展海瑜

(天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司技術(shù)中心，甘肅天水741024)

雖然數(shù)控型機(jī)床以其高效率、高精度、高度自動化的優(yōu)勢，已經(jīng)在各種金屬加工領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展，但由于其造價成本偏高，不可能短時期得到大范圍的使用。根據(jù)工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，普通型機(jī)床在我國的金切加工工業(yè)中仍占有主導(dǎo)地位。

傳統(tǒng)的普通型機(jī)床大多數(shù)都采用純機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，各種功能的操作也都是靠人工完成;對于小型機(jī)床，這樣的傳動結(jié)構(gòu)和操作方式，還能實(shí)現(xiàn);而對于一些大、重型機(jī)床設(shè)備，這種純機(jī)械的傳動結(jié)構(gòu)和全人力的操作方式不但給機(jī)床的加工、裝配帶來相當(dāng)大的難度，而且使機(jī)床的各種功能操作轉(zhuǎn)換無法實(shí)現(xiàn);于是，在機(jī)床的設(shè)計研發(fā)過程中，人們就提出了這樣的一個問題，能不能設(shè)法給普通機(jī)床中引入電子元器件，利用簡單的PLC(Programmable Logic Controller)控制來簡化普通機(jī)床的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)和人工操作方式。

伺服電動機(jī)的引入是一個突破口?，F(xiàn)階段，伺服電動機(jī)已發(fā)展到了一個特別成熟穩(wěn)定的時期;各種普通機(jī)床中已有采用PLC控制交流伺服電動機(jī)，利用伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩特性，簡化原機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)PLC的電鈕操作代替原手工搬手把操作的先例。從而使得機(jī)床機(jī)械傳動設(shè)計簡單、生產(chǎn)加工裝配難度下降、控制操作也省時省力。

下面以我公司產(chǎn)品C8480重型軋輥車床進(jìn)給傳動鏈中，設(shè)計利用交流伺服電動機(jī)為例，簡述該技術(shù)在機(jī)床中的設(shè)計應(yīng)用過程，及其所取得的成效。

1 C8480重型軋輥車床進(jìn)給傳動鏈的要求和特點(diǎn)

軋輥車床主要用于對冶金工業(yè)中軋機(jī)上的工作輥和支承輥的粗、精加工，及對成型面的修復(fù)加工［1］。軋輥車床與普通車床相比，最大特點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速、大扭矩、大切削量，不要求車削螺紋;即主傳動系統(tǒng)與縱、橫向進(jìn)給之間無須嚴(yán)格配比的傳動鏈。這就為伺服電動機(jī)的引入創(chuàng)造了必要的前提條件。

2 傳統(tǒng)軋輥車床的縱向進(jìn)給傳動鏈

如圖1所示，傳統(tǒng)的小型軋輥車床進(jìn)給傳動的動力源是由機(jī)床的主軸經(jīng)滑移齒輪1進(jìn)行一級調(diào)速，傳至光杠，經(jīng)滑移齒輪2進(jìn)行正、反向轉(zhuǎn)換，再分別經(jīng)過滑移齒輪3和滑移齒輪4形成兩級背曲結(jié)構(gòu)，傳至蝸桿蝸輪副;加大進(jìn)給鏈降速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給的大傳動扭矩輸入;使得機(jī)床刀架的強(qiáng)力切削有了保證;如果刀架需快速進(jìn)刀，可將滑移齒輪4置于空位，啟動進(jìn)給箱右方的快進(jìn)電動機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)刀架的快進(jìn)。

該進(jìn)給機(jī)構(gòu)雖然曾一度成為經(jīng)典，也能夠成功完成機(jī)床的各種重切需求;但是從圖1進(jìn)給傳動原理圖和圖2操作展開圖中不難發(fā)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)存在的問題及局限性:

(1)傳動機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜，加上主軸箱中的一級變速，進(jìn)給僅僅能實(shí)現(xiàn)16級有級調(diào)速，進(jìn)給轉(zhuǎn)速特別有限;

(2)操作手柄多且雜，不同轉(zhuǎn)速的匹配操作較復(fù)雜;且完全依靠手動手柄操縱，費(fèi)時費(fèi)力，工作效率低下;

(3)進(jìn)給的動力源從主軸經(jīng)過光杠傳入，當(dāng)機(jī)床長度規(guī)格增大時，光杠加長、擺副加大，傳動精度下降;

(4)當(dāng)機(jī)床的直徑規(guī)格加大時，進(jìn)給傳動規(guī)格做大做強(qiáng)后，此傳動機(jī)構(gòu)的操作難度隨著加大，僅靠人力恐難完成;

(5)加工制作箱體的難度相對較大、裝配過于復(fù)雜，生產(chǎn)周期較長。

3 PLC控制伺服電動機(jī)驅(qū)動的新型縱向進(jìn)給傳動鏈

如圖3所示，由伺服電動機(jī)驅(qū)動的進(jìn)給機(jī)構(gòu)已相當(dāng)簡化，機(jī)構(gòu)中引入了3件電磁離合器進(jìn)行快速與工進(jìn)的切換:當(dāng)電磁離合器1和2吸合、電磁離合器3斷開時，進(jìn)給傳動處于工進(jìn)狀態(tài);當(dāng)電磁離合器3吸合、電磁離合器1和2斷開時，進(jìn)給傳動處于快移狀態(tài)。由于伺服電動機(jī)自行可以進(jìn)行無級調(diào)速及正、反向驅(qū)動，于是可以精簡原光杠傳動副和正、反向轉(zhuǎn)換及各級變速齒輪副，使得箱體結(jié)構(gòu)大大簡化，機(jī)床進(jìn)給傳動精度再不受長度規(guī)格限制;同時生產(chǎn)裝配難度也降低。

又根據(jù)伺服電動機(jī)特性曲線(圖4)，在進(jìn)行設(shè)計時，選配合理的電動機(jī)扭矩速度特性范圍，可以實(shí)現(xiàn)在不降低原驅(qū)動扭矩的情況下，進(jìn)給轉(zhuǎn)速實(shí)行無級調(diào)速，極大地拓展了進(jìn)給速度可調(diào)范圍。

從電氣控制角度來看，采用PLC控制單元對進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行各種動作控制也很簡單，線路也并不繁瑣，加之現(xiàn)階段，伺服電動機(jī)和各種PLC控制單元性能已發(fā)展的相當(dāng)成熟穩(wěn)定，使得該機(jī)構(gòu)的電氣控制性能有了可靠保證。其控制原理框圖如圖5所示，通過機(jī)床操作面板上的各種功能按鈕，就能完成機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動各種動作和不同速度的轉(zhuǎn)換;使得一臺普通機(jī)床的操作進(jìn)入了一個半自動化狀態(tài)。

4 PLC控制進(jìn)給傳動的優(yōu)點(diǎn)［3］

(1)采用伺服電動機(jī)驅(qū)動，簡化機(jī)械傳動鏈，提高了進(jìn)給傳動的穩(wěn)定性及精度;

(2)應(yīng)用不受機(jī)床規(guī)格的限制，特別適合于各種大、重型機(jī)床及專用機(jī)床推廣使用;

(3)設(shè)計技術(shù)簡單、裝配制作容易、可操作性強(qiáng);

(4)生產(chǎn)制作成本低、周期短、應(yīng)用操作難度不大，對人員技術(shù)水平要求不高;

(5)提升機(jī)床技術(shù)含量，使得操作更加宜人化。

5 結(jié)語

本文介紹的新型進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)，在我公司多種機(jī)床上已推廣實(shí)際應(yīng)用，其操作控制性能穩(wěn)定可靠、屬于新技術(shù)的引用和推廣。經(jīng)國內(nèi)外數(shù)家用戶使用，一致反映使用效果良好。經(jīng)公司去年推薦，國家專利局審批，已獲得國家實(shí)用新型專利(ZL200820209838.1)。

［1］《機(jī)床設(shè)計手冊》編寫組.機(jī)床設(shè)計手冊:第三冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

［2］FAGOR AUTOMATION伺服驅(qū)動系統(tǒng)通用手冊［Z］.北京發(fā)格自動化設(shè)備有限公司，2004.

［3］張建生，趙燕偉，郭建江，等.數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用及開發(fā)［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.