西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 侯清海 王永軍 王俊彪 楊旭東 李振強(qiáng) 朱莉 研究了將普通車(chē)床改造成數(shù)控旋壓機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種改造方法，并以C630車(chē)床為例，詳細(xì)介紹了其機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等技術(shù)方案及改造實(shí)施步驟，將其改造成為一臺(tái)控制精度高，具有力和位移控制功能的基于上下位機(jī)的數(shù)控旋壓機(jī)。本文的研究在理論和方法上為將普通車(chē)床改造成數(shù)控旋壓機(jī)提供了有價(jià)值的參考。 1 引言 旋壓作為金屬塑性加工的一個(gè)重要分支，具有柔性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合加工多種金屬材料，是一種經(jīng)濟(jì)、快速成形薄壁回轉(zhuǎn)體零件的方法。與其它沖壓工藝方法相比，由于它能制造出形狀多樣、尺寸各異的產(chǎn)品，特別是在結(jié)合高效、精密的數(shù)控技術(shù)后，更具有明顯的優(yōu)越性。這些特點(diǎn)使旋壓技術(shù)在航空、航天、火箭導(dǎo)彈、兵器以及其它軍事工業(yè)和民用工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)旋壓工藝與設(shè)備進(jìn)行了大量的研究。Eamonn QuiSley和John Monaghan分析得到了簡(jiǎn)單普通旋壓與多道次普通旋壓過(guò)程中應(yīng)力的變化曲線(xiàn)。夏琴香等研制了XPD型系列數(shù)控旋壓機(jī)床，詳細(xì)介紹了其機(jī)械部分、驅(qū)動(dòng)裝置部分、控制部分的特點(diǎn)。針對(duì)茶壺類(lèi)零件的旋壓加工，將普通車(chē)床改造成專(zhuān)用普旋機(jī)床，分析了刀盤(pán)和縮徑部件的設(shè)計(jì)。 數(shù)控旋壓機(jī)床不僅可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高旋壓產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和成品率，而且還可以成形高精度、形狀復(fù)雜的旋壓產(chǎn)品。然而由于數(shù)控旋壓設(shè)備價(jià)格高，國(guó)內(nèi)許多廠家利用普通車(chē)床及采用手動(dòng)控制的方法進(jìn)行旋壓加工，旋壓設(shè)備落后，旋壓零件的成形質(zhì)量較低。普通車(chē)床改造成數(shù)控旋壓機(jī)具有投資少、控制穩(wěn)定、適合專(zhuān)用旋壓技術(shù)等特點(diǎn)，但將普通車(chē)床改造為數(shù)控旋壓機(jī)，涉及到強(qiáng)度剛度設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其安裝調(diào)試等關(guān)鍵技術(shù)，目前由普通車(chē)床改造為數(shù)控旋壓機(jī)的文獻(xiàn)還少見(jiàn)報(bào)道。 本文提出了一種采用普通車(chē)床改造成數(shù)控旋壓機(jī)的方法，并以C630車(chē)床改造為數(shù)控旋壓機(jī)為例對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，將C630普通車(chē)床改造成為一臺(tái)具有力、位移精確控制功能的數(shù)控旋壓機(jī)。 2 旋壓原理及數(shù)控改造整體思路 旋壓是利用旋壓工具對(duì)旋轉(zhuǎn)坯料施加壓力，使之產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形而成形為所需回轉(zhuǎn)體零件的塑性加工方法。通常是先將金屬平板毛坯或預(yù)制毛坯卡在旋壓機(jī)的旋壓模上，由主軸帶動(dòng)旋壓模和坯料旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生連續(xù)、逐點(diǎn)的塑性變形，從而獲得各種母線(xiàn)形狀的空心旋轉(zhuǎn)體零件，旋壓原理如圖1所示。 將普通車(chē)床改造成數(shù)控旋壓機(jī)需要進(jìn)行床身強(qiáng)度分析，主軸與旋壓模具的固定、旋輪的固定裝置等機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)及旋輪傳動(dòng)裝置的閉環(huán)控制等問(wèn)題的研究。 C630車(chē)床改造成數(shù)控旋壓機(jī)的整體思路（如圖2所示）:為提高精度，對(duì)C630車(chē)床機(jī)械、電氣部分進(jìn)行整修; 利用車(chē)床主體、橫向?qū)к墶⒖v向?qū)к?、主軸轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、三爪卡盤(pán)，改造旋輪、旋輪架，并將橫向和縱向?qū)к壐臑橐簤候?qū)動(dòng)，尾頂部分改為液壓裝置；保留原有的主傳動(dòng)系統(tǒng)和變速操作機(jī)構(gòu)，增加變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的無(wú)級(jí)變速；控制系統(tǒng)部分采用先進(jìn)的比例伺服閥及基于上下位機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)。 3 普通車(chē)床改造成數(shù)控旋壓機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究 3.1 機(jī)械部分的分析與改造設(shè)計(jì) 3.1.1 床身與導(dǎo)軌 通過(guò)建立C630車(chē)床全床身的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。首先在ANSYS中建立機(jī)床的簡(jiǎn)化模型，定義材料屬性和約束條件，然后采用三角形單元對(duì)機(jī)床模型劃分網(wǎng)格，最后在Static（靜態(tài)）分析方式下，進(jìn)行有限元計(jì)算，得到橫向和縱向都加載30kN力時(shí)應(yīng)力應(yīng)變圖（如圖3所示），位移X、Y、Z三個(gè)方向和為0.091mm，應(yīng)力最大值24.26MPa，應(yīng)變最大值0.132e-3，而鑄鐵的抗拉強(qiáng)度在200MPa左右，應(yīng)力值遠(yuǎn)小于床身極限，表明C630車(chē)床的床身與導(dǎo)軌符合要求?？紤]安全系數(shù)及實(shí)際改造需求，確定橫、縱向采用30kN的液壓缸，尾頂缸采用15kN的液壓缸。 3.1.2 旋輪架、旋壓模、旋輪的設(shè)計(jì) C630車(chē)床拖板上原有一個(gè)環(huán)形的燕尾槽，用于固定車(chē)床刀架的底座。在C630車(chē)床改造過(guò)程中，如圖4所示，設(shè)計(jì)旋輪座底座，通過(guò)4個(gè)緊固螺栓與拖板上的環(huán)形燕尾槽相連接，實(shí)現(xiàn)旋輪座360°旋轉(zhuǎn)，便于旋壓加工錐形、喇叭形等復(fù)雜零件。旋輪架安裝在旋輪座上，為使旋輪在輪軸上無(wú)法軸向移動(dòng)，在旋輪內(nèi)安裝了一對(duì)圓錐滾子軸承，用壓蓋將軸承固定。這樣在不同的旋壓過(guò)程中，可以更換旋輪、旋輪架而不需要更換旋輪座，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 旋壓模的外形可根據(jù)零件的形狀要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且要充分考慮旋壓模的定位夾緊及工件的定位。旋輪的設(shè)計(jì)制造對(duì)旋壓成形有重要影響，主要是包括引導(dǎo)角γ成形角α等工作角度的設(shè)計(jì)。旋輪采用GCrl5、9CrSi、CrWMn等材料進(jìn)行制造，淬火硬度要達(dá)到HRC55～62。 3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 如圖5所示，采用橫向油缸、縱向油缸驅(qū)動(dòng)旋輪的橫向和縱向運(yùn)動(dòng)，采用尾頂油缸實(shí)現(xiàn)工件的頂緊。橫向油缸與縱向油缸分別由各自的比例伺服閥控制，尾頂油缸由電磁閥控制。在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)液壓缸直徑、比例閥流量、液壓泵功率及運(yùn)動(dòng)速度等的詳細(xì)計(jì)算，并綜合考慮空間尺寸、重量、剛度、成本和密封性等方面的要求，選擇相應(yīng)的液壓元器件。 3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 改造后的數(shù)控旋壓機(jī)控制方式有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種，控制系統(tǒng)由上位機(jī)工控機(jī)和下位機(jī)PLC組成，通過(guò)VC++自主開(kāi)發(fā)上位機(jī)旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)控制程序，通過(guò)RS232接口實(shí)現(xiàn)上位工控機(jī)和下位機(jī)PLC之間的數(shù)據(jù)共享。其中PLC主要分為CPU單元、開(kāi)關(guān)量輸入輸出單元、模擬量的輸入輸出單元、高速計(jì)數(shù)器單元，如圖6。 X軸、Y軸的位移由比例伺服閥控制實(shí)現(xiàn)，尾頂裝置的移動(dòng)由電磁閥控制實(shí)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速采用變頻器控制，并通過(guò)角位移傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。 如圖7所示，X軸、Y軸的位移閉環(huán)控制過(guò)程為：給定一個(gè)位移控制目標(biāo)值，根據(jù)光柵尺位移傳感器對(duì)實(shí)際位移量的檢測(cè)值和計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的反饋信息進(jìn)行比較，得到一個(gè)差值，通過(guò)PID控制算法，輸出比例伺服閥開(kāi)度控制電壓，通過(guò)比例伺服閥控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)。 X軸、Y軸壓力檢測(cè)通過(guò)壓力傳感器實(shí)現(xiàn)，其過(guò)程與位移控制一樣，通過(guò)比例伺服閥實(shí)現(xiàn)力的閉環(huán)控制。 4 改造步驟及效果 改造步驟如下： （1）確定改造方案，提出改造計(jì)劃； （2）分析計(jì)算車(chē)床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確定最大旋壓力及行程； （3）對(duì)車(chē)床進(jìn)行整修，提高主軸、導(dǎo)軌、拖板的精度； （4）液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及液壓原器件選型； （5）對(duì)機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算，設(shè)計(jì)制造零部件； （6）機(jī)械部分安裝調(diào)試； （7）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原器件選型； （8）控制系統(tǒng)硬件安裝及控制軟件編寫(xiě)； （9）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)； （10）驗(yàn)收檢查。 改造過(guò)程中，應(yīng)注意如下事項(xiàng)： （1）在滿(mǎn)足精度要求的條件下，車(chē)床原有的機(jī)械和傳動(dòng)系統(tǒng)；盡量利用普通車(chē)床原有的機(jī)械和傳動(dòng)系統(tǒng)； （2）對(duì)車(chē)床進(jìn)行整修時(shí)，要對(duì)照數(shù)控改造設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行拆除，及時(shí)在圖紙上做出標(biāo)記以防止遺漏和過(guò)拆； （3）安裝調(diào)試過(guò)程中，要先模擬后實(shí)動(dòng)，先空載后加載，調(diào)試結(jié)果隨時(shí)記錄在案，以便發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題； （4）安裝好旋輪后要使用百分表測(cè)量旋輪的跳動(dòng)，如果跳動(dòng)在0.03mm以上，就需要調(diào)整軸承壓蓋的螺釘，最終將跳動(dòng)調(diào)整到允許范圍以?xún)?nèi)； （5）要根據(jù)記錄的安裝調(diào)試結(jié)果盡量消除機(jī)床的傳動(dòng)誤差； （6）當(dāng)全部調(diào)試正常后，方可進(jìn)行試加工，若無(wú)誤可進(jìn)行正式加工。 通過(guò)上述步驟，C630車(chē)床改造后的數(shù)控旋壓機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，控制精度高，獲得比較理想的改造效果，其性能參數(shù)如下：最大加工毛坯直徑為600mm;旋輪架橫向行程300mm,縱向行程500mm，在平面內(nèi)可以進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)；最大橫向旋壓力30kN，縱向旋壓力30kN；尾頂行程400mm，最大尾頂力15kN；主軸轉(zhuǎn)速可在26～1600r/min間實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。主軸電機(jī)功率為10kW，冷卻液泵功率為500W，液壓泵功率為4kW；位移控制精度可達(dá)到5/1000mm，力控制精度可達(dá)到1/1000N。 5 結(jié)束語(yǔ) 本文分析了將普通車(chē)床改造成數(shù)控旋壓機(jī)的原理和步驟，詳細(xì)研究了改造過(guò)程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并以C630車(chē)床為例，將其改造成為一臺(tái)基于上下位機(jī)控制模式，具有力和位移控制的高精度數(shù)控旋壓機(jī)。用于教學(xué)和科研，為旋壓機(jī)理研究創(chuàng)造了良好的條件，取得了良好的實(shí)際效果。在改造過(guò)程中，綜合考慮了控制精度和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求，節(jié)約了資金，其改造方法具有推廣價(jià)值，在理論和方法上為普通車(chē)床改造成數(shù)控旋壓機(jī)提供了有價(jià)值的參考。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集