【文章內(nèi)容簡介】 ，一般在普通機床改造中絲杠副選 P4 級即可滿足要求，特殊精密機床選P3 級甚至更高。絲杠副軸承常見的布置形式根據(jù)不同的需要可以分為以下幾種，如圖 1。 (a) (b) (c) (d) 圖 1 絲杠副軸承的布置 ① .圖 1－ a 中為一端固定，一端懸空的布置方式。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度低，僅適應于短絲杠，如數(shù)控機床的調(diào)整環(huán)節(jié)或升降臺式數(shù)控銑床的垂直坐標中。 ② .圖 1－ b 中為一端固定，一端支承的布置方式。這種安裝方式多在絲杠較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承得數(shù)量，轉速不高時多用更經(jīng)濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。 1－ d 中為兩端固定的布置方式。這種布置方式絲 杠副得支承剛性最好，通過軸承的預緊力預拉伸絲杠，以減少絲杠熱變形的影響。這種方式多用在絲杠長度不大得情況，但設計時要注意提高平面球軸承的承載能力、支承剛度以及絲杠裝配時的預拉伸量，否則會影響軸承壽命，同時也會因為預加負載得不易控制而增加電機的附加扭矩。 (2） 機床導軌 普通車床導軌大多采用的是滑動導軌，其動、靜摩擦系數(shù)大，在使用一段時間后都會有不同程度的磨損，對機床傳動精度和其保持性帶來很大的影響。因此在對其進行數(shù)控化改造的同時必須針對機床導軌狀況進行必要的檢修處理，對于 10 磨損較嚴重的更要進行大修， 即進行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時采用合理的潤滑，充分保證其精度。 (3）電機與絲杠的聯(lián)接 在滿足機床要求的前提下，為減少中間環(huán)節(jié)帶來的傳動誤差，我們多將電機與絲杠副通過聯(lián)軸器直接聯(lián)接，這要根據(jù)改造中實際情況來定。一般對于小型車床如 C6116 型，由于空間尺寸有限，特別是 X 軸，電機與絲杠副不能直聯(lián)，多采用齒輪副或同步帶論來傳動；對于大型車床如 C6150，床身長 5 米的車床，由于絲杠較長，直徑較大，除了要考慮傳動力的問題，還要考慮其低速性能及加減速慣量匹配的問題，往往電機都要通過幾級減速來傳動。無 論是采用齒輪還是同步帶論來傳動，其傳動間隙的消除是比較關鍵的。齒輪傳動中常用的方法有錯齒消隙法、偏心軸調(diào)整法等等，同步帶論傳動中多采用調(diào)整中心距或張緊輪消隙法。 主軸部分的改造 車床主軸帶動工件以不同轉速旋轉是車削加工中的主運動，消耗機床大部分動力。普通車床由主電動機經(jīng)皮帶傳動，經(jīng)主軸變速箱帶動主軸旋轉，主軸箱經(jīng)手動或自動變速獲得（ 9～ 24）級轉速，通過電磁或液壓離合器操縱主軸的變速和正反轉；而數(shù)控車床主軸箱由電主軸或傳統(tǒng)機械主軸單元加變頻電機和變頻器組成。普通車床在數(shù)控化改造時大部分情況下保留 原主軸箱，不做改動或少做改動。如需改動則要注意以下幾點： 如原主軸含液壓操縱主軸的變速、正反轉和潤滑功能，則需對其增裝單獨普通電機加以驅動，避免液壓系統(tǒng)受到主電機正反轉或轉速變換而失靈。 如不需要原有機械變速換擋時，則需將主軸箱內(nèi)齒輪組固定在一恒定的速度鏈上，摩擦片也應焊死以免因為誤操作出現(xiàn)事故。 機床能否進行螺紋加工是主軸部分數(shù)控化改造的另一重要部分，傳統(tǒng)車床加工螺紋時往往是通過掛輪組來完成，加工不同的螺紋則需不同的掛輪組，操作起來十分麻煩。我們通常在主軸末端或掛輪架處增裝一光電編碼器， 其轉速與主軸轉速一致，主軸轉一周，光電碼盤轉一轉，通過反饋給系統(tǒng)控制進給軸與主軸的同步性，從而加工出理想螺距的螺紋。根據(jù)其編碼方式的不同，光電碼盤可分為增量式光電碼盤和絕對式光電碼盤，目前國內(nèi)常用的為增量式光電碼盤。根據(jù)光 11 電碼盤上刻線條數(shù)可分為 1024 線、 2048 線等，我們常用的為 1024 線即可滿足要求。 刀架部分的改造 目前數(shù)控車床刀架基本為電動刀架，其特點是定位更準確、迅速。老式傳統(tǒng)車床刀架多為手動、液壓驅動或少部分的電動，改造時可以根據(jù)需要對其加以更換。 電動刀架可分為臥式轉塔刀架（一 般安裝 8～ 12 把刀）和立式電動刀架，立式電動刀架有四工位（或六工位），其中每一種刀架又有抬刀刀架（兩端齒盤）和免抬刀刀架（三端齒盤）之分。臥式轉塔刀架價格相對較貴，改造中常用立式四工位電動刀架。 潤滑部分的改造 老式傳統(tǒng)車床除主軸箱外，導軌、絲杠副、光桿等多用油槍定期注油潤滑和油脂潤滑，這對機床的導軌、絲杠副等的精度保持很不利，在同等驅動下機床運動的穩(wěn)定性、靈活性也差一些。 在對這些機床改造時一般都要對其潤滑部分進行相應的改動，采用稀油集中定量、定時供油潤滑的方式，可分為手控潤滑和編程 自動潤化兩種，在機床導軌、絲杠副布置好油路后可根據(jù)需要任選一種。 絲杠支承軸承一般采用油脂潤滑，如特殊需要和供油充分的條件下也可采用稀油潤滑。 機床防護 機床改造后整個防護分局部防護、半防護和全防護三種。 局部防護只對絲杠副、電機、走線等采取防護措施。半防護是在局部防護的基礎上增加切削的保護，即增加擋屑裝置。全防護即在局部防護的基礎上對整個機床加以封閉，此種防護最難處理，考慮的因素也很多如安裝位、防水、美觀等。實際操作起來以前兩種最多，也最易操作。 12 機床數(shù)控化改造的必要 性 我國目前機床總量 380 余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到 3%。近 10 年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為 ～ 萬臺，年產(chǎn)值約為 18 億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6%。我國機床役齡 10 年以上的占 60%以上； 10 年以下的機床中，自動 /半自動機床不到 20%， FMC/FMS 等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占 60%以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在 質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 經(jīng)過大量實踐證明普通機床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟性、實用性和穩(wěn)定性。所以很多企業(yè)紛紛將現(xiàn)有機床改造成經(jīng)濟型數(shù)控機床，這種做法具有投資少、見效快的特點。事實證明：用較少的資金，將普通機床改造升級為數(shù)控機床，可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。 二． 車床數(shù)控改造的構思與方案 本次改造的普通車床型號為 CA6140，長度 750 毫米。數(shù)控改造主要包括 傳動系統(tǒng)的機械改造和數(shù)控裝置的設計。由于對經(jīng)濟型數(shù)控機床的加工精度要求不高，為簡化結構、降低成本，擬采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。通過控制縱、橫進給系統(tǒng)，保證改造后的車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停等功能。為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。 改造任務 本設計任務是對 CA6140 普通車床進行數(shù)控改造。利用微機對縱、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，縱向（ Z 向）脈沖當量為 ，橫向（ X 向）脈沖 13 當 量為 ，驅動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉位刀架。 改造方案的論證 對于普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在確定總體設計方案時，應考慮在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能少，以降低成本。 ① 控系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求 CA6140 車床加工復雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動連續(xù)控制系統(tǒng)。 ②伺服進給系統(tǒng)的改造設計 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。因為開 環(huán)控制具有結構簡單、設計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。所以，本設計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 ③數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。 在設計的數(shù)控裝置中， CPU 的選擇是關鍵，選擇 CPU 應考慮以下要素： (1) 時鐘頻率和字長與被控對象的運動速度和精度密切相關； (2) 可擴展存儲器的容量與數(shù)控功能的強弱相關； (3) I/O 口擴展的能力與對外設控制的能力相關 ； 除此之外， 還應根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的應用場合、控制對象以及各種性能、參數(shù)要求等，綜合起來考慮以確定 CPU。在我國，普通機床數(shù)控改造方面應用較普遍的是 Z80CPU 和 MCS51 系列單片機，主要是因為它們的配套芯片便宜，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床的改造需要。本設計中是以 MCS51 系列單片機， 51 系列相對 48 系列指令更豐富，相對 96 系列價格更便宜， 51 系列中，是無 ROM 的 8051， 8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工控機中應用最多的是 8031 單片機。本設計以 8031 芯片為核心，增加 存儲器擴展 14 電路、接口和面板操作開關組成的控制系統(tǒng)。 改造方案的確定 CA6140A 車床主要用于對中小型軸類、盤類及螺紋零件的加工，加工這些零件工藝上要求機床應完成的工作內(nèi)容有：能夠控制主軸正反轉，實現(xiàn)不同切削速度的主軸變速；刀架能夠實現(xiàn)縱向和橫向的進給運動，并具有在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具的功能；加工螺紋時，應保證主軸轉一轉，刀架移動一個加工螺紋的螺距或導程。這些內(nèi)容就是數(shù)控化改造后數(shù)控系統(tǒng)需要控制的對象。 數(shù)控機床由機床、數(shù)控系統(tǒng)和外圍技術三部分組成。普通車床改造的 目的是利用數(shù)控系統(tǒng)控制車床自動完成機械加工任務，提高車床的加工精度和生產(chǎn)效率。在考慮經(jīng)濟型數(shù)控機床改造具體方案時，所遵循的原則是在滿足需要的前提下，對原有車床盡可能減少改動，以降低改成本。改造中需要解決的問題是：將機械傳動的進給和手動控制的轉位刀架改造成數(shù)控裝置控制的自動轉位刀架和自動進給的數(shù)控加工車床。 利用數(shù)控系統(tǒng)對輸入的加工程序進行運算處理，發(fā)出的進給指令通過 I/O 接口輸出給 X 軸和 Z 軸步進電機，經(jīng)齒輪減速后，帶動滾珠絲杠轉動，由螺母帶動刀架直線移動，從而實現(xiàn)縱向和橫向的自動進給運動。換刀指令通過刀架 控制器控制三相電動機實現(xiàn)刀架自動轉位功能，由脈沖編碼器協(xié)調(diào)完成螺紋車削功功能。 三． 主要結構的數(shù)控改造方法 數(shù)控系統(tǒng)的改造 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的靈魂，其性能的穩(wěn)定性直接影響零件的加工的尺寸精度、位置精度及操作工人的人身安全。一般的，普通車床數(shù)控改造時，由于需要加工圓錐、圓弧等曲面，需要選擇兩軸聯(lián)動控制的數(shù)控系統(tǒng)。 15 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 機床數(shù)控系統(tǒng) (CNC 系統(tǒng) )是數(shù)控機床的控制核心，隨著機床數(shù)控技術的不斷發(fā)展與進步，提高了數(shù)控機床的整體性能，尤其是它的加工精度和生產(chǎn)效率提高得更為顯 著，現(xiàn)在，數(shù)控機床已在機械工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。 目前市場上流行的數(shù)控系統(tǒng)，如 FANUC、西門子、 GSK980TD 等都配置有車床數(shù)控系統(tǒng)，能夠勝任車、削加工的大部分工作，并具有價格低廉、可靠性強、功能強大等特點。在對多家數(shù)控系統(tǒng)進行比較后 !我們選擇了 GSK980TD 型數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機床應能長期連續(xù)加工，其數(shù)控系統(tǒng)必須能夠長期無故降連續(xù)運行。為保證機床長期可靠地運行，數(shù)控系統(tǒng)必須有抵抗惡劣環(huán)境的高可靠運行特性。 常年的工作考臉證明 GSK980TD 系統(tǒng)是最可靠的數(shù)控系統(tǒng)之一，它能在一般車間環(huán)境下運行。其工作場 地的室溫為 045℃，相對濕度 75%短時可達 95%,抗震為 ，電網(wǎng)電壓波動為 10%15%,經(jīng)對使用中系統(tǒng)的實際統(tǒng)計， GSK980TD系統(tǒng)的故障率為 ，比較好地滿足了我國市場的要求。 GSK980TD 系統(tǒng)之所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素： (1)可靠的高質(zhì)量的元器件及良好的老化篩選工藝。 (2)大規(guī)模及超大規(guī)模的專用集成電路芯片： GSK980TD 系統(tǒng)采用了許多由富士通公司制造的高度集成的專用功能芯片。 (3)全自動化工廠生產(chǎn)制造：多層印刷板的制板、元件的插裝、焊接、印刷板的檢查、系統(tǒng) 的組裝、電機投料、沖片、精鑄、機械加工、裝配、成品的包裝出廠全部為自動化，這就使得在生產(chǎn)過程中避免了外界 (人 )的不穩(wěn)定因素的干預。所以產(chǎn)品的一致性好，增加了可靠性。 (4)良好的控制軟件設計： GSK980TD 系統(tǒng)經(jīng)過在國內(nèi)各地數(shù)年的運行，積累了豐富的數(shù)據(jù)，因此在軟件設計時考慮了可能出現(xiàn)的各種故障情況，加入了許多保護和提高可靠性的措施，如開機和狀態(tài)切換時的層層檢側、過壓、過流、反饋斷線等報警，使得機床運行中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能及時處理，從而進免了元部件的損壞。 (5)數(shù)字式進給伺服和數(shù)字式主軸驅動：數(shù)字控制、數(shù) 據(jù)的串行傳輸大大提 16 高了運行的可靠性。主軸控制信號的傳送使用光纜，使信號免受外界干擾。 電氣控制原理 主軸控制系統(tǒng)： 主軸采用三相異步電機驅動由西門子 440 變頻器 US 控制，其動力由 U、 V、W 三相電源經(jīng)變頻器 US 提供，主軸電機的正反轉由指令控制經(jīng) PLC 輸出再經(jīng)變頻器 US 控制主軸電機的正反轉，主軸電機轉速由數(shù)控系統(tǒng)經(jīng) XS9 口直接連到變頻器 US 控制電機轉速，若出現(xiàn)故障，則由變頻器