CA6140型卧式车床的数控化改造

1、CA 6140型卧式车床的数控化改造 常州大学城机电职业技术学院 模具技术系 陈秀珍 摘 要本文主要介绍了CA 6140型卧式车床数控改造的系统配置及主要技术规格,阐述了车床的主传动系统、 进给 传动系统及辅助机构进行数控化改造的改造部位和方法。 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。 关键词CA 6140车床 工作原理 数控改造 数控化加工是机械加工行业朝高质量、 高精度、 高成品率、 高效率发展的趋势。 结合我国实际国情,经济型数控车床是我国 从普通车床向数控车床发展的及其重要的台阶。采用经济型数 控系统对普通机床进行改造,尤其适合我国机床拥有量大,生产 规模小的具

2、体国情。我校为适应现代化生产和教学,对CA 6140 车床进行了数控化改造。投入使用后,加工零件精度高、 尺寸一 致性好、 自动化程度高,不仅增添了数控实习设备,改善了教学 条件,而且使用方便,改造费用低。现将改造思路、 方法介绍如 下,为普通车床的数控改造提供参考。 一、 数控改造的系统配置及主要技术规格 综合考虑结构简单、 调试维修方便、 工作可靠、 成本低、 易改 装成功等因素,我们选用SI NUM ER IK 802S数控系统,该系统 标准配置包具备了所有的必要组成单元:NC, PLC,操作面板, 机床控制面板,输入? 输出单元及系统软件。 操作编程极其简便、 性能价格比高,是专门为低

3、端CNC机床市场而开发的经济型 CNC控制系统。 系统主要技术性能和参数如下: 1、 系统是由步进电机拖动的开环系统,伺服驱动装置主要 是步进电机、 功率步进电机、 电液脉冲马达等。由数控系统送出 的进给指令脉冲,经驱动电路控制和功率放大后,使步进电机转 动,通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。 其控制系统框图如 图1所示。 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,

4、可加工出各种较复杂的零件。 3、 在规定的存取权限下可以通过RS232接口读入? 读出相 应的文件。 在存取权限允许的情况下可以传送以下的数据:选件 参数、 机床数据、 设定数据、 刀具补偿、 零点偏移等数据;零件程 序;开机调试数据;螺距误差补偿数据;标准循环等。 4、 改造后的机床要求具有直线和圆弧插补功能,纵向脉冲 当量为0. 01,横向脉冲当量为0. 005,改造后机床能完成一般车 削及加工任意锥面、 球面、 螺纹等,并具有刀架自动转位及其他 辅助功能。 5、 系统环境工作条件。温度-10+40;湿度为 40%80%。 6、 输入电网电压。交流 (220 22)V; 频率为50Hz;电

5、流为 115A。 7、 步进电机。110BF003型电机两台,驱动电压为110V;相 电流为215A;步距角为0. 75 ? 步;静力矩为12Nm。 二、 主传动的数控化改造 在数控机床中,其主轴是最关键的部件,对机床精度起着至 关重要的作用。 由于数控机床在实际生产中,并不需要在整个变 速范围内均为恒功率。一般要求在中、 高速段为恒功率传动,在 低速段为恒转矩传动。为了确保数控机床主轴低速时有较大的 转矩和主轴的变速范围尽可能大,将原机床的主传动系统保留。 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

6、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。 改造后的数控车床为了加工螺纹,在主轴后端安装一个主 轴脉冲编码器,为避免同轴安装时的加工零件不能穿出车床主 轴孔缺点,此次改造采用异轴安装。 作为主轴位置的信号反馈元 件,异轴安装时应注意主轴脉冲编码器的引出轴与车床主轴按 1: 1无间隙柔性联接传动,可采用同步齿型带来联接。使用中车 床主轴转速不允许超过主轴脉冲发生器的最高许用转速。 脉冲编码器联接方式如图2所示:交流主轴电动机通过带 轮把运动传给主轴,主轴的运动经过同步带轮1和同步带轮2 以及同步带带动脉冲编码器,使其与主轴同速运转,脉冲编码器 用螺钉固定在主

7、轴箱体上。 三、 进给传动的数控化改造 数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指 77 科技信息高校理科研究 令,并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。 其 横向进给传动系统是带动刀架作横向(X轴)移动的装置,它控 制工件的径向尺寸;纵向进给装置是带动刀架作轴向(Z轴)运 动的装置,它控制工件的轴向尺寸。 1、进给传动链 在原车床床尾部装上步进电动机及齿轮减速箱带动原纵向 丝杠使溜板箱作Z轴进给运动,而保留机床的进给箱和溜板箱 等原有进给系统,必要时仍可作为普通机床使用。 进行数控加工 时,要合上开合螺母,脱开进给箱中的M5离合器。横向进给(即 X向)由装在床鞍后方(操作

8、者对面)的步进电动机及其减速箱 传动,数控加工时脱落蜗杆等横向机动进给结构要在空档(脱 开)位置。 进给传动系统如图3所示: 1纵向丝杠副; 2横向丝 杠副; 3、6步进电动机; 4、5齿轮减速器 2、 滚珠丝杠螺母副的选用 为保证数控机床高的加工精度,其进给传动系统要求有高 的传动精度、 高的灵敏度(响应速度快)、 工作稳定、 有高的构件 刚度及使用寿命、 小的摩擦及运动惯量,并能清除传动间隙。采 用滚珠丝杠副可以满足上述要求,选用W1L 4006外循环螺纹调 整预紧的双螺母滚珠丝杠副, 1列2. 5圈,其额定动负载为 16400N ,强度足够用,精度等级选为5级。其几何参数如下:公 称直径

9、D0= 40mm ,导程L0= 6mm,螺纹升角 = arctg Lo do = 244。 钢球直径DW= 3. 969mm,螺杆内径d= 35. 984mm。 支撑滚珠丝杠的轴承为8107型推力球轴承,几何参数为: d1= 35mm,滚动体直径dQ= 6. 35mm,滚动体数量ZQ= 18。 3、 减速齿轮传动副设计 在数控机床伺服进给系统中齿轮传动副的目的:一是降速, 将伺服电动机的高速低转矩输出变为负载要求的低速大转矩; 二是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占较小的比重, 以保证精度。 为了保证传动精度,数控机床上使用的齿轮精度等 级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动,因而改

10、造 时,机床主要齿轮必须满足数控机床的要求,以保证机床加工精 度。 (1)纵向进给系统减速齿轮的设计计算 根据给定的纵向进 给脉冲当量0. 001mm,滚珠丝杠导程L0= 6mm ,及初选的步进 电动机步距角0. 75 可计算出传动比 i= 3600. 01 0. 756 = 0. 8 选取齿轮齿数为Z1= 32、Z2= 40,模数m= 2。 (2)横向进给减速齿轮系统减速齿轮的设计计算 减速齿轮 考虑到结构上的原因,不使大齿轮直径太大,以免影响到横向溜 板的有效行程。故此处可采用两级齿轮降速 : Z 1= 24, Z2= 40, Z3 = 20, Z4= 25。 四、 辅助机构改造 1.电动

11、卡盘 为了提高经济性数控车床的加工效率,还可考虑采用电动 三爪自定心卡盘装置,与数控装置的控制电路相配合,能实现自 动夹紧,松开,提高加工过程的自动化程度。 2.床身 为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性,除尽 可能地减少电器和机械故障的同时,应充分考虑机床零件、 部件 的耐磨性,尤其是机床导轨的耐磨性。当前国内外数控机床的 床身等大件多采用普通铸铁。 而导轨则采用淬硬的合金钢材料, 其耐磨性比普通铸铁导轨高5至10倍。据此,在改造中利用旧 床身,采用GCR15轴承钢淬硬到HRC56- 62制成导轨,用螺钉 和粘剂固定在铸铁床身上。粘接前的导轨工作表面采用磨削加 工,表面粗糙度Ra0.

12、 8mm,以提高粘接强度。 3.自动换刀装置 拆除原手动刀架和小拖板,安装由微机控制的四工位电动 刀架。根据车床的型号及主轴中心高度,选用LD4I型4工位 自动回转刀架。该刀架体积小,重复定位精度高,适用于强力车 削并安全可靠。 安装时,去掉车床小拖板,置刀架于中拖板上,卸 掉电机风罩,逆时针方向转动电机,或转动轴承盖处之内六角螺 孔,使刀架转动到45 左右时,装上螺钉,然后固定刀架即可。 4.安全防护 高效必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采 取相应的措施,切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件,工作时要 严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加 整体铁板防护罩。 大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好,绝 对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。 结束语: 改造后的机床,其数控加工能力、 自动化水平和加工精度明 显提高,定位准确、 可靠,操作简便。投入实习工厂运行两年多 来,没有出现过较大故障。它不仅承担学生的数控实训,承担生 产任务,更重要