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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=5/64·2 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=5/64·3 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[3]。 
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：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。加工精度高；生产效率高；减轻劳动强度，改善劳动条件；良好的经济效益；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，本毕业设计实例具有典型性和实用性。 第二章 总体方案的设计1 设计任务 本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。 2 总体方案的论证 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。 （1）数控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。 （2）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。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。所以，本设计决定采用开环控制系统。 （3）数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。 在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素： 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。 除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机
