CA6136普通車床數(shù)控化的改造設(shè)計

劉衍益

（江蘇省無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學校，無錫 214046）

總體設(shè)計方案應(yīng)重點考慮數(shù)控系統(tǒng)選擇和驅(qū)動元器件選擇，考慮如何保證滿足零件加工精度要求等。同時，要考慮改裝的經(jīng)濟與適用性，盡可能利用原機床部件，遵循小改動、大收益的原則，縮短改造周期，因此確定以下設(shè)計方案。

（1）CA6136經(jīng)過數(shù)控化設(shè)計改造，應(yīng)滿足重復定位、線性插補、順逆圓弧插補、內(nèi)外輪廓循環(huán)和英公制螺紋車削功能等。多年的工作實踐證明，GSK980TD系統(tǒng)是非常可靠的數(shù)控系統(tǒng)之一，其性能穩(wěn)定、功能較完善、價格較經(jīng)濟，選用它比較好地滿足了這次改造的要求。

（2）CA6136數(shù)控化設(shè)計改裝成簡易經(jīng)濟型數(shù)控機床，在滿足零件加工精度的要求下，盡量做到結(jié)構(gòu)簡單，降低改造成本。因此，本次設(shè)計進給驅(qū)動元器件選用單相3kW步進電機。在步進電機參數(shù)選擇中，應(yīng)特別注意脈沖當量的確定，依據(jù)改造設(shè)計精度要求，Z軸設(shè)定0.01mm，X軸設(shè)定0.005mm。

（3）拆除原手動刀架，安裝四工位自動回轉(zhuǎn)刀架及刀架控制電路。

（4）縱向及橫向進給驅(qū)動系統(tǒng)是兩套分別獨立的傳動裝置，依次為步進驅(qū)動電機、齒輪減速裝置、剛性聯(lián)軸器、絲杠螺母裝置，其傳動精度必須符合改造設(shè)計精度。

（5）為了使進給驅(qū)動系統(tǒng)傳動平穩(wěn)性及傳動精度符合設(shè)計要求，采用傳動精度高及運行過程中非常平穩(wěn)的滾珠絲杠螺母副，且設(shè)預緊裝置，以消除齒輪間的傳動間隙，提高驅(qū)動力的傳動穩(wěn)定性。

（6）為防止機械加工中縱向和橫向超越極限，在縱向和橫向分別安裝限位元件。

（7）在數(shù)控加工中，加工前必須通過回參考點建立機床坐標系，故在縱向和橫向分別安裝回參考點檢測元件。

（8）CA6136機床總體格局未做大改造，做到小改動、大收益，以節(jié)約改造成本，盡快交付使用。

1 機械部分改造設(shè)計

1.1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計

1.1.1 必須改裝的重要裝置

在進給驅(qū)動系統(tǒng)改造設(shè)計過程中，必須改裝的重要裝置分別是掛輪系統(tǒng)、進給調(diào)速系統(tǒng)、溜板箱系統(tǒng)等。

掛輪系統(tǒng)：整體拆掉，在進給裝置主軸端部安置脈沖編碼器，脈沖編碼器的作用是控制主軸每轉(zhuǎn)一圈使進給系統(tǒng)進給一個螺距，用于加工公英制螺紋所必須配置的元器件。

溜板箱部分：把橫向溜板裝置中的絲杠、螺母整體拆掉，換裝成橫向進給傳遞系統(tǒng)。選擇滾珠絲杠螺母裝置、驅(qū)動步進電機、齒輪減速裝置、剛性聯(lián)軸器等組成橫向進給傳遞系統(tǒng)。

進給調(diào)速部分：整體拆掉，在此處安設(shè)縱向驅(qū)動步進電機和減速與消震裝置。驅(qū)動步進電機經(jīng)兩對減速齒輪裝置，將縱向進給力傳遞到滾珠絲杠，后經(jīng)滾珠絲杠螺母裝置聯(lián)接刀架產(chǎn)生切削動作。

1.1.2 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除

為了確保驅(qū)動步進電機啟動時的穩(wěn)定性，人們應(yīng)高度重視步進驅(qū)動電機負載慣性矩問題。每當負載慣性矩逐漸增大至某一特定值，驅(qū)動步進電機將產(chǎn)生擅動，從而瞬間造成劇烈震動現(xiàn)象。因此，選擇驅(qū)動步進電機應(yīng)考慮一定的負載余量，避免過載造成嚴重損失。在此次設(shè)計過程中，選擇減速齒輪裝置用以消除慣性矩產(chǎn)生瞬間的震動問題。在設(shè)計消震方法的同時，減速齒輪裝置也應(yīng)避免兩齒輪間的間隙過大，否則將造成數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令后，切削動作不同步現(xiàn)象。

在此次改造設(shè)計中，選擇雙片齒輪來消除一組齒輪間的間隙。通常將主從動齒輪中的從動齒輪制造成相同規(guī)格型號的兩片，將其中某一片用花鍵固定在齒輪軸上，相互之間安設(shè)彈簧，在彈簧力作用下，兩齒廓相互緊貼，從而達到完全消除齒側(cè)間隙的目的。

1.2 主軸部分改造設(shè)計

CA6136數(shù)控化改裝后，根據(jù)總體設(shè)計方案要求，必須能自動加工公英制螺紋，所以必須將主軸部分進行相應(yīng)改造設(shè)計。在主軸后端安設(shè)編碼器，使其運行與主軸的運行同步，主軸運行時，編碼器將同步工作，編碼器將運行信號反饋到控制系統(tǒng)中，使進給驅(qū)動系統(tǒng)與主軸同步控制，從而車削出符合設(shè)計要求的公英制螺紋。值得注意的是，在安裝聯(lián)接過程中，必須保證主軸與編碼器心軸的同軸度控制在0.02mm以內(nèi)，否則會造成編碼器信號失真。

2 電氣控制部分改造設(shè)計

2.1 主軸控制系統(tǒng)

主軸電氣控制系統(tǒng)選擇臺達變頻器（VFD022M43B 三相380V 7.5kW）來驅(qū)動三相異步電機，帶動主軸進行旋轉(zhuǎn)運行。變頻器主電路部分連線應(yīng)注意的問題是，將三相電源線分別接至R、S、T觸點，萬萬不可將三相電源線錯接至輸出觸點U、V、W，否則會造成變頻器的燒毀。接線完成后，應(yīng)檢查各觸點連接的牢固性，以免在工作中因接觸不良造成發(fā)熱燒毀主軸控制系統(tǒng)。在控制接線端子“+”“PR”上接制動10Ω電阻。為了防止變頻器受到電磁波干擾，安裝濾波器（FRBSF01），從而使受到無線電干擾降到最小。

2.2 進給伺服控制系統(tǒng)

進給伺服驅(qū)動器選擇時代M542，其性能穩(wěn)定，功能滿足設(shè)計要求。安裝過程中必須注意的事項有：驅(qū)動器安裝環(huán)境必須通風良好，無塵，無干擾信號源，信號線必須做屏蔽處理，否則會造成運行不穩(wěn)定現(xiàn)象；強電與弱電必須分開，并采取相互隔離措施；橫向與縱向驅(qū)動器安裝橫向間距不小于30cm，否則會造成兩驅(qū)動器控制信號相互干擾。

2.3 刀架控制系統(tǒng)

刀架選擇常州亞星LD4刀架，該刀架具有工作可靠度高、剛性好、壽命長、價格低廉等優(yōu)點。刀架控制接線原理如1所示，QF3為空氣開關(guān)，KM5為刀架正轉(zhuǎn)接觸器，KM6為刀架反轉(zhuǎn)接觸器，KA1為急停中間繼電器，S1～S4分別為1～4刀位檢測裝置，SB11為手動換刀開關(guān)，SB12為自動選刀啟動開關(guān)，RC9和RC10為直流滅弧裝置。X3.0～X3.3分別為1～4號輸入刀位信號源，X30.6為輸入手動刀位信號源，30.7為輸入手動換刀信號源，Y0.6為輸出刀架正轉(zhuǎn)信號源，Y0.7為輸出刀架反轉(zhuǎn)信號源。在接線過程中，應(yīng)注意的事項為，信號線必須與電源線進行屏蔽隔離處理，接線應(yīng)牢固、無松動現(xiàn)象。

圖1 刀架控制接線原理

3 結(jié)語

本次CA6136數(shù)控化改造設(shè)計，圓滿實現(xiàn)了數(shù)控機床電氣和機械部分的改造。經(jīng)調(diào)研，將廢舊機床進行數(shù)控化改造具有很好的經(jīng)濟性，目前中國機床數(shù)控化改造潛在市場非常大，發(fā)展空間廣闊，特別是專用機床數(shù)控化改造項目。在本次改造設(shè)計過程中，筆者親身經(jīng)歷改造全過程，學到了前所未有的新知識和新技能，同時把所學的知識應(yīng)用到改造設(shè)計中，既鞏固專業(yè)理論知識，又有效提升解決問題的能力，這有助于今后更好地開展教學和科研工作。