普通車床的數控系統改造

程 宇

（北京中麗制機工程技術有限公司，北京 101111）

0 引言

從目前世界的數控技術及其裝備發展的方向來看，主要研究重點有3個方面：1）高轉速、高精度數控設備加工技術及設備發展的新趨勢，效率和加工質量是先進制造技術的最終目的。2） 五軸聯動機床加工和復合機械加工機床最近的發展方向。3）智能化、開放式和網絡化成為當今數控機床行業發展的主要趨勢。

在實踐中采用了FANUC 0i-MD數控操作系統作為該機床的核心控制原件，實現了普通車床進行車、銑、削、磨等復雜加工以及多種加工方式的復合功能數控改造。

1 車床的數控化改造

國產C616A型臥式車床是20世紀后期生產的1種加工效率高、易操作和占有率較大的普通車床。以下為普通車床進行改造的分析[1]。

項目具體實施方法：將原有車床中托班刀架更換為電力驅動的動力銑頭，用它來夾持各類柄（棒）狀銑刀，動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動平臺也可轉動90°與車床中心線平行）。動力銑頭選用電動主軸進行控制。如果要恢復為車床狀態，可以更換動力銑頭為車床刀架（或電動刀架），即可恢復成普通數控車床。改造后，車床縱向（Z向）、車床橫向（X向）和主軸A軸實現三軸聯動的數控系統。

在國產C616A車床主軸箱的Ⅺ軸左側部位，拆除原車床中Ⅺ軸、Ⅻ軸上的齒輪問題（齒數Z=100個），選用FWl60型萬能分度頭與Ⅺ軸左端用聯軸器連接。并選用伺服驅動電機為A軸動力驅動，驅動電機與FWl60型萬能分度頭輸入段通過渦輪蝸桿連接方式進行連接。經過上述安裝，可以實現伺服電機對該車床主軸Ⅵ的旋轉控制。將FWl60型萬能分度頭和A軸伺服電機固定安裝在機床外部支架上。車床主軸的旋轉動作即由機床的數控系統進行控制。經過相關計算，A軸伺服驅動電機與分度頭輸入端的軸頭連接，選擇分度頭的傳動比為1∶40，伺服驅動A軸電機轉動1圈，傳遞到分度頭輸出軸后，其轉動1/40圈。A軸伺服啟動電機轉動40圈，經過減速分度頭主軸轉動1圈。經過相關計算可知，分度頭輸出軸轉動一圈，機床主軸轉動1圈。

在數控車床X向的相關配套零件的選型中，X軸驅動電機與滾珠絲杠通過扭力限制聯軸器連接。當系統進給距離為t=4 mm時，滾珠絲杠需要轉動1圈，隨即X向驅動電機也轉動1圈。機床Z向相關計算，選定絲杠t=10 mm，即當給定Z軸方向運行長度Lz＝10×40＝400 mm時，可以控制Z向絲杠轉動40圈，即Z軸驅動電機轉動40圈。根據《C616使用說明書》，國產C616A普通車床主軸傳動中，可以通過調節彈性離合器的松緊得到不同的極限主軸回轉扭矩。

經過改造的普通機床具有了三軸聯動的性能特點。解決了生產加工中工件的粗糙度和精度等級問題，加工精度可以控制在0.05 mm以內，粗糙度也明顯改善，提高了工作效率，減少了單機能耗。

2 FANUC伺服電機的選型和計算

2.1 FANUC 伺服電機簡介

FANUC 系統的伺服電機具有平滑的轉動性、優良的加速性和運行的可靠性等特點。部分配備內置編碼器，可以實現對位置精度的精準定位與控制[2]。FANUC 系統的伺服電機，按照電壓的高低，分為低壓伺服電機和高壓伺服電機，電壓分別為200 V和400 V。根據伺服電機的特性不同，可以分為αi 系列和βi 系列2大類。在αi 系列伺服電機中，根據伺服電機現場使用要求的慣量以及轉速的不同，可以劃分為αiF 系列與αiS 系列。

2.2 伺服電機的選型

選擇伺服電機要基于電機的精度、可承受負載、轉動速度、系統要求的最小進給單位以及其他外部因素進行全方面考慮，進而做出合理的選擇。

在機械加工中，伺服電機所承受的外部受力包括連續負載扭矩（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。計算選型伺服電機時，需要綜合考量上述受力的大小，進行綜合計算和認真分析，最終按照選型規范和數據要求選定型號。此外，伺服電機在工作的過程中，由于會受到外部工作環境的影響，因此，在選擇伺服電機時，還需要考慮伺服電機工作所處的環境對電機的影響，例如溫濕度、震動等因素。

2.2.1 電機選擇的影響因素

數控機床選擇進給驅動電機時，需要考慮機械傳動結構與電機相互匹配、電機工作的運轉速度、機床的加減速及加速時間、電機的停止距離等因素。選擇與機械相匹配的伺服驅動電機，絲杠軸傳動主要包括以下6個因素：1）負載的慣量比。2）電機加減速特性（短時加工因素）。3）電機工作的連續負載扭矩。4）電機速度。5）電機扭矩的均方根值。6）電機的動態剎車距離。通過上述正確的計算方法，對電機進行選擇。根據各軸負載和加工精度選定的絲杠導程等參數，查詢相關資料得出以下參數，詳見表1。

表1 各軸參數表

2.2.2 單絲桿傳動軸電機選型計算-X軸

2.2.2.1 電機選型中間變量計算

參照表1參數代入計算，以下為計算過程。

電機一轉移動量P：

式中：Pb為絲桿導程；z為減速比。

電機最大轉速N：

式中：V為電機進給速度。

質量折算慣量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為電機一轉移動量。

負載扭矩Tmc：

式中：Tm為空載扭矩。

加速扭矩Tmax：

根據上述計算得出，軸電機選型中間變量初選定電機型號為：ai1/F3000。

2.2.2.2 進一步確認計算

負載慣量比率：

式中：JI為負載慣量；Jm為轉子慣量。

注：該式用于模具加工或有頻繁加減速要求的機床，負載慣量比率應小于300%，用于零件加工的機床最大范圍可增至500%。

空載扭矩比率：

式中：Tm為空載扭矩 ；Ts為失速時的額定扭矩。

注：如果切削力無法確定，暫設定為0，電機選型時根據空載扭矩比率進行選型。一般要求小于30%，保留60%的預料用于加工切削。

負載扭矩比率：

式中：Tmc為負載扭矩；Ts為失速時的額定扭矩。

注：如果切削力可以確定，不為0，電機選型時可根據負載扭矩比率進行選型。一般要求小于90%，保留10%的余量。選型電機轉速3 000 rev/min大于電機的最大轉速2 500 rev/min，符合技術要求。選型電機最大扭矩8 Nm，電機最大扭矩1.915 Nm。比率為23.9%，小于選型電機最大扭矩的90%，保留10%的余量。

2.2.3 單絲桿傳動軸電機選型計算-Z軸

2.2.3.1 軸參數輸入

參照表1，代入計算，以下為計算過程。

2.2.3.2 電機選型中間變量計算

2.2.3.3 選型計算

根據上述計算得出，軸電機初步選型中間變量初選電機型號為：ai2/F2000。進一步進行確認計算如下，滿足要求。

經計算負載慣量比率為266.67%，空載扭矩比率為7.8%，負載扭矩比率為7.8%，選型電機轉速2 000 rev/min大于電機的最大轉速1 666.67 rev/min。選型電機最大扭矩16 Nm，電機最大扭矩6.699 Nm。比率為41.8%，小于選型電機最大扭矩的90%，保留10%的余量。

2.2.4 齒輪傳動軸電機選型計算-A軸

2.2.4.1 軸參數輸入

參照表1參數代入計算，以下為計算過程。

2.2.4.2 電機選型中間變量計算

電機一轉移動量P：

電機最大轉速N：

質量折算慣量JI1：

絲杠折算慣量JI2：

式中：v為材料密度，7 800 kg/m2。

負載慣量JI：

摩擦扭矩Tf：

空載扭矩Tm：

切削扭矩Tc：負載扭矩Tmc：

加速扭矩Tmax：

2.2.4.3 選型計算

根據上述計算得出，軸電機初步選型中間變量初選電機型號為：ai1/F3000。進一步進行確認計算如下，滿足要求。

經計算負載慣量比率為148.33%，空載扭矩比率為2.04%，負載扭矩比率為2.04%，選型電機轉速3 000 rev/min大于電機的最大轉速2 123 rev/min。選型電機最大扭矩8Nm，電機最大扭矩2.848 Nm。比率為35.6%，小于選型電機最大扭矩的90%，保留10%的余量。

3 結論

經過該次對普通車床的數控系統改造，實現了在車床上進行數控系統操作多種加工方式。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 系統的優秀性能使數控系統控制和加工具有高精度、高穩定性。該操作系統經過先期實驗證明，具有較大的存儲空間和較高的效率，明顯提高了零配件加工的精度，擴大了數控車床的加工范圍，具有很大的實用性[3]。這次對舊機床的改造使工作人員思維更開闊，增加了相關機械和數控系統的知識，而且為企業節約了成本。