紅碎茶CTC齒輥微機數控加工車床的方案設計

周文兵

（銅陵職業技術學院，安徽銅陵 244061）

在當前的紅碎茶施工作業中，CTC是極為重要的加工設備，其中又以齒輥尤為關鍵。就當前國內行業環境而言，齒輥部分主要以I CrI8Ni9Ti奧氏體不銹鋼居多，它為典型的圓柱體結構，且在外表面上設置有高達200道的環形槽，彼此間距為3mm。

1 背景介紹

在當前國內環境中，有關于齒輥的環形槽的加工與修正工作主要借助于中型車床而完成，這是一種較為傳統的加工方法，需要投入的人力較多，但所帶來的生產效率也不夠良好，且質量無法得到保障。在國內茶葉市場持續發展的大背景下，進一步推動了CTC齒輥加工車床的發展，它所帶來的生產效率得到了顯著的提升，同時齒輥節距精度也獲得了更高保障。對此，本文則圍繞車床機械以及電氣方案展開分析，充分考慮到節距誤差這一因素，提出一些可行的CTC設備加工方案，由此推動國內CTC制造業的發展。

2 車床總體方案及進給系統設計

以國內茶機企業的實際狀況為基本出發點，考慮到CTC齒槽加工量偏大的問題，在圍繞車裝整機方案展開設計時將微型計算機作為主要的控制單元，對傳統的中型普通車床進行了改良，由此得到全新的微型數控車床，它所具備的功能更為齊全，但制造成本得到了合理的控制，在適配了切削齒輥的同時還兼具有普通車床的各項功能。

2.1 總體方案

將中型普通車床作為主要研究對象，以不影響原布局為前提，由此展開設計工作，對結構進行了優化，具體如下：

（1）去除了原設備上的掛輪架、進給箱、光杠和溜板箱四部分結構，且對原溜板箱位置進行了優化，在該區域安裝一個縱向進給滾動絲杠螺母。

（2）引入步進電機，給其增設一個縱橫進給機構，對原本的滑動絲桿進行優化，即變更為滾動絲杠，此舉可以提升設備的靈敏度。

（3）考慮到數控自動加工要求，增設了一個自動回轉刀架，由于刀架可以防止4把甚至更多的刀具，因此可以進行靈活的換刀操作。

（4）充分考慮到CTC齒輪加工的基本特點，在此基礎上編制了控制軟件，受自動控制程序的影響可以使得刀架做出重復循環動作，關于3mm的節距分度要求，它交由步進電機而實現。所使用的步進電機在持續運轉過程中并不存在誤差積累現象，所以可以確保加工精度。

2.2 縱、橫進給機構設計

無論是車床的縱向還是橫向進給，其都采用的是步進電機驅動的方式，因此機械結構發生了較大的改變。將原有的溜板箱等一些結構拆除，在此基礎上增設步進電機以及傳動齒輪，從而達到橫縱向進給的基本要求。關于傳動原理，具體如下所示：

圖2 縱、橫進給傳動原理圖

3 數控系統軟硬件設計

3.1 硬件系統總體構成

基于專用控制程序，可以實現對接口電路以及電機等一系列設備的控制，面板上設置了基礎的計算機功能按鍵，除此之外還增設有啟停按鍵。關于硬件電路，其主要由四部分組成，各自均對應在獨立的印刷電路板上。

（1）微處理器主控板。引入了的是MCS-51系列單片機，將其作為核心控制元件，接入了EPROM2764芯片，加之RAM62264的支持，可以創造更為快速的運行方式。并行接口部分使用到的是Inte18155芯片，加之鍵盤、LED相關外圍模塊的支持，從而得到一個具有完善功能的微機數控系統。這種模塊化的設計可以顯著提升系統的運行穩定性，各模塊之間的溝通也更為高效。

（2）直流電源板。系統的運行需要得到5V/15V及100V直流電源的支持，電路首先需要經過整流處理，此后進行濾波、穩壓并進行電流方法，從而起到穩定電路運行的效果。對5V/15V輸出電壓波紋系數提出了較高的要求，即電壓波紋系數應穩定在1%以內，由此滿足相關精度要求。

（3）光電禍合電路板。車床設備所處的工作環境較為復雜，其中存在較多的干擾源，為了提升系統以及各類外部設備的穩定性，需要為之增設一個TLP521光電禍合芯片，此舉能夠顯著提升裝置的抗干擾水平，創設一個穩定的運行環境。

（4）步進電機驅動電路板。受驅動電路的影響，步進電機所表現出的實際工作狀態將會存在差異，在本設計方案中引入了恒流斬波驅動電路，它在運行過程中波形較為穩定，且具有高效率、低功耗的基本特性，可以滿足2臺110BF步進電機的運行需求。

3.2 軟件功能設計

關于軟件的組成，主要可分為兩部分，具體作如下分析：

基于用戶加工程序，可以為操作者提供諸多便捷，即通過輸入加工參數的方式便可以實現特定的功能，還涉及到了詳細的HPU數控裝置說明書，以便相關操作者進行學習，整體來說操作通俗易懂，只需幾天的學習即可掌握相關操作技能。

關于專用控制程序，它是整個系統中尤為重要的管理軟件，可以實現對車床各部分的控制，采取的是模塊化的設計方式，為了滿足擴展性要求，做出了如下改進：①可以完成2個坐標方向的直線運動；②可以完成直線插補與圓弧插補；③增設了一個主脈沖發生器，能夠完成多種加工需求。

3.3 加工子程序設計

在展開CTC齒輥環形槽切削作業時，應當展開多次操作，考慮到此點內容，引入了局部小循環控制指令，它由5條字節指令所構成，對應為：工步號、循環標識BF、次數nn、長度wwww，最大達到了255，由此可知能夠進行200條齒輥環形槽的加工作業。

當進行一個齒輥加工作業時，應當得到4把YW4刀具的支持，需要將其置于回轉刀架上，在運行過程中借助于指令而達到自動回轉的效果，由此展開車削加工。在軟件設計過程中，引入了雙信號時序檢測法，它可以確保刀架運行的有序性，即便在此過程中機械出現了一定程度誤差，刀架的運行也不會受到影響。

4 切削工藝

就當前行業現狀而言，CTC齒輥材料主要以奧氏體不銹耐酸鋼為主，它具有優良的防銹以及抗腐蝕能力，但材料的切削溫度高，極容易帶來刀具磨損現象，總體來說切削工藝性較差，是一種典型的難加工材料。

4.1 刀具材料和幾何角度

如果選用普通高速鋼，其并不具有優良的耐磨性，在切削過程中刀具的壽命相對更短，且難以達到所提出的精度要求，因此此類型材料不宜投入使用。

4.2 切削用量的選擇

（1）切削速度。如果切削速度處于較低水平，則會帶來明顯的振動現象，對工件進行加工處理后表面容易出現波紋。對此，應適當的加大切削速度，由此改善工件的光潔度，但切削速度也不允許處于過高水平，否則會對刀具壽命造成影響。

（2）工件每轉進給量。當進給量偏大時，則會對工件表面的光潔度造成不良影響，嚴重時還容易出現刀具崩刃現象；反之，如果進給量偏小，那么則會對刀具壽命造成影響。

（3）冷卻潤滑。相較于普通的碳素鋼而言，奧氏體不鑄鋼具有很強的特殊性，這點在切削時體現的尤為明顯，其對于冷卻潤滑液提出了較高的要求。受韌性的影響，在切削過程中極容易出現溫度高度的現象，所形成的刀瘤會對工件的光潔度造成影響，此時潤滑液的性能顯得尤為關鍵。

5 節距誤差的數理統計研究

齒輥共設置有200條環形槽，彼此間距均為3mm，在加工過程中受車床剛度、刀具磨損等因素的影響，往往會帶來較大的誤差，僅憑機械加工工藝理論很難有效的將該問題解決，對此還需要引入統計檢驗的方法，借助于數學模型展開定量分析。基于數理統計法可以得知，節距誤差在±0.02mm內的數量占比達到了99.7%，因此加工精度良好，表明方案具有可行性。

6 結論

（1）所提出的CTC齒輥數控車床，在顯著提升切削精度的同時還兼具有普通車床的功能，適用性較強。

（2）以中型普通車床為基礎，給橫、縱兩個方面增設了步進電機，模塊化的設計簡單可行，子程序運用也更為便捷。