应用数控技术改造普通机床,是提高制造业加工能力的有效途径。本文介绍应用数控技术,在卧式车床上实现车铣削加工,进行车床数控改造的具体做法,可以使用三轴联动数控系统改造卧式车床,也可以串联使用两套两坐标数控系统,共同实现对一台车床的控制加工。
1.卧式车床的数控改造
数控改造在CA6140卧式车床上进行(或利用卧式二轴联动的数控车床均可),参见附图。车床横向滚珠丝杠7螺距P=5mm,车床横向(X向)步进电动机8的运行控制精度为0.005mm;车床纵向滚珠丝杠9螺距P=12mm,车床纵向(Z向)步进电动机10的运行控制精度为0.005mm;采用两轴联动的经济型数控系统对上述两运动进行控制(此部分也可利用原有的数控车床)。与卧式数控车床不同之处在于:将原来车床刀架(或电动刀架)更换为小型动力铣头6,用来夹持各类柄(棒)状铣刀5,动力铣头的主轴轴线与车床中心线相垂直(也可转动90°与车床中心线平行)。动力铣头由单独的电动机进行控制。更换动力铣头为车床刀架(或电动刀架),即可恢复为数控车床的结构。车床纵向(Z向)、车床横向(X向)运动由一套两轴联动的数控主系统进行控制。
在CA6140车床主轴箱的Ⅺ轴左端部位,参见附图。拆除原车床中连接Ⅺ轴、Ⅻ轴的齿轮(z=100),用FW160型万能分度头3与Ⅺ轴左端连接,选用另一台步进电动机(与X向步进电动机技术参数相同,P=5mm,位移控制精度为0.005mm,区别起见,设其为Y向步进电动机),用来连接FW160型万能分度头的输入蜗杆,因此,可以实现车床主轴Ⅵ(带动工件4)的旋转控制(此时应先使车床主轴处于空挡位置)。FW160型万能分度头和Y向步进电动机安装在铸铁支架2上。移开铸铁支架,装上z=100的齿轮,就可恢复卧式车床原主轴箱与进给运动的传动连接。工件的旋转运动由另一套两轴联动(可以利用其他数控车床)的数控子系统进行控制。数控子系统由数控主系统的发讯指令控制启动运行。两套数控系统最好相同,以方便加工编程和数控加工的同步进行。
此部分数控改造中,Y向步进电动机与分度头的输入蜗杆直接连接,因为分度头的传动比i=1∶40,所以,Y向步进电动机转动1转,带动分度头主轴转动1/40转,Y向步进电动机转动40转,可带动分度头主轴转动1转。
由车床主轴传动系统可知,分度头主轴转动1转,带动车床Ⅺ轴转动1转,经(33/33)×(58/58)传动,驱动控制车床主轴Ⅵ(带动工件)转动1转。
在数控车床X向的运行控制中,X向步进电动机与横向滚珠丝杠直接连接,当给定P=5mm(横向滚珠丝杠的螺距)的运行长度时,滚珠丝杠转动1转,X向步进电动机也转动1转。由于Y向步进电动机同于X向步进电动机,可以得知:当给定Y向步进电动机的配套丝杠螺距P(P=5mm),可使Y向步进电动机转动1转;当给定Y向运行长度Ly=5×40=200(mm),可使Y向步进电动机转动40转,并控制车床主轴带动丝杠工件转动1转,因此可以实现工件的旋转运行。通过Y向步进电动机,控制FW160型万能分度头带动工件实现旋转运动的优点还在于:由于增加了运动中的传动比i,工件的旋转运动呈缓慢趋势运行,因此使得工件的旋转运行精度大为提高,同时,亦使得Y向步进电动机控制工件旋转的力矩成倍增大(Y向步进电动机的静力矩为1.2Nm,故1.2×40=48(Nm)。由《机修手册》查得,调整离合器弹簧的松紧,可以得到不同的极限压力,当切削力矩超过20Nm时,运动被强行中断,起保险作用。由此可以判断,Y向步进电动机的输出力矩大于车床主轴与工件转动时的所需力矩),非常有利于加工的可靠运行和精度的准确控制。同时,步进电动机在静止状态(即车床主轴不转动)时又增大了此运动方向的锁紧力,使其可靠性得到提高和保证。经数控改造后,此数控车床具有三坐标联动和三坐标任意两两联动的功能与车削、铣削的加工功能。
2.数控车铣削方式加工原理
卧式车床经数控改造后,车床主轴有三种运动形式:①车床主轴由Y向步进电动机控制FW160型万能分度头(带动工件)实现旋转运动。②车床主轴不转动(使车床主轴处于空挡位置,数控子系统控制的Y向运行为零时)。③车床主轴由车床原主轴运动控制转动(脱开FW160型万能分度头3与Ⅺ轴左端连接,装上z=100的齿轮,恢复原来结构的连接时)。
数控主系统控制车床纵向(Z向)运动和车床横向(X向)运动,可以在车床主轴不同的旋转运行形式下,执行数控系统的各种加工功能。数控子系统控制车床主轴向(Y向),可以实现车床主轴不同形式与速度的旋转运行。数控主系统可以单独控制Z向运动、X向运动的运行,也可以与数控子系统串联同时实现控制Y向运动的联动运行。
数控子系统(控制Y向)由数控主系统(控制X向、Z向)的发讯指令控制启动运行。数控主系统先控制X向、Z向进行工件表面的各种所需轨迹的插补运行,再利用发讯指令启动数控子系统,此时,应先使数控子系统启动运行处于暂停等待状态。由于发讯指令在启动数控子系统运行的过程中也占用时间,可以通过实际测量工件的旋转误差,调整数控主系统的延时等待时间,以便使两套数控系统控制的各向运动,同步同时进入所需运行轨迹的数控加工。
3.车铣削方式加工零件的类型
(1)铣削加工轴类零件等分或不等分平面车床主轴(Y向)不运行,动力铣头夹持圆柱铣刀且使用铣刀端面进行切削时,应用数控主系统控制车床横向(X向)运动和车床纵向(Z向)运动作单动运行,可以进行不同深度尺寸的平面铣削加工。
当数控系统控制车床主轴(Y向)先作旋转运行,再作上述运行,可以进行轴类零件等分或不等分的平面铣削加工。
(2)铣削加工轴类零件的各类键槽同于上述,车床主轴(Y向)不运行,当更换小尺寸键槽铣刀时,可以进行轴类零件轴向方向上(不同规格尺寸)键槽的铣削加工;当两套数控系统控制车床主轴(Y向)和车床纵向(Z向)的单动或联动运行,可以进行轴类零件圆周表面上(不同规格尺寸)沟槽、斜槽、螺旋槽和圆弧槽以及其他曲线型槽、凸轮槽的铣削加工。同理也可进行轴类零件圆周或圆周平面上各类凸起形状曲线轨迹的铣削加工。
(3)铣削加工丝杠当两套数控系统同时控制Z向和Y向运动的联动运行,在相同的时间内,分别完成工件一个螺距值Lt和工件转动1转Ly的联动位移运行时,可以插补铣削加工单条(等螺距或不等螺距的)螺旋线。当两套数控系统控制Z向、X向和Y向运动单动或联动运行时,可以加工单线(或多线)螺距的丝杠。丝杠型面(T形、矩形、锯齿形或圆弧形等)形状由铣刀型面保证。
利用数控技术的优越功能,亦能进行渐变螺距丝杠和匀变螺距丝杠的数控加工。
(4)铣削加工轴类零件端面的各类沟槽及凸轮型面车床主轴(Y向)不运行,动力铣头中心轴线与车床中心线平行,且应用小尺寸键槽铣刀时,可以进行轴类零件端面上(不同规格尺寸)沟槽或键槽的铣削加工;当两套数控系统控制车床主轴(Y向)和车床纵向(Z向)作联动运行,并配合车床横向(X向)作单动运行时,可以进行轴类零件端面上各类(不同规格尺寸)曲面形状沟槽或键槽的铣削加工。同此亦可进行轴类端面上各类凸起形状轨迹的铣削加工。
车床主轴(Y向)不运行,动力铣头中心轴线与车床中心线垂直时,当两套数控系统控制车床主轴(Y向)和车床纵向(Z向)作联动运行,可以进行轴类零件端面上各类(不同规格尺寸)曲面形状凸轮型面的数控铣削加工。
(5)车削加工轴类零件脱开FW160型万能分度头与Ⅺ轴左端的连接,恢复车床原主轴运动的旋转运动连接,当动力铣头夹持圆柱柄状刀杆的车刀(最好使用机夹可转位车刀),或者更换动力铣头为电动刀台进行切削时,就可恢复普通的数控车削加工。
(6)抛磨加工轴类零件同于上述,当更换各类成形砂轮或抛光轮替代铣刀,亦可进行轴类零件的磨削或抛磨加工。
4.三轴联动数控系统实现零件的车铣削方式加工
使用三轴联动或二轴半(三坐标任意两两联动)的数控系统进行改造,可以使得程序的编制更简便,效果更佳。
CA6140卧式车床的数控改造同前述。数控改造中,用X向步进电动机控制车床的横向进给运动,Z向步进电动机控制车床的纵向进给运动,Y向步进电动机控制FW160型万能分度头驱动车床主轴Ⅵ(带动丝杠工件)的旋转运动。这里与普通数控加工的区别是,使数控系统中Y向原有的直线运行,巧妙地变化为工件的旋转运行,并且工件转动一周的运行位移长度恒定为Ly=5×40=200(mm)。其他数控加工,同于前述控制。
实践证明:如此进行卧式车床的数控改造,在扩展了数控铣削加工功能的前提下,同时避开了一般单位缺少高档数控系统的条件限制,更由于巧妙地串联两套经济型数控系统(一般单位都可以具备),实现了多轴联动控制,拓宽和扩展了数控车床的应用范围,因此,具有很强的实用性。