1 引言
數控機床作為機電一體化的典型產品,在機械製造業中發揮著巨大的作用,很好地解決了現代機械製造中結構複雜、精密、批量小、多變零件的加工問題,且能穩定產品的加工質量,大幅度地提高生產效率。但從目前企業面臨的情況看,因數控機床價格較貴,一次性投資較大使企業心有餘而力不足。我國作為機床大國,對普通機床數控化改造不失為一種較好的良策。本文針對目前國內企業現狀,提出簡易型經濟數控改造思路和設計方法供數控技術人員參考。
2 設計任務與總體方案確定
C616車床主要用於對中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工,這些零件加工工藝要求機床應完成的工作內容有:控制主軸正反轉和實現其不同切削速度的主軸變速;刀架能實現縱向和橫向的進給運動,並具備在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具;冷卻泵、潤滑泵的啟停;加工螺紋時,應保證主軸轉一轉,刀架移動一個被加工螺紋的螺距或導程。這些工作內容,就是數控化改造數控系統控制的對象。察看C616車床及有關資料,並且參照數控車床的改造經驗,確定總體改造方案為:
①對機床的改造部位是: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;主軸後端加一光電編碼器用波紋管連接,供加工螺紋使用;
②數控系統選用江蘇東方數控新技術公司生產的NIM-9702數控系統;
③驅動系統的設計。由於改造設計的是簡易型經濟數控,所以在考慮具體方案時,基本原則是在滿足需要的前提下,對於機床儘可能減小改動量,以降低成本。
總體改造如圖1所示。
圖1 C616車床總體改造圖
3 機械部分設計
縱向進給機構的改造。拆除原機床的進給箱,利用原機床進給箱的安裝孔和銷孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置,兩端採用原固定方式,這樣可減小改裝現場,並由於滾珠絲杠的摩擦係數小於原絲杠,從而使縱向進給整體剛性略優於以前。
橫向進給機構改造。保留原手動機構,用於調整操作,原有的支撐結構也保留,步進電機、齒輪箱體安裝在中拖板的后側。
縱、橫向進給機構都採用了一級齒輪減速,並用雙片齒輪錯齒法消除間隙,雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙,因為彈簧的彈力很難適應負載的變化情況。當負載較大時,彈簧彈力顯得小,起不到自動消除間隙的作用;當負載較小時,彈簧彈力又顯得大,則加速齒輪的磨損。為此採用人工定期調整螺釘緊固的辦法來消除間隙。
刀架的改造。拆除原刀架和小拖板,換上數控刀架。
光電編碼器與車床主軸之間用彈性元件聯結,具體用波紋管聯結。
縱、橫向齒輪箱和絲杠全部加防護罩,以保持防塵和機床整體美觀。改造后的橫向進給系統如圖2所示。
圖2 橫向進給系統圖
4 數控系統簡介及I/O連接
NIM-9702數控系統特點及主要技術指標:
(1)是以單片機為核心的兩坐標聯動經濟型數控系統;
(2)圖形跟蹤CRT顯示;
(3)最小輸出增量:X軸0.005,Z軸0.01;
(4)具有直線、圓弧、螺紋插補和間隙、刀具補償功能;
(5)程序輸入方式:鍵盤、RS-232C;
NIM-9702數控系統I/0介面主要實現與編碼器介面、步進電機控制介面、數控刀架介面和開關量輸入輸出介面。
主軸編碼器反饋信號介面。9芯D型插座,接受主軸編碼器的頭脈衝、碼道脈衝,所選編碼器每轉脈衝應為1200P或2400P。
X軸、Z軸及主軸控制介面。15芯D型插座,用來控制X軸、Z軸步進電機的運動和主軸的轉速。
開關量輸入輸出介面。37芯D型插座,開關量輸入輸出類型:①冷卻液控制口;②輔助輸入輸出口;③刀架控制信號;④主軸控制信號;⑤主軸換檔控制口;⑥超程信號輸入口;⑦回零信號輸入口。
RS-232通訊介面。9芯D型插座,用於連接RS232C介面的計算機或外部設備。
5 驅動系統改造設計
(1)步進電機驅動模塊選擇及控制設計
步進電機驅動模塊選杭州中達電機廠生產的型號為ZD-HB2068驅動模塊,該驅動模塊採用恆相流、變脈寬PWM調製、全功率MOS管組成驅動橋,動態性能好,可靠性高,其控制電路設計如圖3所示。
圖3 驅動電路
圖中CP控制脈衝輸入(來自於數控系統的工作指令);CW/CCW旋轉方向指令輸入,接高電平改變方向;F/H步距角切換指令輸入,高電平為1.50;TIM為相原點輸出指令端;RES清零端。
(2)主電路設計
主軸變速以及正、反轉控制採用變頻器調速控制,數控刀架正、反轉通過改變電路相序來實現,電路設計如圖4所示。
圖4 主電路
(3)主控電路設計
主控電路完成數控系統、主軸電機、數控刀架以及驅動系統供電控制。電路設計如圖5所示。
圖5 主控電路
6 結束語
該數控車床自改造后投入我校實習工廠以來運行正常,沒有出現大的故障,它一方面承擔學生數控操作實習,另一方面擔任生產加工,對企業普及數控化將具有很大的推動作用。