【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 動(dòng)。另外由于磨損快，造成其精度保持性和壽 命低等等，在進(jìn)行普通機(jī)床數(shù)控化改造時(shí)往往都將其更換為滾珠絲杠副。滾珠絲杠副有以下一些特點(diǎn)：摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，可達(dá) ～ ；若使用的絲杠螺母預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高傳動(dòng)剛度；摩擦阻力小，幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，動(dòng)靜摩擦力之差極小，能保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；磨損小、壽命長(zhǎng)、精度保持性好。但應(yīng)注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此絲杠立式和傾斜使用時(shí)，應(yīng)增加制動(dòng)裝置或平衡裝置。 滾珠絲杠副根據(jù)其滾珠的回轉(zhuǎn)方式可以分 為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種，根據(jù)螺母的結(jié)構(gòu)形式又可以分為雙螺母和單螺母。在進(jìn)行改造時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況和結(jié)構(gòu)形式來(lái)定，由于外循環(huán)式絲杠副螺母回珠器在螺母外邊，所以很容易損壞而出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，而內(nèi)循環(huán)式的回珠器在螺母副內(nèi)部，不存在卡死和脫落現(xiàn)象。由于雙螺母不僅裝配、預(yù)緊調(diào)整等比單螺母方便，而且其傳動(dòng)剛性比單螺母也好，所以只要結(jié)構(gòu)和機(jī)床空間滿足要求，在普通機(jī)床數(shù)控化改造中多選內(nèi)循環(huán)式雙螺母結(jié)構(gòu)。 改造時(shí)各軸滾珠絲杠的直徑一般都是與原 T 型絲杠直徑相近，對(duì)有特殊要 9 求的機(jī)床還應(yīng)根據(jù)桿系的穩(wěn)定性計(jì)算其臨界轉(zhuǎn)速，最終確定滾珠絲杠的 直徑。絲杠導(dǎo)程在滿足機(jī)床改造后性能的前提下越小，對(duì)機(jī)床的傳動(dòng)精度越有利。機(jī)床的傳動(dòng)精度在保證機(jī)床剛性的情況下，與絲杠副本身的精度和軸承布置形式有很大的關(guān)系，一般在普通機(jī)床改造中絲杠副選 P4 級(jí)即可滿足要求，特殊精密機(jī)床選P3 級(jí)甚至更高。絲杠副軸承常見(jiàn)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(yīng)于短絲杠，如數(shù)控機(jī)床的調(diào)整環(huán)節(jié)或升降臺(tái)式數(shù)控銑床的垂直坐標(biāo)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(zhǎng)，轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合，在 受力較大時(shí)還得增加角接觸球軸承得數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用更經(jīng)濟(jì)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(guò)軸承的預(yù)緊力預(yù)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(zhǎng)度不大得情況，但設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)的預(yù)拉伸量，否則會(huì)影響軸承壽命，同時(shí)也會(huì)因?yàn)轭A(yù)加負(fù)載得不易控制而增加電機(jī)的附加扭矩。 (2） 機(jī)床導(dǎo)軌 普通車床導(dǎo)軌大多采用的是滑動(dòng)導(dǎo)軌，其動(dòng)、靜摩擦系數(shù)大，在使用一段時(shí) 10 間后都會(huì)有不同程度的磨損，對(duì)機(jī) 床傳動(dòng)精度和其保持性帶來(lái)很大的影響。因此在對(duì)其進(jìn)行數(shù)控化改造的同時(shí)必須針對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌狀況進(jìn)行必要的檢修處理，對(duì)于磨損較嚴(yán)重的更要進(jìn)行大修，即進(jìn)行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時(shí)采用合理的潤(rùn)滑，充分保證其精度。 (3）電機(jī)與絲杠的聯(lián)接 在滿足機(jī)床要求的前提下，為減少中間環(huán)節(jié)帶來(lái)的傳動(dòng)誤差，我們多將電機(jī)與絲杠副通過(guò)聯(lián)軸器直接聯(lián)接，這要根據(jù)改造中實(shí)際情況來(lái)定。一般對(duì)于小型車床如 C6116 型，由于空間尺寸有限，特別是 X 軸，電機(jī)與絲杠副不能直聯(lián)，多采用齒輪副或同步帶論來(lái)傳動(dòng)；對(duì)于大型車床如 C6150，床身長(zhǎng) 5 米的車床，由于絲杠較長(zhǎng)，直徑較大，除了要考慮傳動(dòng)力的問(wèn)題，還要考慮其低速性能及加減速慣量匹配的問(wèn)題，往往電機(jī)都要通過(guò)幾級(jí)減速來(lái)傳動(dòng)。無(wú)論是采用齒輪還是同步帶論來(lái)傳動(dòng)，其傳動(dòng)間隙的消除是比較關(guān)鍵的。齒輪傳動(dòng)中常用的方法有錯(cuò)齒消隙法、偏心軸調(diào)整法等等，同步帶論傳動(dòng)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(dòng)工件以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)是車削加工中的主運(yùn)動(dòng)，消耗機(jī)床大部分動(dòng)力。普通車床由主電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶傳動(dòng)，經(jīng)主軸變速箱帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸箱經(jīng)手動(dòng)或自動(dòng)變速獲得（ 9～ 24）級(jí)轉(zhuǎn)速，通過(guò)電磁或液 壓離合器操縱主軸的變速和正反轉(zhuǎn)；而數(shù)控車床主軸箱由電主軸或傳統(tǒng)機(jī)械主軸單元加變頻電機(jī)和變頻器組成。普通車床在數(shù)控化改造時(shí)大部分情況下保留原主軸箱，不做改動(dòng)或少做改動(dòng)。如需改動(dòng)則要注意以下幾點(diǎn)： 如原主軸含液壓操縱主軸的變速、正反轉(zhuǎn)和潤(rùn)滑功能，則需對(duì)其增裝單獨(dú)普通電機(jī)加以驅(qū)動(dòng)，避免液壓系統(tǒng)受到主電機(jī)正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速變換而失靈。 如不需要原有機(jī)械變速換擋時(shí)，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(yīng)焊死以免因?yàn)檎`操作出現(xiàn)事故。 機(jī)床能否進(jìn)行螺紋加工是主軸部分?jǐn)?shù)控化改造的另一重要部分，傳 統(tǒng)車床加工螺紋時(shí)往往是通過(guò)掛輪組來(lái)完成，加工不同的螺紋則需不同的掛輪組，操作起來(lái)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(zhuǎn)速與主軸 11 轉(zhuǎn)速一致，主軸轉(zhuǎn)一周，光電碼盤轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，通過(guò)反饋給系統(tǒng)控制進(jìn)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(duì)式光電碼盤，目前國(guó)內(nèi)常用的為增量式光電碼盤。根據(jù)光電碼盤上刻線條數(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(dòng)刀架，其特點(diǎn)是定 位更準(zhǔn)確、迅速。老式傳統(tǒng)車床刀架多為手動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)或少部分的電動(dòng)，改造時(shí)可以根據(jù)需要對(duì)其加以更換。 電動(dòng)刀架可分為臥式轉(zhuǎn)塔刀架（一般安裝 8～ 12 把刀）和立式電動(dòng)刀架，立式電動(dòng)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(zhuǎn)塔刀架價(jià)格相對(duì)較貴，改造中常用立式四工位電動(dòng)刀架。 潤(rùn)滑部分的改造 老式傳統(tǒng)車床除主軸箱外，導(dǎo)軌、絲杠副、光桿等多用油槍定期注油潤(rùn)滑和油脂潤(rùn)滑，這對(duì)機(jī)床的導(dǎo)軌、絲杠副等的精度保持很不利，在同等驅(qū)動(dòng)下機(jī)床運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、靈活性也差一些。 在對(duì)這些機(jī)床改造時(shí)一般都要對(duì)其潤(rùn)滑部分進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，采用稀油集中定量、定時(shí)供油潤(rùn)滑的方式，可分為手控潤(rùn)滑和編程自動(dòng)潤(rùn)化兩種，在機(jī)床導(dǎo)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(rùn)滑，如特殊需要和供油充分的條件下也可采用稀油潤(rùn)滑。 機(jī)床防護(hù) 機(jī)床改造后整個(gè)防護(hù)分局部防護(hù)、半防護(hù)和全防護(hù)三種 。 局部防護(hù)只對(duì)絲杠副、電機(jī)、走線等采取防護(hù)措施。半防護(hù)是在局部防護(hù)的基礎(chǔ)上增加切削的保護(hù)，即增加擋屑裝置。全防護(hù)即在局部防護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè) 12 機(jī)床加以封閉，此種防護(hù)最難處理，考慮的因素也很多如安裝位、防水、美觀等。實(shí)際操作起來(lái)以前兩種最多，也最易操作。 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 我國(guó)目前機(jī)床總量 380 余萬(wàn)臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 萬(wàn)臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到 3%。近 10 年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 ～ 萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約為 18 億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6%。我國(guó)機(jī)床役齡 10 年以上的占 60%以上； 10 年以下的機(jī)床中，自動(dòng) /半自動(dòng)機(jī)床不到 20%， FMC/FMS 等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占 60%以上）?？梢?jiàn)我們的大多數(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(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來(lái)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(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證明普通機(jī)床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟(jì)性、 實(shí)用性和穩(wěn)定性。所以很多企業(yè)紛紛將現(xiàn)有機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，這種做法具有投資少、見(jiàn)效快的特點(diǎn)。事實(shí)證明：用較少的資金，將普通機(jī)床改造升級(jí)為數(shù)控機(jī)床，可以為企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 二． 車床數(shù)控改造的構(gòu)思與方案 本次改造的普通車床型號(hào)為 CA6140，長(zhǎng)度 750 毫米。數(shù)控改造主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械改造和數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)。由于對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，擬采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)控制縱、橫進(jìn)給系統(tǒng)，保證改造后的車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停等功能。為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所 要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠；為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。 13 改造 任務(wù) 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì) CA6140 普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。利用微機(jī)對(duì)縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，縱向（ Z 向）脈沖當(dāng)量為 ，橫向（ X 向）脈沖當(dāng)量為 ，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。 改造 方案的論證 對(duì)于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng) 應(yīng)盡可能少，以降低成本。 ① 控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)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(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動(dòng)連續(xù)控制系統(tǒng)。 ②伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，本設(shè)計(jì)決定采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 ③數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 任何一個(gè)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(chǔ) ，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(yùn)行。 在設(shè)計(jì)的數(shù)控裝置中， CPU 的選擇是關(guān)鍵，選擇 CPU 應(yīng)考慮以下要素： (1) 時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)與被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度和精度密切相關(guān)； (2) 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量與數(shù)控功能的強(qiáng)弱相關(guān)； (3) I/O 口擴(kuò)展的能力與對(duì)外設(shè)控制的能力相關(guān) ； 除此之外，還應(yīng)根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合、控制對(duì)象以及各種性能、參數(shù)要求等，綜合起來(lái)考慮以確定 CPU。在我國(guó)，普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的 14 是 Z80CPU 和 MCS51 系列單片機(jī)，主要是因?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒阋耍占靶?、通用性?qiáng)，制造 和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造需要。本設(shè)計(jì)中是以 MCS51 系列單片機(jī)， 51 系列相對(duì) 48 系列指令更豐富，相對(duì) 96 系列價(jià)格更便宜， 51 系列中，是無(wú) ROM 的 8051， 8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是 8031 單片機(jī)。本設(shè)計(jì)以 8031 芯片為核心，增加存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開(kāi)關(guān)組成的控制系統(tǒng)。 改造方案的確定 CA6140A 車床主要用于對(duì)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(jī)床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有：能夠控制主軸正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn) 不同切削速度的主軸變速；刀架能夠?qū)崿F(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并具有在換刀點(diǎn)自動(dòng)改變四個(gè)刀位完成選擇刀具的功能；加工螺紋時(shí)，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動(dòng)一個(gè)加工螺紋的螺距或?qū)С?。這些內(nèi)容就是數(shù)控化改造后數(shù)控系統(tǒng)需要控