xzhao2014
摘要:介绍了普通车床的数控改造条件，同时介绍了对CA6140车床的主传动系统和进给传动系统进行了数控化改造 的过程。改造后的数控车床的加工能力、自动化水平和加工精度明显提高。同时介绍了该车床机电联动调试的经验。 关键词:普通车床;数控改造 中图分类号: TG659 文献标识码: B 文章编号: 1001-3881 (2006) 4-208-2 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展，它必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品，而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前，采用先进的数控机床，已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径，而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的一条有效途径。我校为适应现代化生产和教学，对CA6140车床进行了数控化改造。 1 机床数控化改造的条件 1·1 机床基础件有足够的刚性 数控机床属于高精度机床，工件移动或刀具移动的位置精度要求很高，必须在0·001~0·01mm之间，高的定位精度和运动精度要求原有机床基础件具有很高的静刚度和动刚度。本次用于改造的CA6140车床自购进后一直保养良好，机床基础件刚性满足要求。 1·2 机床数控改装的总费用合适，经济性好 机床数控改装分两部分进行:一是维修机械部分。更换或修理磨损零件，调试大型基础零件，增加新的功能装置，提高机床的精度和性能，另一方面是舍弃原有的一部分进给系统，用新的数控系统和相应的装置来替代。改造总费用由机械维修和增加的数控系统两部分组成。若机床的数控改造的总费用仅为同类型车床价格的50% ~60%时，该机床数控改造在经济上适宜。经过考查，若购买同样配置的车床约需10万元，而我校机床数控改造的总费用为5·1万元，仅占51%，因此该机床数控改造在经济上是合适的。 2 系统配置及主要技术规格 该系统由SIEMENS 802S系统、接口电路、驱动线路及步进电机等组成，另外还配有自动转塔刀架、主轴变频调速器及主轴编码器等，系统属开环控制系统。其主要技术性能和参数如下: (1)系统控制部分。采用SIEMENS 802S系统，键盘和显示部分装在面板上。 (2)系统软件具有若干指令。其中加工指令有 直线、斜线、螺纹、锥螺纹和圆弧等5条指令。可实现车削外圆、端面、台阶、割槽、锥度、倒角、螺纹、顺圆弧和逆圆弧等操作。控制指令有结束循环、暂停、延时、延时换刀、编码换刀、通讯等，与加工指令配合，可加工出各种较复杂的零件。 (3)系统环境工作条件。温度-10~+40℃;湿度为40% ~80%。 (4)输入电网电压。交流(220±22)V;频率为50Hz;电流为1·5A。 (5)步进电机。BYG550C-2型电机两台，驱动电压为110V;相电流为2·5A;步距角为0·36°/步;静力距为12N·m。 3 主传动的数控化改造 机床主传动的作用是把电机的转速和转矩通过一定途径传给主轴，使工件以不同的速度运动，主传动性能的好坏，直接影响零件的加工质量和生产效率。考虑到改造的经济性，可乘用机床原有的普通三相异步交流电动机拖动。考虑到加工过程中当电网电压和切削力矩发生变化时，电机的转速也会随之波动，直接影响加工零件的表面粗糙度。因此为提高加工精度，实现主轴自动无级变速，在主轴上增加了交流异步电动机变频调速系统，从而不需进行机械换档。针对机床要求具有螺蚊切削功能，在主轴部位安装主轴脉冲发生器，如图1所示。为保证脉冲发生器与主轴等速旋转，即主轴转一周，主轴脉冲发生器也 图1 主轴脉冲发生器安装示意图转一周，主轴脉冲发生器的安装方式很重要。改装时，主轴传动必须经过原有CA6140车床主轴箱中58/58和33/33两级齿轮(实现1∶1)传递到原有CA6140车床的挂轮轴X，拆除挂轮留出空间，安装脉冲发生器，并用法兰盘固定。 4 进给传动的数控化改造 进给传动的作用是接受数控系统的指令，驱动刀具作精确定位或按规定的轨迹作相对运动，加工出符合要求的零件，对进给传动的要求是高精度、高速度。改造中我们采用步进电机驱动系统实现开环控 图2 进给传动系统制，这样结构简单，安装调试和维修都非常方便。 4·1 进给传动链 图2为普通车床改造后的进给传动链，刀具纵向(Z轴)移动由步进电机，经接口箱内一对减速齿轮，转动纵向移动的丝杆而实现。刀具的径向(X轴)移动由步进电机，经接口箱内一对减速齿轮，转动横向移动丝杆而实现，该传动链与原机床的传动链相比，摆脱了结构复杂的进给箱和拖板箱。 4·2 接口箱内减速齿轮的齿数比 该车床要求的控制精度为: Z向0·005mm， X向为0·0025mm，即当执行一个脉冲指令时，工件的长度和直径均变化0·005mm。BYG550C-2型步进电机的步距角为0·36°，每周步距数为360/0·36=1000(步/周)， X向丝杠螺距为4mm，脉冲当量为0·0025mm，Z向丝杠螺距为6mm，脉冲当量0·005mm。按公式 主动轮齿数 从动轮齿数=步/周×脉冲当量丝杠螺距则X向:Z主/Z从=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z从=1000×5/6000=5/6 4·2 接口箱内减速齿轮的齿数比 该车床要求的控制精度为: Z向0·005mm， X向为0·0025mm，即当执行一个脉冲指令时，工件的长度和直径均变化0·005mm。BYG550C-2型步进电机的步距角为0·36°，每周步距数为360/0·36=1000(步/周)， X向丝杠螺距为4mm，脉冲当量为0·0025mm，Z向丝杠螺距为6mm，脉冲当量0·005mm。按公式 主动轮齿数 从动轮齿数=步/周×脉冲当量丝杠螺距则X向:Z主/Z从=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z从=1000×5/6000=5/6 4·3 传动滚珠丝杠副 数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、无爬行，采用滚珠丝杠副可以满足上述要求。在结构中，用普通滚珠丝杠副实现将旋转运动变换为直线运动。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副的轴向间隙，提高传动刚度。预紧的方法是采用双螺母齿差调隙式结构(图3)。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的。 图3 双螺母齿差调隙式结构 一般需要几次调整才能保证机床在最大轴向载荷下，既消除间隙，又能灵活运转。 4·4 刀架 根据需要，拆除原方刀架，安装620型四方刀架(图4)。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。 5 机电联动调试 5·1 机械调试 丝杠上，侧母线和横、纵导轨的平行度误差控制在0·01mm/全长之内;转动丝杠，丝杠轴向窜动在0·01mm之内;丝杠螺母同轴度误差控制在0·01mm之内。 5·2 机电联动调试 (1)单坐标点动，主要调试其有无动作，运动方向是否符合要求，机械传动是否正常，有无不正常响声等。 1·上刀体 2·活动销 3·反靠盘 4·定轴 5·蜗轮 6·下刀体 7·螺杆 8·离合器盘 9·霍尔元件 10·磁钢 图4 四方刀架结构图 (2)点动合格后，做连续运动。反复多次，若出现故障或异常，排除后方可继续进行。 (3)先试Z坐标方向，后试X坐标方向，这是因为Z坐标方向调试方便。 (4)测量两坐标重复定位精度。在Z向坐标做连续移动时，若发现与丝杠相联的齿 额定转速: 2000r/min 额定输出功率: 2kW 编码器:绝对位置检测方式，分辨率1000000p/r 轴端形式:锥轴伺服放大器采用与电机配套的SJV2系列20型，其驱动能力为2kW。对于2kW电机，也可采用SJV2系列的10型放大器，但此时的输出扭矩要比20型减少1/3，不利于大功率切削。I/O设备选用型号为HR341的基本I/O单元，主要用于机床操作面板及与机床间的输入输出控制。另外附加一个远程I/ODX110，主要用于教学功能的“故障模拟设置”的输入输出。伺服及I/O单元连接原理图如图2所示。 图2 电气连接原理图 2·2·2 主轴控制 主轴电机采用交流变频控制电机，由变频器进行控制，转速范围60~6000r/min。模拟量由基本I/O单元的A0端口输出0~10V的直流电压，变频器根据输入的电压变化而输出相应的转速。由于模拟主轴电机没有编码器，因此在发出转速命令后，系统无法检测到主轴的是否运行。为解决这一问题，我们利用变频器上的功能端子，将其通过参数设置成“到达指令频率闭合”状态，并通过PLC检测此信号，从而实现对电机的运转进行监控。 2·3 教学功能的附加 本机改造后除保证加工功能和精度外，还要满足一定的教学功能。所谓的教学功能主要是针对学习数 控系统调试及维修人员而设立的附加功能。该功能通过参数设置及调整PLC程序人为地设置故障，让学生通过故障现象先判断故障种类，再分析故障产生的原因，直至排除故障。通过这种实训，学生可全面学习工业现场可能出现的故障现象，掌握故障排除方法，提高学生解决现场问题的综合能力。 3 结束语 我国现有机床中，近几年急需技术改造的约占25%，这将蕴藏着无限商机。机床改造主要是采用数控和计算机控制技术，我国数控机床发展和机床数控化改造应紧跟世界潮流，发展多轴联动数控系统，开发高速、高精度、高效加工中心等关键技术，向智能化方向发展 
数控加工技术产生的背景：数控技术起源于航空工业的需要，20世纪40年代后期，美国一家直升机公司提出了。数控机床的初始设想，1952年美国麻省理工学院研制出三坐标数控铣床。50年代中期这种数控铣床已用于加工飞机零件。60年代，数控系统和程序编制工作日益成熟和完善，数控机床已被用于各个工业部门，但航空航天工业始终是数控机床的最大用户。一些大的航空工厂配有数百台数控机床，其中以切削机床为主。数控加工的零件有飞机和火箭的整体壁板、大梁、蒙皮、隔框、螺旋桨以及航空发动机的机匣、轴、盘、叶片的模具型腔和液体火箭发动机燃烧室的特型腔面等。数控机床发展的初期是以连续轨迹的数控机床为主，连续轨迹控制。连续轨迹控制又称轮廓控制，要求刀具相对于零件按规定轨迹运动。以后又大力发展点位控制数控机床。点位控制是指刀具从某一点向另一点移动，只要最后能准确地到达目标而不管移动路线如何。数控加工技术帝意义特点：数控机床一开始就选定具有复杂型面的飞机零件作为加工对象，解决普通的加工方法难以解决的关键。数控加工的最大特点是用穿孔带（或磁带）控制机床进行自动加工。由于飞机、火箭和发动机零件各有不同的特点：飞机和火箭的零、构件尺寸大、型面复杂；发动机零、构件尺寸小、精度高。因此飞机、火箭制造部门和发动机制造部门所选用的数控机床有所不同。在飞机和火箭制造中以采用连续控制的大型数控铣床为主，而在发动机制造中既采用连续控制的数控机床，也采用点位控制的数控机床（如数控钻床、数控镗床、加工中心等）。工序集中数控机床一般带有可以自动换刀的刀架、刀库，换刀过程由程序控制自动进行，因此，工序比较集中。工序集中带来巨大的经济效益：⑴减少机床占地面积，节约厂房。⑵减少或没有中间环节（如半成品的中间检测、暂存搬运等），既省时间又省人力。自动化数控机床加工时，不需人工控制刀具，自动化程度高。带来的好处很明显。⑴对操作工人的要求降低：一个普通机床的高级工，不是短时间内可以培养的，而一个不需编程的数控工培养时间极短（如数控车工需要一周即可，还会编写简单的加工程序）。并且，数控工在数控机床上加工出的零件比普通工在传统机床上加工的零件精度要高，时间要省。⑵降低了工人的劳动强度：数控工人在加工过程中，大部分时间被排斥在加工过程之外，非常省力。⑶产品质量稳定：数控机床的加工自动化，免除了普通机床上工人的疲劳、粗心、估计等人为误差，提高了产品的一致性。⑷加工效率高：数控机床的自动换刀等使加工过程紧凑，提高了劳动生产率。柔性化高传统的通用机床，虽然柔性好，但效率低下；而传统的专机，虽然效率很高，但对零件的适应性很差，刚性大，柔性差，很难适应市场经济下的激烈竞争带来的产品频繁改型。只要改变程序，就可以在数控机床上加工新的零件，且又能自动化操作，柔性好，效率高，因此数控机床能很好适应市场竞争。能力强机床能精确加工各种轮廓，而有些轮廓在普通机床上无法加工。数控机床特别适合以下场合：1、不许报废的零件。2、新产品研制。3、急需件的加工。数控技术对实行自控化作业有深远影响。
数控工艺与编程课程设计的目的和意义：随着机械制造业的发展，数控加工技术已经广泛普及使用，数控加工技术的应用给传统制造业带来了革命性的变化，且随着数控加工技术的不断发展和应用领域扩大，它对各行各业的发展起着越重要的作用，推动着工业现代化。因为数控加工技术具备各种优势：便捷、精确、省力、高速、高效、高可靠性等，加之它发展前景乐观，而且涉及领域广，所以对于数控加工技术应用的人才需求在加大。掌握和应用数控加工技术对于提升产品质量、解放和发展生产力有着巨大的帮助。设计任务：1、绘制被加工零件的零件图一张（A3或A4）；2、编制机械加工工艺过程；3、编写数控工艺课程设计说明书一份；4、编制指定加工工序内容的数控加工工序，包括数控加工工序卡、数控加工刀具卡片、数控加工程序编制（手工编程）；5、课程设计答辩。以上内容参考：百度百科-数控机床以上内容参考：百度百科-课程设计
数控机床是近带工业的里程碑，发展背景我不记得了不过书本上因该有吧！学数控的专业书籍的第一章一般都有介绍！意义是大大的减少劳动力的浪费，并大大的提高工业产品的水平，特别在精度，生产周期等方面！我是学习计算机数字控制（数控编程）的有什么问题可以追问！
