基于GSK980TDB數控系統的CA6140普通車床數控改造

葉坤煌

（閩南理工學院，福建 石獅 362700）

金屬切削機床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機器零件的機器，他是制造機器的機器，所以又被稱為“工作母機”或“工具機”。

機床的母機屬性決定了它在國民經濟中的地位。機床工業為各種類型的機械制造廠提供先進的制造技術與優質高效的機床設備，促進機械制造工業的生產能力和工藝水平的提高。機械制造工業肩負著為國民經濟各部門提供現代化技術裝備的任務，即為工業、農業、交通運輸業、科研和國防等部門提供各種機器、儀器和工具。為適應現代化建設的需要，必須大力發展機械制造工業。可見，機械制造工業是國民經濟各部門賴以發展的基礎，而機床則是機械制造工業的基礎。一個國家機床工業的技術水平在很大程度上標志著這個國家的工業生產能力和科學技術水平。因此普通車床的數控化改造對提高設備的自動化程度及經濟效益具有實際意義。

1.CA6140普通車床數控改造的總體方案

通過對原CA6140普通車床結構特點分析，根據改造后車床主要用于對中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工要求，設計出一套較低成本、高性能的數控化改造方案：

（1）進給系統改造拆除原車床的縱向和橫向絲杠光杠、溜板箱及掛輪箱中的齒輪，用滾珠絲杠替換原有普通滑動絲杠。橫向驅動電機安裝在床鞍的后部（相對操作者），縱向驅動電機安裝在機床的左端位置。

（2）主軸系統改造采用變頻電機驅動，簡化原主軸箱內部結構，采用兩級減速，滿足主軸高剛性和大扭矩要求；為了使改造后的車床能夠加工螺紋，需要在掛輪箱內加裝主軸脈沖編碼器，以實現對主軸轉速的同步檢測。

（3）刀架的改造拆除原手動刀架，在小拖板上安裝數控轉位刀架，選用常州生產的 LDB4 型電動刀架。

（4）數控系統選型設計根據改造功能要求和精度要求，選擇半閉環控制方式，采用GSK980TDB數控系統；采用廣州數控公司的980系列伺服放大器和980系列伺服電機。

2.縱向進給系統滾珠絲杠和電機計算與選型

工作臺重量 600N，行程 650 mm，滑動導軌動摩擦系數μ=0.1，靜摩擦系數μ=0.2，Z軸快速進給速度 vmax=12 m/min，工作壽命 20000h。

（1）初選滾珠絲杠的導程

（2）確定當量轉速和當量載荷

①確定當量轉速

滾珠絲杠副在 n1、n2、n3，…，nn各種轉速下，各轉速工作時間占總時間 的百分比分 別為 t1%、t2%，t3%…，tn%，所受載荷分別是 F1、F2、F3，…，Fn。

根據對數控車床工作狀況調查，機床工作在強力切削方式下時間百分比約為10%，進給速度約為0.3m/min，在一般切削方式下時間百分比約為60%，進給速度約為0.4m/min；在精切削方式下時間百分比約為20%，進給速度約為1m/min；在快速進給方式下時間百分比約為10%，進給速度為12m/min。

②確定當量載荷

當負荷與轉速接近正比變化時，當量載荷可采用下列公式近似計算：

絲杠的最小工作載荷 Fmin是指機器空載時滾珠絲杠副的傳動力。絲杠的最大工作載荷 Fmax是機器承受最大負荷時滾珠絲杠副的傳動力，包括機床切削時在滾珠絲杠軸向的分力與導軌摩擦力。

車床縱向車外圓時，主切削力FC=1000Pmη/v=3 600 N，

一般 FX=（0.1～0.55）FC，FY=（0.15～0.65）FC

取 FX=0.4FC=1 440 N，FY= 0.5FC=1 800 N

則 Fmin=f（FC＋W）＝704N

式中W—移動部件的重量，N；

f—導軌上的摩擦因數，取f=0.16；

K—考慮顛覆力矩影響的實驗系數，K＝1.15。

則 Fm=（2Fmax+Fmin）/3=1808N

③確定預期額定動載荷

按滾珠絲杠副的預期工作時間 L 計算額定動載荷

式中 fw—負荷系數，取fw＝1.2；

fa—精度系數，滾珠絲杠副精度取為 3 級，

則取 fa＝1。

從滾珠絲杠尺寸系列表（或產品樣本）中找出額定動載荷CA略大于當量動載荷Cm，同時考慮剛度要求，初選滾珠絲杠副的型號及有關參數。根據機床結構和工作要求從初選的幾個型號中挑選比較合適的公稱直徑、導程、負荷滾珠列數和滾珠圈數，CDM-3206-3.5-P4外循環插管式墊片預緊導珠管埋入型滾珠絲杠副的額定動載荷為16500N可滿足要求，精度等級選為4級。

3.數控系統的連接與調試

GSK980TDB數控系統在組成上包括CNC和PMC兩部分，改造后的數控車床由2個進給軸（X、Z軸）、一個旋轉軸（主軸）、刀架控制系統、冷卻控制系統、潤滑控制系統、其他輔助功能控制系統，檢測控制電路等組成。

根據在本機床上要實現的功能要求，對控制系統進行總體設計和連接，連接結構圖見圖1。

圖1 數控車床控制系統總體結構圖

機床的調試除了在機械上調整，盡量消除系統的間隙、摩擦等控制系統的死區外，機床參數設置的是否恰當，直接關系到能否把數控系統和機械部分最佳匹配。對系統的功能參數檢查確認之后，即可進行伺服初始化，再設置行程、速度等方面的參數。為進一步提高機床的穩定性以及動態性能，還需要設置位置增益、加減速時間常數等CNC參數，條件允許的情況下，還可采用SERVO GUIDE 軟件對機床進行動態精度優化。

4.改造車床的PMC程序設計

PMC程序由第1級程序和第2級程序2部分組成。在第1級程序中僅處理急停和各軸超程信號等快速處理信號。2級程序主要用來實現操作面板上的按扭、指示燈、波段開關等處理；M、S、T功能的譯碼及功能處理；軸運動處理；報警信號的處理等。下面主要介紹刀具控制PMC程序設計：當系統沒有發出要刀信號時，發訊盤內當前刀位的霍爾元件信號處于低電平狀態。當系統要求刀架轉到某一刀位時，系統輸出正轉信號，此時繼電器得電吸合，使接觸器得電吸合，刀架正轉。當刀架轉至所需刀位時，該刀位霍爾元件在磁場作用下，使該刀號產生低電平信號，這時刀架正轉信號斷開，系統輸出反轉信號，同時另一繼電器得電吸合，使相應接觸器得電吸合，刀架反轉，反轉到位后，刀架電機停止，完成一次換刀控制過程。

根據上述刀架控制要求，設計PMC 程序流程見圖 2。

圖2 換刀控制PMC程序流程圖

5.結束語

從改造后機床的使用、運行狀態來看，機床較大地拓寬了機床加工零件的范圍，并更好地保證了零件加工的一致性和產品質量；改造后的機床精度總體達到當前國產同類數控機床的精度水平；改造的成本也較低，取得了良好的經濟效益，達到了預期的改造目標。

[1]廣州數控設備有限公司.GSK980TDB車床數控系統使用手冊[EB/OL].

[2]賀紅霞，趙輝.CA6140車床進給系統數控改造中滾珠絲杠副的選型和計算[J].煤礦機械，2007，（7）.

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