查滾珠絲杠的產品樣本,選擇絲杠型號,滾珠絲杠的直徑為 32mm,型號為 CDM3206-3-P3,其額定動載荷為 20500N,強度足夠用。

滾珠絲杠工作時受軸向力和扭矩作用,將引起基本導程 L0的變化,因導程受扭矩時引起的變化量很小,可忽略不計,絲杠 1m長度上導程變形總誤差△L總為

因 3級精度絲杠允許的螺距誤差為 15um/m,故此絲杠的精度足夠。

4.1.2 縱向步進電機的計算和選型②李英平:《機床數控化改造中步進電機的選擇》,《制造技術與機床》1996年第 4期。

最大靜轉矩 Mjmax是步進電機的一個重要的技術參數,一般可以從供應商的產品樣本里查到。起動轉矩 Mq與最大靜轉矩 Mjmax有如下關系:Mq=λMjmax,式中 λ由表 2確定 。

當步進電機為五相十拍工作方式時,λ=0.951,所需的最大靜轉矩:

Mjmax=2389.77/0.951=2512.9(N?cm)

步進電動機采用 GSKSJTM110/GSKSJTM130系列步進電動機,其中,縱向步進電動機,型號110BYG350C,步進電機為五相十拍方式工作,能提供的最大靜轉矩為 26N?m,即 2600N?cm＞所需的最大靜轉矩 Mjmax=2512.9N?cm,故可作為初選型號。

表 2 步進電機起動轉矩Mq與最大靜轉矩 Mjmax的關系

4.2 橫向進給系統的設計計算

4.2.1 滾珠絲杠設計計算和選型

滾珠絲杠工作時受軸向力和扭矩作用,將引起基本導程的變化,因導程受扭矩時引起的變化量很小,可忽略不計,絲杠 1m長度上導程變形總誤差△P總:

因 3級精度絲杠允許的螺距誤差為 15um/m,故此絲杠的精度足夠。

4.2.2 橫向步進電機的計算和選型

最大靜轉矩 Mjmax是步進電機的一個重要的技術參數,一般可以從供應商的產品樣本里查到。起動轉矩 Mq與最大靜轉矩 Mjmax有如下關系:Mq=λMjmax,當步進電機為五相十拍工作方式時,λ=0.951,所需的最大靜轉矩:

步進電動機采用 GSKSJTM110/GSKSJTM130系列步進電動機,其中,橫向步進電動機,型號110BYG350B。步進電機為五相十拍方式工作,能提供的最大靜轉矩為 22N.m,即 2200N.cm＞所需的最大靜轉矩 Mjmax=1595N?cm,故可作為初選型號。

5 結論

通過對 C6132普通車床數控系統改造,完善了設備的功能,提高了設備運行的穩定性、可靠性,降低了維修費用,提高了機床的生產效率及產品的加工精度,降低了工人的勞動強度。經過幾個月的實際生產使用,改造完全達到了預期的目的。

[1]楊學桐,李冬茹,何文立,等.距世紀數控機床技術發展戰略研究[M].北京:國家機械工業局,2000.

[2]李峻勤,費仁元,主編.數控機床及其使用與維修 [M].北京:國防工業出版社,1999.

[3]劉曉峰,王華龍.C6132車床的數控化改造設計[J].艦船電子對抗,2001,(2).

[4]尹成湖,吳傳迎,張英.用經濟型數控系統改造普通車床的設計[J].河北科技大學學報,1999,20(3).