程 宇
(北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司,北京 101111)
從目前世界的數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的方向來看,主要研究重點(diǎn)有3個(gè)方面:1)高轉(zhuǎn)速、高精度數(shù)控設(shè)備加工技術(shù)及設(shè)備發(fā)展的新趨勢(shì),效率和加工質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的最終目的。2) 五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工和復(fù)合機(jī)械加工機(jī)床最近的發(fā)展方向。3)智能化、開放式和網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)今數(shù)控機(jī)床行業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。
在實(shí)踐中采用了FANUC 0i-MD數(shù)控操作系統(tǒng)作為該機(jī)床的核心控制原件,實(shí)現(xiàn)了普通車床進(jìn)行車、銑、削、磨等復(fù)雜加工以及多種加工方式的復(fù)合功能數(shù)控改造。
國產(chǎn)C616A型臥式車床是20世紀(jì)后期生產(chǎn)的1種加工效率高、易操作和占有率較大的普通車床。以下為普通車床進(jìn)行改造的分析[1]。
項(xiàng)目具體實(shí)施方法:將原有車床中托班刀架更換為電力驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力銑頭,用它來夾持各類柄(棒)狀銑刀,動(dòng)力銑頭的主軸軸線與車床原主軸中心線等高且垂直(通過中托班加裝的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)也可轉(zhuǎn)動(dòng)90°與車床中心線平行)。動(dòng)力銑頭選用電動(dòng)主軸進(jìn)行控制。如果要恢復(fù)為車床狀態(tài),可以更換動(dòng)力銑頭為車床刀架(或電動(dòng)刀架),即可恢復(fù)成普通數(shù)控車床。改造后,車床縱向(Z向)、車床橫向(X向)和主軸A軸實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)。
在國產(chǎn)C616A車床主軸箱的Ⅺ軸左側(cè)部位,拆除原車床中Ⅺ軸、Ⅻ軸上的齒輪問題(齒數(shù)Z=100個(gè)),選用FWl60型萬能分度頭與Ⅺ軸左端用聯(lián)軸器連接。并選用伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)為A軸動(dòng)力驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)電機(jī)與FWl60型萬能分度頭輸入段通過渦輪蝸桿連接方式進(jìn)行連接。經(jīng)過上述安裝,可以實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)對(duì)該車床主軸Ⅵ的旋轉(zhuǎn)控制。將FWl60型萬能分度頭和A軸伺服電機(jī)固定安裝在機(jī)床外部支架上。車床主軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作即由機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制。經(jīng)過相關(guān)計(jì)算,A軸伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)與分度頭輸入端的軸頭連接,選擇分度頭的傳動(dòng)比為1∶40,伺服驅(qū)動(dòng)A軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈,傳遞到分度頭輸出軸后,其轉(zhuǎn)動(dòng)1/40圈。A軸伺服啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)40圈,經(jīng)過減速分度頭主軸轉(zhuǎn)動(dòng)1圈。經(jīng)過相關(guān)計(jì)算可知,分度頭輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)1圈。
在數(shù)控車床X向的相關(guān)配套零件的選型中,X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)與滾珠絲杠通過扭力限制聯(lián)軸器連接。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)給距離為t=4 mm時(shí),滾珠絲杠需要轉(zhuǎn)動(dòng)1圈,隨即X向驅(qū)動(dòng)電機(jī)也轉(zhuǎn)動(dòng)1圈。機(jī)床Z向相關(guān)計(jì)算,選定絲杠t=10 mm,即當(dāng)給定Z軸方向運(yùn)行長(zhǎng)度Lz=10×40=400 mm時(shí),可以控制Z向絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)40圈,即Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)40圈。根據(jù)《C616使用說明書》,國產(chǎn)C616A普通車床主軸傳動(dòng)中,可以通過調(diào)節(jié)彈性離合器的松緊得到不同的極限主軸回轉(zhuǎn)扭矩。
經(jīng)過改造的普通機(jī)床具有了三軸聯(lián)動(dòng)的性能特點(diǎn)。解決了生產(chǎn)加工中工件的粗糙度和精度等級(jí)問題,加工精度可以控制在0.05 mm以內(nèi),粗糙度也明顯改善,提高了工作效率,減少了單機(jī)能耗。
FANUC 系統(tǒng)的伺服電機(jī)具有平滑的轉(zhuǎn)動(dòng)性、優(yōu)良的加速性和運(yùn)行的可靠性等特點(diǎn)。部分配備內(nèi)置編碼器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位置精度的精準(zhǔn)定位與控制[2]。FANUC 系統(tǒng)的伺服電機(jī),按照電壓的高低,分為低壓伺服電機(jī)和高壓伺服電機(jī),電壓分別為200 V和400 V。根據(jù)伺服電機(jī)的特性不同,可以分為αi 系列和βi 系列2大類。在αi 系列伺服電機(jī)中,根據(jù)伺服電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用要求的慣量以及轉(zhuǎn)速的不同,可以劃分為αiF 系列與αiS 系列。
選擇伺服電機(jī)要基于電機(jī)的精度、可承受負(fù)載、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、系統(tǒng)要求的最小進(jìn)給單位以及其他外部因素進(jìn)行全方面考慮,進(jìn)而做出合理的選擇。
在機(jī)械加工中,伺服電機(jī)所承受的外部受力包括連續(xù)負(fù)載扭矩(包括自身重力、摩擦力)、加減速過程中的扭矩、切削作用力的扭矩。計(jì)算選型伺服電機(jī)時(shí),需要綜合考量上述受力的大小,進(jìn)行綜合計(jì)算和認(rèn)真分析,最終按照選型規(guī)范和數(shù)據(jù)要求選定型號(hào)。此外,伺服電機(jī)在工作的過程中,由于會(huì)受到外部工作環(huán)境的影響,因此,在選擇伺服電機(jī)時(shí),還需要考慮伺服電機(jī)工作所處的環(huán)境對(duì)電機(jī)的影響,例如溫濕度、震動(dòng)等因素。
2.2.1 電機(jī)選擇的影響因素
數(shù)控機(jī)床選擇進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí),需要考慮機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與電機(jī)相互匹配、電機(jī)工作的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、機(jī)床的加減速及加速時(shí)間、電機(jī)的停止距離等因素。選擇與機(jī)械相匹配的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī),絲杠軸傳動(dòng)主要包括以下6個(gè)因素:1)負(fù)載的慣量比。2)電機(jī)加減速特性(短時(shí)加工因素)。3)電機(jī)工作的連續(xù)負(fù)載扭矩。4)電機(jī)速度。5)電機(jī)扭矩的均方根值。6)電機(jī)的動(dòng)態(tài)剎車距離。通過上述正確的計(jì)算方法,對(duì)電機(jī)進(jìn)行選擇。根據(jù)各軸負(fù)載和加工精度選定的絲杠導(dǎo)程等參數(shù),查詢相關(guān)資料得出以下參數(shù),詳見表1。
表1 各軸參數(shù)表
2.2.2 單絲桿傳動(dòng)軸電機(jī)選型計(jì)算-X軸
2.2.2.1 電機(jī)選型中間變量計(jì)算
參照表1參數(shù)代入計(jì)算,以下為計(jì)算過程。
電機(jī)一轉(zhuǎn)移動(dòng)量P:
式中:Pb為絲桿導(dǎo)程;z為減速比。
電機(jī)最大轉(zhuǎn)速N:
式中:V為電機(jī)進(jìn)給速度。
質(zhì)量折算慣量JI1:
絲桿折算慣量JI2:
式中:v為絲桿密度,鋼鐵材料密度為 7 800 kg/m2;d為絲桿直徑 ,m;z為減速比。
負(fù)載慣量JI:
摩擦扭矩Tf:
空載扭矩Tm:
切削扭矩Tc:
式中:Fc為切削力;P為電機(jī)一轉(zhuǎn)移動(dòng)量。
負(fù)載扭矩Tmc:
式中:Tm為空載扭矩。
加速扭矩Tmax:
根據(jù)上述計(jì)算得出,軸電機(jī)選型中間變量初選定電機(jī)型號(hào)為:ai1/F3000。
2.2.2.2 進(jìn)一步確認(rèn)計(jì)算
負(fù)載慣量比率:
式中:JI為負(fù)載慣量;Jm為轉(zhuǎn)子慣量。
注:該式用于模具加工或有頻繁加減速要求的機(jī)床,負(fù)載慣量比率應(yīng)小于300%,用于零件加工的機(jī)床最大范圍可增至500%。
空載扭矩比率:
式中:Tm為空載扭矩 ;Ts為失速時(shí)的額定扭矩。
注:如果切削力無法確定,暫設(shè)定為0,電機(jī)選型時(shí)根據(jù)空載扭矩比率進(jìn)行選型。一般要求小于30%,保留60%的預(yù)料用于加工切削。
負(fù)載扭矩比率:
式中:Tmc為負(fù)載扭矩;Ts為失速時(shí)的額定扭矩。
注:如果切削力可以確定,不為0,電機(jī)選型時(shí)可根據(jù)負(fù)載扭矩比率進(jìn)行選型。一般要求小于90%,保留10%的余量。選型電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 rev/min大于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速2 500 rev/min,符合技術(shù)要求。選型電機(jī)最大扭矩8 Nm,電機(jī)最大扭矩1.915 Nm。比率為23.9%,小于選型電機(jī)最大扭矩的90%,保留10%的余量。
2.2.3 單絲桿傳動(dòng)軸電機(jī)選型計(jì)算-Z軸
2.2.3.1 軸參數(shù)輸入
參照表1,代入計(jì)算,以下為計(jì)算過程。
2.2.3.2 電機(jī)選型中間變量計(jì)算
2.2.3.3 選型計(jì)算
根據(jù)上述計(jì)算得出,軸電機(jī)初步選型中間變量初選電機(jī)型號(hào)為:ai2/F2000。進(jìn)一步進(jìn)行確認(rèn)計(jì)算如下,滿足要求。
經(jīng)計(jì)算負(fù)載慣量比率為266.67%,空載扭矩比率為7.8%,負(fù)載扭矩比率為7.8%,選型電機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 rev/min大于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速1 666.67 rev/min。選型電機(jī)最大扭矩16 Nm,電機(jī)最大扭矩6.699 Nm。比率為41.8%,小于選型電機(jī)最大扭矩的90%,保留10%的余量。
2.2.4 齒輪傳動(dòng)軸電機(jī)選型計(jì)算-A軸
2.2.4.1 軸參數(shù)輸入
參照表1參數(shù)代入計(jì)算,以下為計(jì)算過程。
2.2.4.2 電機(jī)選型中間變量計(jì)算
電機(jī)一轉(zhuǎn)移動(dòng)量P:
電機(jī)最大轉(zhuǎn)速N:
質(zhì)量折算慣量JI1:
絲杠折算慣量JI2:
式中:v為材料密度,7 800 kg/m2。
負(fù)載慣量JI:
摩擦扭矩Tf:
空載扭矩Tm:
切削扭矩Tc:負(fù)載扭矩Tmc:
加速扭矩Tmax:
2.2.4.3 選型計(jì)算
根據(jù)上述計(jì)算得出,軸電機(jī)初步選型中間變量初選電機(jī)型號(hào)為:ai1/F3000。進(jìn)一步進(jìn)行確認(rèn)計(jì)算如下,滿足要求。
經(jīng)計(jì)算負(fù)載慣量比率為148.33%,空載扭矩比率為2.04%,負(fù)載扭矩比率為2.04%,選型電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 rev/min大于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速2 123 rev/min。選型電機(jī)最大扭矩8Nm,電機(jī)最大扭矩2.848 Nm。比率為35.6%,小于選型電機(jī)最大扭矩的90%,保留10%的余量。
經(jīng)過該次對(duì)普通車床的數(shù)控系統(tǒng)改造,實(shí)現(xiàn)了在車床上進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)操作多種加工方式。例如,加工各類軸的等分和不等分平面,加工軸類零件的各種鍵槽,加工軸類的花鍵槽,銑削加工絲杠,銑削加工軸類的溝槽和凸輪面,車削加工各種軸類零件,拋光加工軸類表面。FANUC 系統(tǒng)的優(yōu)秀性能使數(shù)控系統(tǒng)控制和加工具有高精度、高穩(wěn)定性。該操作系統(tǒng)經(jīng)過先期實(shí)驗(yàn)證明,具有較大的存儲(chǔ)空間和較高的效率,明顯提高了零配件加工的精度,擴(kuò)大了數(shù)控車床的加工范圍,具有很大的實(shí)用性[3]。這次對(duì)舊機(jī)床的改造使工作人員思維更開闊,增加了相關(guān)機(jī)械和數(shù)控系統(tǒng)的知識(shí),而且為企業(yè)節(jié)約了成本。