張樹杰

摘 要：隨著加工企業(yè)的增多，機(jī)床數(shù)量也在增加。但多數(shù)機(jī)床的質(zhì)量較差，基本上依靠手動(dòng)操作，無法很好地適應(yīng)市場的需求。針對(duì)這種特殊情況，要想在投資較少的情況下提升產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，就必須將普通機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化車床。這樣可有效提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，進(jìn)一步提高加工企業(yè)的生產(chǎn)能力，從而增強(qiáng)其競爭力。以普通CA6410車床為例，對(duì)數(shù)控技術(shù)在其數(shù)控化改造中的應(yīng)用進(jìn)行了研究和探索。

關(guān)鍵詞：沖壓工藝；沖壓模具設(shè)計(jì)；裝配圖；車床

中圖分類號(hào)：TG519.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.015

目前，制造行業(yè)發(fā)展迅猛，制造企業(yè)生存難度越來越大。制造企業(yè)要想生存和發(fā)展，就必須降低價(jià)格、提高品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率。只有這樣，才能在激烈的市場競爭中占據(jù)一席之地。多數(shù)加工企業(yè)的生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品生產(chǎn)成本高。只有提高企業(yè)制造設(shè)備的數(shù)控化水平，才能有效解決這個(gè)問題。但國內(nèi)的制造企業(yè)往往存在資金不足的問題，加之替換下來的機(jī)床多數(shù)處于閑置狀態(tài)，進(jìn)而造成資源利用不足。因此，普通機(jī)床的數(shù)控化改造已成為企業(yè)提高車床數(shù)控化率最有效的方式。

1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

在本設(shè)計(jì)中，選擇了步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)。異步電動(dòng)機(jī)和電流電動(dòng)機(jī)的選擇非常重要，光柵尺與數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)接也非常重要。針對(duì)交、直流電機(jī)，應(yīng)選擇編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。目前，加工企業(yè)可選擇的數(shù)控系統(tǒng)較多，比如西門子公司、北京航天機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)。無論選擇國外的數(shù)控系統(tǒng)，還是選擇國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)，一定要重視車床的精度、功率和具體功能。

2 機(jī)械部分的改造

2.1 滾珠絲杠的選擇

經(jīng)過綜合計(jì)算和對(duì)比后，在本次設(shè)計(jì)中選定了外循環(huán)型的滾珠絲桿。綜合計(jì)算是指計(jì)算最大工作荷載，包括走刀抗力和其他相關(guān)的摩擦力，該計(jì)算是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一?？v向和橫向滾珠絲桿的校驗(yàn)分為傳動(dòng)效率計(jì)算、絲桿剛度驗(yàn)算和壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算三步。此外，選擇時(shí)還要參考最大工作負(fù)載能力。

2.2 減速器箱體的選擇

參考其他設(shè)計(jì)文檔資料后發(fā)現(xiàn)，機(jī)床改造的脈沖當(dāng)量值是固定的，但要得到任意脈沖當(dāng)量值時(shí)，需要在步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲桿之間增設(shè)一臺(tái)減速裝置，并專門開展對(duì)減速箱體的設(shè)計(jì)。經(jīng)過對(duì)縱向和橫向輸入軸的計(jì)算得知，減速器箱體的縱向和橫向可共用一臺(tái)減速裝置。應(yīng)注意減速器箱體的尺寸等，下箱和上箱壁度的設(shè)計(jì)為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，齒輪的精度要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。此外，減速器的設(shè)計(jì)還要滿足高效率、低噪聲的要求。

2.3 軸承的選擇

在上述減速器箱體設(shè)計(jì)中，減速器的輸入、輸出端對(duì)軸承的選擇有很大的影響，而本次設(shè)計(jì)最終選擇了深溝球軸承。

2.4 滾珠絲杠用軸承的選型

對(duì)于滾珠絲杠用軸承而言，可選擇的型號(hào)眾多，但必須根據(jù)其功能需求選擇。大部分滾動(dòng)軸承失效是因疲勞點(diǎn)蝕引起的，進(jìn)而導(dǎo)致軸承壽命大大縮短。因此，要選擇耐用、壽命較長的軸承。由于最高性能的滾珠絲杠用軸承與最低性能的滾珠絲杠用軸承的差別非常大，所以，需要謹(jǐn)慎、細(xì)心地選擇軸承。此外，可靠度也是軸承選擇中的重要參考因素。

3 選擇縱向和橫向步進(jìn)電機(jī)

選擇縱向和橫向步進(jìn)電機(jī)時(shí)，要完成縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算、步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)選擇，從而使需要被改造的系統(tǒng)能與其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致。

3.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)

對(duì)于縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造，要從性能等綜合因素方面考慮。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造中，會(huì)改造步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)減速后驅(qū)動(dòng)絲桿，步進(jìn)電機(jī)的擺放位置可根據(jù)具體情況選定，一般放置在絲桿兩端的任意一側(cè)。

3.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)

橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和組成較為簡單，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)刀架橫向運(yùn)動(dòng)。具體的安裝方式是將步進(jìn)電機(jī)安裝在大托板上。該結(jié)構(gòu)的連接方式較為嚴(yán)謹(jǐn)，可保證各個(gè)細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確性。

3.3 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量

車床脈沖當(dāng)量是基本技術(shù)參數(shù)之一，可根據(jù)改造的經(jīng)濟(jì)型機(jī)床精度要求來確定脈沖當(dāng)量。

3.4 步距角的選擇

在選擇步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)時(shí)，應(yīng)先確定步距角，不同的步距角決定了不同的脈沖方式。脈沖當(dāng)量、絲杠導(dǎo)程對(duì)步距角、減速比有一定的影響?？筛鶕?jù)步距角初步選定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，并從步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表中查到步距角θb，三種不同脈沖分配方式對(duì)應(yīng)有兩種步距角。步距角θb、減速比 i與脈沖當(dāng)量δp、絲杠導(dǎo)程L0有關(guān)。初選電機(jī)型號(hào)時(shí)，應(yīng)合理選擇θb和i，并滿足：

θb≤（δp×i×360）/L0（1-1）. （1）

由式（1）計(jì)算得θb≤0.36°.

4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì)

機(jī)械螺母升降轉(zhuǎn)位是回轉(zhuǎn)刀架的基本工作原理，具體可分解為刀架的抬起、轉(zhuǎn)位、定位和壓緊等。

4.1 蝸桿和蝸輪的選擇

對(duì)于蝸桿和蝸輪的選擇，考慮到傳遞功率較低，且對(duì)轉(zhuǎn)速的要求不高，可選擇精度適宜的類型。在材料選定方面，為了降低成本，選用青銅制作關(guān)鍵的齒圈部位，其他部位用鑄鐵材料制造。

4.2 按接觸強(qiáng)度確定主要參數(shù)

需要確定的參數(shù)為作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距、載荷系數(shù)、彈性影響系數(shù)、接觸系數(shù)、許用應(yīng)力和中心距。

4.3 蝸桿、蝸輪軸、中心軸、齒盤的選擇

對(duì)于蝸桿等材料的選擇，應(yīng)在確定許用應(yīng)力后綜合考慮轉(zhuǎn)矩因素，然后計(jì)算機(jī)軸的相關(guān)數(shù)據(jù)，再根據(jù)各個(gè)零件的裝拆方案確定軸等的形狀等，最后設(shè)計(jì)出蝸桿、蝸輪軸、中心軸、齒盤的形狀。

4.4 刀架體的設(shè)計(jì)

對(duì)于刀架體的設(shè)計(jì)，要綜合考慮內(nèi)、外部零件間的布置問題。此外，還應(yīng)考慮以下問題：滿足強(qiáng)度和剛度要求；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；造型美觀、體積?。坏都荏w的設(shè)計(jì)不僅會(huì)影響傳動(dòng)零件的正常運(yùn)行，還會(huì)影響部件的工作精度。

5 數(shù)控裝置系統(tǒng)的改造

車床的核心裝置是數(shù)控系統(tǒng)。目前，數(shù)控系統(tǒng)的改造日趨精細(xì)化，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)存在通用性差異，存在擴(kuò)展性差、可靠性差等問題。在多變的工作環(huán)境下，車床的抗干擾能力差，易產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作，進(jìn)而造成生產(chǎn)效率降低。因此，應(yīng)應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)解決上述問題，從而大大提高車床的通用性、穩(wěn)定性。此外，有條件的加工企業(yè)還可以將普通數(shù)控系統(tǒng)改造成更高級(jí)的全自動(dòng)化聯(lián)網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)。

5.1 數(shù)控裝置系統(tǒng)的選型

雖然國外生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)功能強(qiáng)大、便于改造，但價(jià)格較為昂貴；在國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)中，北京、廣州等地的生產(chǎn)廠家制造的系統(tǒng)價(jià)格較低、易安裝，在性能和功能上基本可滿足基礎(chǔ)加工。一般而言，國內(nèi)的加工企業(yè)大多會(huì)選擇國產(chǎn)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。綜合對(duì)比國內(nèi)現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床，本次CA6140數(shù)控化改造系統(tǒng)選定了廣東某生產(chǎn)廠家制造的車床控制系統(tǒng)。

5.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器的選型

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在保留機(jī)床機(jī)械功能的情況下，完成了縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確定了滾珠絲桿、步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上選定了第一時(shí)間功率驅(qū)動(dòng)器。其主要作用是放大環(huán)形分配器輸出的微弱電流，從而滿足相關(guān)裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，要想保證普通車床數(shù)控化改造的精度，就需要選擇性能優(yōu)良的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。國內(nèi)市場中常出現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路有多種，有的能通過調(diào)整電流值來調(diào)節(jié)步距角，進(jìn)而能提高精準(zhǔn)度。本次改造采用了三菱公司的IPM模塊，具有可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、綜合性價(jià)比高的特點(diǎn)，可滿足本次經(jīng)濟(jì)型改造的要求。

5.3 脈沖發(fā)生器——光柵編碼器的選型

在本次經(jīng)濟(jì)型車床改造方案中，選定了HEDSS公司的光柵編碼器。該公司生產(chǎn)的編碼器模塊世界馳名。本次選定的HKT型光柵編碼器是一種性價(jià)比較高的兩通道光電增量編碼器，它可利用光柵盤檢測旋轉(zhuǎn)角度，具有安裝體積小、分辨范圍廣、兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)。

5.4 數(shù)控系統(tǒng)功能的改造

在CA6410車床數(shù)控化改造中，選擇了廣東某廠生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，配置了高速度的核心處理器、多層級(jí)可編程控制電路板、全觸摸控制，中、英文切換系統(tǒng)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤顯示系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)操作便捷，適合多人群、多工種使用；主軸采用有級(jí)變速，具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、固定循環(huán)、復(fù)合循環(huán)、恒線速度車削、刀尖半徑自動(dòng)補(bǔ)償、進(jìn)給編變速等功能。通過編程，可完成外圓、端面、切槽、錐度、圓弧和螺紋等加工，具有較高的性價(jià)比。

6 結(jié)束語

在人們對(duì)自動(dòng)化要求越來越高的今天，眾多行業(yè)都直接或間接地提高了產(chǎn)品加工的精度和質(zhì)量。因此，更多的制造企業(yè)提高了對(duì)機(jī)床自動(dòng)化的要求。手工式操作的機(jī)床已很難滿足日益提高的現(xiàn)代化生產(chǎn)要求，因此，必須改造數(shù)控機(jī)床。本次普通CA6140車床的數(shù)控化改造是基于原有的機(jī)床配件，使其具備數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)功能，比如進(jìn)給量的自動(dòng)控制。由于本次改造的方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)型車床，因此，在配件和系統(tǒng)的選擇上，必須考慮改造成本，且在本次設(shè)計(jì)中并沒有選擇高精度器件。

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〔編輯：張思楠〕