可編程尾座裝置在數控車床上的應用

王建紅

(天水星火機床有限責任公司，甘肅 天水 741024)

隨著祖國的繁榮昌盛和經濟的快速發展，實體經濟已經成為一個國家綜合實力的重要保障，其中數控機床的發展無疑在實體經濟中有著舉足輕重的地位，它對國家經濟安全和國防建設都具有重要影響。隨之而來的是對數控機床要求越來越高的自動化程度，但是目前國內數控精密車床中尾座縱向移動裝置普遍采用手動操作[1]，效率低下，工作強度高，自動化控制簡陋。隨著科學技術新發展，新理念、新方法的快速應用，“中國制造2025”的逐步推進，柔性制造單元的普遍使用，對數控機床在新時代下提出了新要求。鑒于以上情況，筆者公司在數控機床尾座部分設計了可編程尾座裝置，實現了尾座的自動化控制。可編程尾座裝置及控制系統的作用是為使機床自動化程度更高，縮短操作者的裝夾時間，降低操作者的勞動強度，縮短加工時的輔助時間，提高設備的自動化程度。該裝置在筆者公司研發的數控精密車床中使用，得到了用戶的一致好評，特別是在軸類零件加工的生產線上有著極其優良的表現。

1 可編程尾座結構設計

可編程尾座裝置分兩部分[2]：

第一部分為尾座縱向移動裝置，如圖1所示，其結構形式為后軸承座2和前軸承座5分別安裝與床身上，滾珠絲杠副3安裝于后軸承座2和前軸承座5中間，通過鎖緊螺母1鎖緊，滾珠絲杠副通過連接板4和尾座體通過螺釘相連，伺服電機7與滾珠絲杠副3通過聯軸器6相連，伺服電機7通過螺釘與前軸承座5固定安裝，通過伺服電機傳動滾珠絲杠帶動尾座縱向移動。由于整個尾座的運動都是通過伺服電機傳動滾珠絲杠來進行的，因此滾珠絲杠的設計和伺服電機的選型都至關重要。

第二部分為尾座夾緊裝置，如圖2所示，其結構形式為碟簧油缸9置于尾座體8中，壓板11通過連接螺釘10將尾座體8與床身導軌下滑面接觸，尾座夾緊裝置的動作過程按液壓系統設置好壓力值，通過手動松開按鈕或M代碼使電液換向電磁閥通電，油壓推動碟簧油缸9使其松開壓板11，使尾座處于松開狀態；通過手動鎖緊按鈕或M代碼使電液換向電磁閥斷電，切換油路，使碟簧油缸9復位，將壓板11鎖緊在床身導軌下滑面上，使尾座處于鎖緊狀態。通過數控系統控制尾座的鎖緊與松開，并在數控系統內設置了尾座松開、鎖緊與尾座縱向移動裝置的互鎖，尾座在鎖緊狀態下，尾座縱向移動裝置無效。通過數控系統控制，使其不僅可以實現尾座的可編程控制，也可以在手動方式下實現快速移動。

2 可編程尾座工作原理

尾座縱向移動裝置主要是完成尾座的自動定位，以工件的端面設置為零點，其功能是通過伺服電機驅動滾珠絲杠實現尾座的可編程控制。尾座的鎖緊裝置主要是完成尾座定位之后保持尾座位置不變，尾座的鎖緊裝置由碟簧油缸、壓板和連接螺栓組成，其功能是將碟簧油缸置于尾座體中，讓壓板和床身導軌下滑面接觸，當完成尾座的定位之后實現鎖緊。尾座需要縱向移動時，通過M代碼或手動方式控制電磁閥通電，通過液壓系統控制放松壓板，解除電氣互鎖，并設置了互鎖指示燈，可以在系統上手動調整尾座縱向移動或通過編程實現操作的自動化控制。

3 頂尖運動機構設計分析及尾座驅動部件選型計算

尾座的主要功能是在加工軸類零件時，使用其頂尖頂緊工件，保證工件加工時的穩定性[3]，因此尾座頂尖運動機構的動力分析至關重要。本文設計的可編程尾座中頂尖安裝在尾座套筒中，套筒內置碟簧彈性柔性保護裝置，起安全保護作用。同時，在尾座套筒里安裝了電子壓力傳感器，檢測頂緊力，根據工件的重量不同，可以設置不同的頂緊力。電子壓力傳感器檢測頂緊力，當達到頂緊力時，由電子壓力傳感器給控制系統發出頂緊信號，停止頂緊動作，頂緊指示燈點亮。并且電子壓力傳感器傳輸的信號也用于控制自動上下料，如果想手動控制上下料，可以通過專門設計的手動、自動轉換開關來實現轉換，控制程序內也設定了手動自動互鎖，保證了操作的安全性。內置碟簧彈性柔性保護裝置既保護滾珠絲杠硬擠壓問題，同時也保證能夠夾緊工件，保證工件的加工質量，防止工件擠壓變形。尾座套筒由液壓缸來驅動[4]，在液壓缸上設置了檢測開關，調節頂尖伸長行程。

整個尾座部分都是靠伺服電機傳動滾珠絲杠來完成定位和移動，下面將以筆者公司機床為例來選型滾珠絲杠副和伺服電機。

3.1 滾珠絲杠副的選型

滾珠絲杠副的設計應根據尾座的結構特點選擇合適的支撐方式[5]；根據快移速度，電機轉速及傳動比計算絲杠的導程；根據尾座的工況計算平均轉速和平均載荷，并根據尾座預期的工作時間或者工作距離來估算滾珠絲杠的額定動載荷；根據尾座預設的定位精度，結合絲杠的支撐方式確定絲杠的直徑及精度等級。下面是具體的選型計算步驟。

(1)確定尾座工作條件及要求

選用磨制絲杠副(右旋)，采用一端固定、一端支撐的安裝方式；最大行程為1 200 mm，絲杠總長為1 600 mm；尾座最高移動速度Vmax為14 m/min；預期工作壽命Lh為24 000 h；電機最高轉速nmax為1 800 r/min；電機至絲杠的傳動比為i=1；定位精度：最大行程內行程誤差為0.035 mm；尾座質量W為1 200 kg，重力加速度g為9.8 m/s2，尾座與床身導軌的摩擦系數μ為0.1,所以，尾座與床身導軌間的摩擦阻力：FW=μ×W×g=0.1×1 200×9.8≈1 200 N。

(2)計算滾珠絲杠導程Ph

滾珠絲杠導程Ph根據預定尾座的最大移動速度Vmax、電機的最高轉速nmax和傳動比i由下面的公式計算。

為了安全性考慮，我們選擇Ph=10 mm。

(3)計算平均轉速nm、平均載荷Fm、額定動載荷Cam

平均轉速nm：選常用的3種轉速進行計算，尾座快速移動時的轉速n1為1 000 r/min，尾座正常移動時的轉速n2為200 r/min，尾座慢速接近工件端面時的轉速n3為10 r/min；Q1、Q2和Q3分別為尾座快速移動、尾座正常移動和尾座慢速接近工件端面的工作時間占總工作時間的比例，分別為Q1=10%，Q2=80%，Q3=10%。所以，平均轉速為：

nm=n1×Q1+n2×Q2+n3×Q3

平均載荷Fm：由于尾座定位后，處于鎖緊狀態，切削阻力對尾座絲杠副受力影響不大，所以絲杠副承受的載荷可只考慮尾座移動過程中所受到的摩擦阻力，因此，平均載荷Fm=FW，即：Fm=1 200 N。

額定動載荷Cam按下式計算：

式中:nm為平均轉速；Fm為平均載荷；Lh為預期工作時間；Fw為負荷系數，無沖擊取1～1.2，輕微沖擊取1.2 ～1.5，有沖擊和振動取1.5～2，本裝置取1.2；Fa為精度系數，1～3級精度取1.0，4～5級精度取0.9，5級以下取0.7～0.8，本裝置取0.9；Fc為可靠性系數，一般取1。

(4)確定絲杠副規格型號

根據以上計算的導程和額定動載荷，對比滾珠絲杠副產品樣本，查出適合的規格型號為：NFZ4010-3，即選用公稱直徑為40 mm，導程為10 mm,循環圈數為3圈的內循環滾珠絲杠副。鑒于篇幅的限制，這里不做校核計算。

3.2 伺服電機的選型

伺服電機的選型主要是通過負載的物理特性、負載的工作特性、系統要求以及工作環境來決定的?；蛘呖紤]機械部分的傳動結構與電機的匹配、電機的運轉速度、機械運動的加減速大小、電機的停止距離等因素來選擇伺服電機[6]。

根據尾座裝置的實際工作條件，在不考慮角加速度所造成的扭矩的情況下，電機工作所需的驅動扭矩M1見式(1)。

M1=Ma+Mpmax+Mu

(1)

式中：Ma為軸向負荷產生的扭矩；Mpmax為絲杠副預緊力產生的最大扭矩；Mu為絲杠副兩端軸承產生的摩擦力矩。

(1)計算軸向負荷產生的扭矩Ma

參照《機床設計手冊》中零件設計部分[7]，軸向負荷產生的扭矩計算公式見式(2)：

(2)

式中：P為絲杠所受軸向力；Ph為絲杠導程Ph=10 mm；η為絲杠副的效率，取η=0.9。

根據前面的計算，P=Pw=1 200 N，按式(2)計算所得Ma≈2.12 N·m。

式中：Fpr為絲杠副預緊力，一般取最大軸向載荷的1/3，所以Fpr=1 200/3=400 N；Ph為絲杠的導程；η為絲杠副的效率。

(3)計算絲杠副兩端軸承產生的摩擦力矩Mu

絲杠前后兩端各安裝了2個軸承，選用的是德國舍弗勒集團FAG品牌軸承，前軸承型號為BSB030062，后軸承型號為BSB035072。查FAG滾動軸承樣本[9]得前后軸承的摩擦力矩均為0.1 N·m。

所以：Mu=0.1×2+0.1×2=0.4

(4)計算電機工作所需的驅動扭矩M1

M1=Ma+Mpmax+Mu=2.12+0.134+0.4=2.654

(5)確定電機規格型號

雖然電機的種類不同，但一般以等速時的驅動扭矩不得超過電機額定扭矩的30%情況下使用。根據上面計算所得的驅動轉矩M1，考慮零部件加工過程和裝配過程中的不確定因素，以及使用環境等綜合因素，參照伺服電機選型樣本，選定伺服電機型號為βis12/2000，其額定扭矩10.5 N·m ,額定轉速2 000 r/min，滿足使用要求。

4 結語

從實際使用情況來看，該裝置性能可靠、操作靈活方便，在工件基準不變的情況下，提高了工件精度和工作效率，具有良好的實用性能。該裝置可用于車床、鏜孔專用機床等配套尾座的機床，可提高機床的加工效率，減輕工人的勞動強度，為機床實現自動化創造了條件。