CA6140普通车床进行数控化改造

关键词：普通机床；经济型；数控化改造；CA6140

1引言

机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：1.适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。2.加工精度高；3.生产效率高；4.减轻劳动强度，改善劳动条件；5.良好的经济效益；6.有利于生产管理的现代化。数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本设计主要针对具有典型性和实用性的CA6140普通车床进行改造设计。

2总体改造设计要求

CA6140普通机床数控化改造的主要环节总体方案设计应考虑机床数控系统的类型﹑计算机的选择﹑以及传动方式和执行机构的选择等。而且对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本，达到真正经济型的目的。在整个改造设计过程中需要满足以下几点要求：

  （1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统；

  （2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统；

  （3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS—51系列单片机扩展系统；

  （4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路；

  （5）设计自动回转刀架及其控制电路；

  （6）纵向和横向进给是两套的传动链，它们由步进电机﹑齿轮副﹑丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率；

  （7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小﹑传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构；

  （8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。

3总体改造设计方案

3.1数控系统部分设计

CA6140数控改造后采用DTM EYETEM 5T系统。其主要技术特性如下：

（1）可控制车销端面﹑内外圆﹑任意锥面﹑螺纹﹑球面以及用球面逼近的任意曲面；

（2）由17挡进给速度；

（3）有直线﹑圆弧﹑插补功能，程序中可给出一定延时；

（4）有自动循环﹑间隙补偿﹑程序暂停﹑点动﹑报警功能，还具有对自动刀架转位及主轴正﹑反转﹑变速﹑停止﹑等装置的控制功能。

3.1.1参考点的建立

   改造后的机床加工是由程序控制完成的，所以坐标系的确定与使用非常重要。根据ISO841标准，数控机床坐标系采用右手笛卡尔坐标系作为标准确定。数控车床平行于主轴方向即纵向Z轴，垂直于主轴方向即横向X轴，刀具远离工作方向为正向。

CA6140车床的坐标原点定在卡盘基座与主轴中心的交点上，如图1所示；数控系统是通过检测参考点的具体位置来确定机床坐标系的，选用两个接近开关，X轴反向和Z轴反向各安装在一个机床上，用于建立参考点，当移动刀架两个都有信号输出时，刀架的当前位置就为参考点R，测量XR和ZR，并将它写入机床数据库，即可在数控系统中建立坐标系。

图1

3.2主传动系统改造设计

   主轴部件直接带动工件或刀具参加切削运动,它除承受本身重量外,还需承接较大的切削载荷,主轴本身的刚性和旋转精度以及支撑的刚性都将直接影响零件的加工精度,因此主轴部分的数控改造,首先应保证本身的刚性以及修复和提高本身的旋转精度。对于中、小型机床主传动多数采用普通交流电机,其变速通过主轴箱,获得不同速度,满足加工要求,由于机械档数一般较多,使变速箱结构复杂,体积庞大,对于零件加工精度会产生不良影响。但由于中、小型机床,本身价格较低,如果将其主传动改为交流变速,其费用太高，所以保留原有机床的主轴手动变速。改造后使其主运动和进给运动分离，主电机的作用仅为带动主轴旋转。另外增加一只电磁离合器，用以接收数控系统的停机制动信号以控制原制动装置制动停车。

   加工螺纹或丝杠时，为保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程，须配置主轴脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。脉冲发生器采用同轴安装，橡胶管柔性连接，意在实现角位移信号传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使主轴脉冲发生器转动平稳，传递信号准确。

3.3进给伺服系统改造设计

伺服系统是数控机床的重要组成部分，它既是数控系统CNC系统与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节。它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。伺服系统按控制方式分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三类。在普通机床的数控化改造中，一般采用步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。

采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。其工作原理是：根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过专用控制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令，由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。

    该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动使工作台产生移动。

加工出符合要求的零部件,对进给传动的要求一般为：

（1）高精度，即高的定位精度和重复定位精度以及加工零件的综合精度；

（2）高品质，即响应快，频带宽，动静态速降小，调速范围宽；

（3）高速度，即能快速定位，以提高效率；大功率，即能输出大的力矩和功率，以满足加工要求。

进给传动机械部分改造主要是提高运动部件的灵活性，减小或消除传动间隙，特别是减小反向间隙,通常改造部件为横向及纵向进给、进给箱和导轨等部件。

3.3.1进给传动运动

进给传动系统包括横向（X轴）进给和纵向（Z轴）进给，均采用步进电机驱动。其中纵向进给系统经过一级减速齿轮减速后驱动滚珠丝杠实现纵向进给（Z轴）；横向进给系统经过两级减速齿轮减速后驱动滚珠丝杠实现横向（X轴）进给。其传动原理，Z轴：纵向电机→变速箱（或联轴器）→纵向滚珠丝杠→大拖板，纵向按数控指令获得不同的走刀量和螺距。X轴：横向电机→变速箱（或联轴器）→横向滚珠丝杠→横滑板，横向按数控指令获得不同的走刀量。如图2所示。

图2 机床进给系统传动原理图

3.3.2进给箱

普通机床进给箱多为齿轮结构，随着进给运动变换级数的增多，不仅进给箱结构复杂，而且反向间隙增大，降低了反向精度，因此进行数控化改造时，往往是取消原进给箱，或换成仅一级减速的进给箱，而且用无键连接。机床进给传动链中，需将旋转运动变成直线运动，普通机床常采用普通丝杠虽有许多优点，但其摩擦阻力大，传动效率低(η= 0. 20～0140) ，动静摩擦系数相差大，在低速时容易出现爬行，而数控机床要求进给部分的移动元件灵敏度好﹑精度高﹑反应快﹑无爬行。采用滚珠丝杠副可以满足要求，滚珠丝杠副的特点为：传动效率高(η= 0. 92～0196) ﹑摩擦损失小﹑使用寿命长﹑滚动丝杠副属滚动摩擦﹑摩擦阻力小﹑动、静摩擦系数非常接近，故运动平稳﹑无爬行﹑传动精度高；滚珠丝杠副经预紧后，可消除螺纹间隙，反向时没有空程死区，反向定位精度高。

滚珠丝杠螺母副由丝杠，螺母，滚珠，反向器组成。其工作原理为：当丝杠和螺母相对运动时，滚珠就沿丝杠螺旋滚道而滚动。为防止沿滚道面滚出，在螺母上没有滚珠循环返回滚珠循环返回装置，使得滚珠沿滚道面运动后，能通过这个装置自动的返回其入口处，继续参加工作。

滚珠丝杠螺母副安装时需预紧，通过预紧可消除滚珠丝杠螺母的轴向间隙，提高传动刚度。本设计中的预紧方法是采用双螺母垫片预紧室结构，即通过改变两个螺母的轴向相对位置，使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现预紧。其特点是预紧结构简单，轴向刚性好，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好。其结构，如图3所示

图3 双螺母垫片预紧式滚珠丝杠螺母副结构图

3.4机床导轨

为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零件、部件的耐磨性，尤其是机床导轨的耐磨性。当前国内外数控机床的床身等大件多采用普通铸铁。而导轨则采用淬硬的合金钢材料，其耐磨性比普通铸铁导轨高5至10倍。据此，在改造中利用旧床身，采用GCR15轴承钢淬硬到HRC56-62制成导轨，用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上。粘接前的导轨工作表面采用磨削加工，表面粗糙度Ra0.8mm，以提高粘接强度。

3.5自转位刀架设计

数控机床上的刀架是安放刀具重要部件，按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架，排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。其中，回转刀架式数控车床最常用的一种典型换刀刀架。根据需要,拆除原方刀架,安装620型四方刀架(如图4所示)。

图4 四方刀架结构图

该刀架由120W的三相交流异步电机正转驱动,使刀架正转选刀,到预定刀位时,电机则反转,使刀架夹紧。换刀方式有手控和机控两种。机控时当零件在加工过程中需要换刀时,数控系统发出预先编制好的换刀控制指令,控制器接到换刀指令时,立即驱动刀架回转。手控时,按动面板上的按钮,刀架能转一个刀位(90°),也可连续按动按钮,直至任一刀位。

3.6润滑部分的改造 

老式传统车床除主轴箱外，导轨、丝杠副、光杆等多用油定期注油润滑和油脂润滑，这对机床的导轨、丝杠副等的精度保持很不利，在同等驱动下机床运动的稳定性、灵活性也差一些。在对这些机床改造时一般都要对其润滑部分进行相应的改动，采用稀油集中定量、定时供油润滑的方式，可分为手控润滑和编程自动润化两种，在机床导轨、丝杠副布置好油路后可根据需要任选一种。丝杠支承轴承一般采用油脂润滑，如特殊需要和供油充分的条件下也可采用稀油润滑。 

4结论

CA6140普通车床改造后，加工有效行程X/Z轴分别为390/1400mm；最大速度X/Z轴分别为1200/3000mm/min；手动速度为400mm/min；手动快速为X/Z轴分别1200/3000mm/min；纵向进给当量为0.005mm/p，横向进给脉冲当量为0.0025mm/p，数控刀架可进行4个方位的转换选择，其重复定位精度在0.005mm以下，夹紧力在4000N以上，实现了开环数控自动化加工，大大提高了加工效率，增强了其实用性，稳定了零件的加工质量，并保留了原机床的基本结构和部分工作性能，能节约资金，缩短生产周期，是工厂进行设备技术化改造的趋势。

本改造设计还有进一步的改进空间。随着科学技术的发展，无极变速电机性能的提高及价格的降低，有望进一步简化主传动系统的结构。

参考文献

[1]曹仁涛.数控技术应用. [M].兰州:兰州交通大学出版社.2008.

[2]傅建中.数控技术. [M].杭州:浙江大学出版社.2007.

[3]张建民主编.机电一体化系统设计[M].北京理工大学出版社，2006.

[4]何伯吹主编，机床设计手册1[M].北京：机械工业出版社，2005.

[5]吕一中.我国数控机床及机床数控化改造研究[M].北京工业职业技术学院学报.

2005（3）.

[6]赵玉刚，宋现春主编.数控技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

致谢

紧张的毕业设计已经接近尾声，本次毕业设计历时两个多月。在此期间，        

老师对我悉心教导和无私帮助，以及同组学员的协助使我的毕业设计得以完成。从接到设计题目到设计完成的整个过程中，把三年所学几乎又重温了一遍，使我对原来所学的知识的领悟又提高到了一个新的高度，而且也接触到了一些全新的知识领域，充分享受到了解决问题的兴奋和满足，获益匪浅。在此次设计中，我的动手能力以及创新能力得到了进一步的提高，所学知识也得到了进一步的巩固，为我以后在工作岗位打下了更坚实的基础。

在此谨向        老师及所有给我以帮助和指导的老师、同学致以真诚的谢意！