CA6136普通車床數(shù)控化的改造設(shè)計(jì)

劉衍益

（江蘇省無(wú)錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，無(wú)錫 214046）

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

（1）CA6136經(jīng)過數(shù)控化設(shè)計(jì)改造，應(yīng)滿足重復(fù)定位、線性插補(bǔ)、順逆圓弧插補(bǔ)、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(shí)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(jià)格較經(jīng)濟(jì)，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(jì)改裝成簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在滿足零件加工精度的要求下，盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低改造成本。因此，本次設(shè)計(jì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)元器件選用單相3kW步進(jìn)電機(jī)。在步進(jìn)電機(jī)參數(shù)選擇中，應(yīng)特別注意脈沖當(dāng)量的確定，依據(jù)改造設(shè)計(jì)精度要求，Z軸設(shè)定0.01mm，X軸設(shè)定0.005mm。

（3）拆除原手動(dòng)刀架，安裝四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及刀架控制電路。

（4）縱向及橫向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是兩套分別獨(dú)立的傳動(dòng)裝置，依次為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪減速裝置、剛性聯(lián)軸器、絲杠螺母裝置，其傳動(dòng)精度必須符合改造設(shè)計(jì)精度。

（5）為了使進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)平穩(wěn)性及傳動(dòng)精度符合設(shè)計(jì)要求，采用傳動(dòng)精度高及運(yùn)行過程中非常平穩(wěn)的滾珠絲杠螺母副，且設(shè)預(yù)緊裝置，以消除齒輪間的傳動(dòng)間隙，提高驅(qū)動(dòng)力的傳動(dòng)穩(wěn)定性。

（6）為防止機(jī)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(diǎn)建立機(jī)床坐標(biāo)系，故在縱向和橫向分別安裝回參考點(diǎn)檢測(cè)元件。

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

1 機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)

1.1 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)

1.1.1 必須改裝的重要裝置

在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)過程中，必須改裝的重要裝置分別是掛輪系統(tǒng)、進(jìn)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(jìn)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(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)給一個(gè)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(jìn)給傳遞系統(tǒng)。選擇滾珠絲杠螺母裝置、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、齒輪減速裝置、剛性聯(lián)軸器等組成橫向進(jìn)給傳遞系統(tǒng)。

進(jìn)給調(diào)速部分：整體拆掉，在此處安設(shè)縱向驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和減速與消震裝置。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)經(jīng)兩對(duì)減速齒輪裝置，將縱向進(jìn)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(dòng)作。

1.1.2 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪間隙的消除

為了確保驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，人們應(yīng)高度重視步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載慣性矩問題。每當(dāng)負(fù)載慣性矩逐漸增大至某一特定值，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)將產(chǎn)生擅動(dòng)，從而瞬間造成劇烈震動(dòng)現(xiàn)象。因此，選擇驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)考慮一定的負(fù)載余量，避免過載造成嚴(yán)重?fù)p失。在此次設(shè)計(jì)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(dòng)問題。在設(shè)計(jì)消震方法的同時(shí)，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(dòng)作不同步現(xiàn)象。

在此次改造設(shè)計(jì)中，選擇雙片齒輪來(lái)消除一組齒輪間的間隙。通常將主從動(dòng)齒輪中的從動(dòng)齒輪制造成相同規(guī)格型號(hào)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(dá)到完全消除齒側(cè)間隙的目的。

1.2 主軸部分改造設(shè)計(jì)

CA6136數(shù)控化改裝后，根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案要求，必須能自動(dòng)加工公英制螺紋，所以必須將主軸部分進(jìn)行相應(yīng)改造設(shè)計(jì)。在主軸后端安設(shè)編碼器，使其運(yùn)行與主軸的運(yùn)行同步，主軸運(yùn)行時(shí)，編碼器將同步工作，編碼器將運(yùn)行信號(hào)反饋到控制系統(tǒng)中，使進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與主軸同步控制，從而車削出符合設(shè)計(jì)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(huì)造成編碼器信號(hào)失真。

2 電氣控制部分改造設(shè)計(jì)

2.1 主軸控制系統(tǒng)

主軸電氣控制系統(tǒng)選擇臺(tái)達(dá)變頻器（VFD022M43B 三相380V 7.5kW）來(lái)驅(qū)動(dòng)三相異步電機(jī)，帶動(dòng)主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(diǎn)，萬(wàn)萬(wàn)不可將三相電源線錯(cuò)接至輸出觸點(diǎn)U、V、W，否則會(huì)造成變頻器的燒毀。接線完成后，應(yīng)檢查各觸點(diǎn)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(dòng)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(wú)線電干擾降到最小。

2.2 進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)

進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)器選擇時(shí)代M542，其性能穩(wěn)定，功能滿足設(shè)計(jì)要求。安裝過程中必須注意的事項(xiàng)有：驅(qū)動(dòng)器安裝環(huán)境必須通風(fēng)良好，無(wú)塵，無(wú)干擾信號(hào)源，信號(hào)線必須做屏蔽處理，否則會(huì)造成運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象；強(qiáng)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(dòng)器安裝橫向間距不小于30cm，否則會(huì)造成兩驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)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(zhǎng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。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(cè)裝置，SB11為手動(dòng)換刀開關(guān)，SB12為自動(dòng)選刀啟動(dòng)開關(guān)，RC9和RC10為直流滅弧裝置。X3.0～X3.3分別為1～4號(hào)輸入刀位信號(hào)源，X30.6為輸入手動(dòng)刀位信號(hào)源，30.7為輸入手動(dòng)換刀信號(hào)源，Y0.6為輸出刀架正轉(zhuǎn)信號(hào)源，Y0.7為輸出刀架反轉(zhuǎn)信號(hào)源。在接線過程中，應(yīng)注意的事項(xiàng)為，信號(hào)線必須與電源線進(jìn)行屏蔽隔離處理，接線應(yīng)牢固、無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象。

圖1 刀架控制接線原理

3 結(jié)語(yǔ)

本次CA6136數(shù)控化改造設(shè)計(jì)，圓滿實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床電氣和機(jī)械部分的改造。經(jīng)調(diào)研，將廢舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造具有很好的經(jīng)濟(jì)性，目前中國(guó)機(jī)床數(shù)控化改造潛在市場(chǎng)非常大，發(fā)展空間廣闊，特別是專用機(jī)床數(shù)控化改造項(xiàng)目。在本次改造設(shè)計(jì)過程中，筆者親身經(jīng)歷改造全過程，學(xué)到了前所未有的新知識(shí)和新技能，同時(shí)把所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到改造設(shè)計(jì)中，既鞏固專業(yè)理論知識(shí)，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(xué)和科研工作。