飛機副油箱傳感器安裝座加工用機床的數控化再制造

孫義婷

（滁州職業技術學院 電氣工程學院，安徽 滁州 239000）

我國現有機床約1000萬臺，其中老舊機床約300多萬臺［1］，數控化程度較低，功能上已不再適應時代的要求。機床數控化再制造技術可通過對廢舊機床的重新改造，實現廢舊機床的再利用，符合綠色設計和可持續發展理念，有利于提升廢舊機床利用率，提高機械加工的信息化、專用化程度，在經濟、社會和環保等方面都具有深遠意義。

軍用飛機的副油箱上通常會安裝燃油檢測傳感器，目的是檢測副油箱中油液的液面高度以及油壓等參數［2-3］。飛機副油箱中段為一中空回轉體，傳感器安裝座貫穿于副油箱的表面，二者的交接口為一立體相貫面［4］。傳感器安裝座與副油箱的配裝如圖1所示，以某型號傳感器安裝座為例，其二維CAD工程圖如圖2所示。由圖2可以看出，傳感器安裝座的A表面與副油箱的內表面相貼合，B表面突出于副油箱的外表面，C表面與A表面等高，3個表面均為立體相貫面，每個表面均由一系列立體相貫線組合而成。安裝時，將傳感器安裝座從油箱內部向上托起，使得A面與副油箱內表面貼合，然后采用鉚接A面或高溫熔焊B面的方式進行固定。目前，此型號傳感器安裝座的A、B、C相貫面均無法采用普通車床和銑床加工，需要專用工裝輔以手工修磨進行加工［4］，工裝復雜、工序多、效率低、精度差。雖然也可采用加工中心進行加工，但加工中心設備投資大、維護成本高，操作繁瑣、編程復雜，且加工效率較低。

圖1 傳感器安裝座與飛機副油箱配裝示意圖Fig. 1 Schematic diagram of sensor installation seat and aircraft auxiliary fuel tank assembly

圖2 某型號副油箱傳感器安裝座的CAD工程圖Fig. 2 CAD engineering drawing of a certain model of auxiliary fuel tank sensor installation seat

課題組受某軍工企業委托，對一臺老舊CD6140A型普通臥式車床進行數控化再制造［5-6］，并研發專用控制系統，以解決其飛機副油箱傳感器安裝座的批量加工問題。本文主要介紹CD6140A型普通臥式車床的數控化再制造過程以及再制造效果。

1 CD6140A車床的主運動再制造

對CD6140A車床的主運動再制造主要包括以下操作：

（1）更換主軸前后端所有軸承，重塑主軸旋轉精度；

（2）更換主軸箱內部關鍵齒輪，使主軸轉動更高效、輕快；

（3）因傳感器安裝座為航空鋁合金，最大外徑不超過200 mm，車床切削功率較小，所以保留車床原有主軸電動機，僅在電動機前端加裝變頻器，通過數控系統控制實現主軸的無級變速和自動啟停，所選變頻器型號為VFD100B（10.0 kW，0～500 Hz）；

（4）為了檢測傳感器安裝座的旋轉角度和旋轉速度，在床頭箱外側安裝1只增量式圓光柵，采用同步齒形帶與主軸實現同步轉動，圓光柵型號為ZLF-1200Z，每旋轉一圈輸出1200個A、B相脈沖（相位差為90°），同時每轉輸出1個零位脈沖，作為傳感器安裝座加工時的進刀信號。

2 CD6140A車床的導軌再制造

首先，通過表面工程技術對CD6140A車床X向（車床徑向）的燕尾形導軌和楔形鑲條進行精密刮研，恢復導軌接觸精度，降低摩擦因數，使其平面度達到0.1/1000。其次，采用物理性能和化學性能均很穩定的聚四氟乙烯軟帶，對Z向（車床軸向）導軌的上表面和床鞍的下滑面進行貼塑處理，可以顯著提高導軌的耐磨性，消除導軌低速運行時可能出現的爬行現象，從而提高導向精度。

3 CD6140A車床的進給運動再制造

3.1 滾珠絲杠副的計算選型

將CD6140A臥式車床中滑板下方的滑動絲杠副更換為滾珠絲杠副，并安裝X向交流伺服電動機，改造后的車床X向進給傳動機構如圖3所示。拆除CD6140A臥式車床的兩箱（進給箱、溜板箱）、三桿（絲桿、光桿、操縱桿）以及快走刀齒條等，安裝Z向滾珠絲杠副及其交流伺服電動機，改造后的車床Z向進給傳動機構如圖4所示。根據傳感器安裝座的裝夾方式及所用刀具，對車床的X向、Z向行受力分析，計算切削力的大小，再根據導軌類型求得工作載荷，計算車床X向、Z向的最大動載荷，從而確定滾珠絲杠副的主要參數。本設計中，X向滾珠絲杠副選用FL2004型（公稱直徑20 mm，導程4 mm），Z向滾珠絲杠副選用FL4006型（公稱直徑40 mm，導程6 mm）。

圖3 CD6140數控車床X向進給傳動機構Fig. 3 X-axis feed transmission mechanism of CD6140 CNC lathe

圖4 CD6140數控車床Z向進給傳動機構Fig. 4 Z-direction feed transmission mechanism of CD6140 CNC lathe

3.2 伺服電動機的計算選型

伺服進給系統的設計包括伺服電動機的選擇、進給系統的穩態設計，以及進給系統的動態設計等。伺服電動機的選擇包括確定電動機的類型、安裝形式、額定轉速、額定轉矩，以及加/減速能力等；穩態設計的任務是根據負載條件確定電動機的連續輸出轉矩；動態設計的任務是分析和計算系統的瞬態響應特性（如加/減速過程、過渡過程、動態穩定性等）［6］。下面對CD6140A臥式車床X向、Z向進給系統的交流伺服電動機進行計算和選型。

3.2.1 交流伺服電動機類型選擇

機電一體化裝置的進給伺服系統通常選用三相交流永磁同步伺服電動機。相較于直流伺服電動機，交流伺服電動機沒有機械換向器和電刷，轉子慣量小，動態響應快；同樣體積下，輸出功率高于直流伺服電動機，同時又可獲得與直流伺服電動機相媲美的調速性能［6］。因此，本設計選用三相交流永磁同步伺服電動機作為進給系統的驅動電動機。

3.2.2 交流伺服電動機轉速選擇

伺服電動機轉速選擇額定轉速即可。本設計中，要求Z向最快移動速度vzmax=6000 mm/min，已知滾珠絲杠導程Ph=6 mm，伺服電動機與滾珠絲杠直連，由公式（1）即可確定伺服電動機的最高轉速nmax：

式中：nN為伺服電動機的額定轉速，r/min；vzmax為縱向最快移動速度，mm/min；i為系統傳動比，直連時i=1。

將數值代入公式（1）可得：Z向電動機最高轉速nmax=1000 r/min，選擇Z向交流伺服電動機時，必須滿足其額定轉速nN＞1000 r/min。

3.2.3 進給伺服驅動系統的穩態設計

穩態設計的目的在于確定交流伺服電動機的額定轉矩。根據文獻［6］對Z向進給傳動系統進行相關負載計算，得出加在Z向伺服電動機轉軸上的最大等效負載轉矩Teq=7.15 N·m，伺服電動機額定轉矩為TN，取安全系數K=1.25，則根據TN≥K×Teq=1.25×7.15=8.94 N·m，即可初選Z向交流伺服電動機。本設計選取ASMT30L250AK型低慣量三相交流永磁同步伺服電動機，該電動機的額定功率3.0 kW，額定轉矩9.5 N·m，最大轉矩31.5 N·m，額定轉速3000 r/min，極限轉速4500 r/min。

3.2.4 進給伺服驅動系統的動態設計

（1）慣量匹配驗算

根據文獻［6］計算可得，Z向滾珠絲杠的轉動慣量JS=30.78 kg·cm2，Z向移動部件折算到絲杠上的轉動慣量JW=1.21 kg·cm2。則折算到伺服電動機轉軸上的總的負載轉動慣量為：JL=JW+JS=31.99 kg·cm2。已知ASMT30L250AK型伺服電動機轉子的轉動慣量JM=19.83 kg·cm2。為使伺服電動機具有良好的起動能力和較快的響應速度，一般要求0.5≤JL/JM≤2.0。此處，JL/JM≈1.62，滿足要求。

（2）加速能力驗算

Z向伺服電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq=JM+JL= 51.82 kg·cm2=5.182×10-3kg·m2，電動機的最高轉速nmax=1000 r/min。設Z向伺服電動機的加速時間ta=0.05 s，則最大加速轉矩Tamax=（2πJeq×nmax）/（60ta）=10.85 N·m＜31.5 N·m，滿足條件。因此，Z向床鞍具有足夠的加速起動能力。

X向進給系統的交流伺服電動機計算和選型與Z向相似，計算過程從略。最終選取臺達公司ASMT20L250AK型低慣量三相交流永磁同步伺服電動機，該電動機的額定功率2.0 kW，額定轉矩6.8 N·m，最大轉矩19.2 N·m，額定轉速3000 r/min，極限轉速4500 r/min。

4 CD6140A車床的控制系統設計

針對再制造后的CD6140A車床，設計相應的控制系統以實現飛機副油箱傳感器安裝座的自動加工。圖5所示為CD6140A車床專用控制系統的組成框圖?？刂葡到yCPU選擇DALLAS公司生產的高速、高效、簡潔型單片微控制器DS80C320［7］，晶振頻率采用24 MHz。由于DS80C320內部只有256 B的RAM且不含ROM，所以在圖5中擴展了32 kB的SRAM數據存儲器HM62256和64 kB的電擦寫程序存儲器W27E512。其中HM62256用來存放操作者編制的數控代碼以及相關設置參數，W27E512用來存放控制系統的底層代碼和相關數據表格［8］。DS80C320單片機擴展存儲器之后，其4個P端口僅剩P1與P3的部分引腳可作I/O用，為此，擴展了一片8位并行I/O芯片8255［9］，該芯片提供24個輸入/輸出引腳，可以控制數控車床的X、Z向交流伺服單元，以及主軸、冷卻、卡盤、電動刀架等。

圖5 CD6140專用控制系統的組成Fig. 5 Composition of CD6140 special control system

專用控制系統的人-機界面由NEC8279矩陣鍵盤控制器和SED1335圖形點陣LCD控制器組成［10］。CD6140A主軸轉速的無級調節是通過CPU擴展D-A串行轉換芯片MAX517實現的，CPU將8位的數字量00H～FFH分配至D-A轉換芯片MAX517，MAX517輸出0～5 V的DC電壓，該電壓再分配至三相交流變頻器，即可調節車床主軸電動機的運行頻率，從而實現工件旋轉的無級變速［11］。另外，在CD6140A的加工過程中，控制系統尚需檢測傳感器安裝座的角位移和角速度，為此與主軸同步安裝了一只圓光柵編碼器，該編碼器每轉輸出1200個A、B相脈沖（相位差為90°）。圖5中設置四倍頻接口電路對A、B相脈沖進行電子四細分［12］，可將編碼器分辨力提高到每轉4800個脈沖，從而高精度地檢測傳感器安裝座的旋轉角度和旋轉速度［13］。

5 相貫面專用軟件設計思路

CD6140A的專用控制系統除了具備數控車床基本的G、S、T、M功能指令外，尚需開發立體相貫面的專用加工軟件。結合圖1、圖2可以看出，傳感器安裝座的A、B、C三個表面均為立體相貫面，其中每個表面均由一系列立體相貫線組合而成。因此，可將立體相貫面離散成一條條的立體相貫線［4，14］，研究單條立體相貫線的成形機理。圖6為傳感器安裝座與副油箱相互貫穿的示意圖，圖中副油箱為一大圓柱，傳感器安裝座為一小圓柱，二者垂直相交，形成一條立體相貫線。用數控車床加工的時候，傳感器安裝座通過專用夾具夾持在主軸的三爪卡盤上，控制系統根據工件轉過的角度（由圓光柵檢測）控制車刀在Z方向（車床軸向）的坐標位置，通過改變傳感器安裝座的半徑r、調整X坐標（車床徑向）即可加工同一相貫面上不同的相貫線，這就是相貫面專用軟件的設計思路。

圖6 傳感器安裝座與副油箱相互貫穿示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the mutual penetration between the sensor mounting base and the auxiliary fuel tank

6 CD6140A的再制造效果

數控化再制造后的CD6140A數控車床外貌如圖7所示。該車床X軸和Z軸的數控編程脈沖當量分別為0.005 mm/步和0.01 mm/步，X軸和Z軸的重復定位精度分別為±0.005 mm和±0.01 mm［15］，X軸和Z軸的最快移動速度分別為3000 mm/min和6000 mm/min［16］，工件轉速的調節范圍為8～1500 r/min，立式自動回轉刀架的工位數為4，工件旋轉角度分辨力為0.075°。

圖7 傳感器安裝座加工用數控車床的外貌Fig. 7 Appearance of CNC lathes for processing sensor mounting seats

依據《簡式數控臥式車床 第1部分：精度檢驗》（GB/T 25659.1—2010）［16］，對再制造后的車床進行精度檢驗，結果如表1～表3所示。由表1～表3可知，所有指標均滿足精度要求。

表1 導軌幾何精度檢驗項目與結果Table 1 Inspection items and results of guide rail geometric accuracy

表2 主軸幾何精度檢驗項目與結果Table 2 Inspection items and results of main axis geometric accuracymm

表3 位置精度檢驗項目與結果Table 3 Inspection items and results of location accuracymm

測試結果表明，再制造后的數控車床和數控系統具有良好的伺服性能，在準確性、快速性和穩定性方面表現優異。用該車床配合專用控制系統批量加工生產飛機副油箱傳感器安裝座，產品的幾何尺寸、輪廓精度、形位公差和表面粗糙度等均可滿足圖紙要求，一次裝夾加工3個相貫面只需12 min，而采用加工中心至少需要60 min才能完成，大大提高了加工效率，且操作簡便，設備投資低。

7 結語

遵循“綠色制造”和“再制造”的理念，采用光機電一體化技術和表面工程技術對一臺基本報廢的CD6140A型普通臥式車床進行數控再制造，基于DS80C320高性能微控制器研發專用控制系統，實現飛機副油箱傳感器安裝座復雜立體相貫面的批量加工，充分利用企業現有舊設備，為企業節省了大量資金，經濟效益、社會效益和環境效益明顯。