成形回转表面零件加工车床CA6140的数控改造

加工成形回转表面零件车床 CA6140的数控改造引言随着国民经济的发展，各行业对数控机床的需求将与日俱增。 我国是发展中 国家，目前机械制造企业经济还不宽裕，由于数控机床价格昂贵，全靠添置新的 数控机床则企业难以承受，而数控改造则是一条多快好省之路，既可节省新机床 的2/34/5左右的费用，又可实现数控化的要求。即使在发达国家，也存在专 门从事数控设备改造的行业。而数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成 本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃， 有的甚至在进口后还 没使用就已因为各方面原因不能使用等。 目前我国企业机床数控化比例极低，各 企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生 产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床仍是一种必然性和趋势。机床的数控化改造常用以下几种方案：一是恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复；二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC 机床；三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新， 对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNCS统以最新 CNC进行更新；四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术， 在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次 的更新改造。1. CA6140车床的改造方案车床数控改造的总体原则是在满足使用要求的前提下，对原机床的改动尽可 能减少，以降低成本。为保证改造后的车床有较高的重复定位精度，性能稳定， 机械装置的改造应合理，而进给系统的改造又是整个机械装置改造的关键。 进给 系统的改造方案为：用伺服电机作为驱动元件，通过同步齿形带或直接与滚珠丝 杠螺母副联结带动工作台移动，从而实现进给。刀架改为自动转位刀架（四工位）。电气的改造为控制柜结构采用强电控制柜及操作站；主轴采用普通异步电 机，并用机械手动换档变速，而数控系统采用华中HNC-21TC空制系统。机床要求基础件有足够的刚性，数控机床属于高精度机床，工件移动或刀具 移动的位置精度要求很高，必须在 0.001O.OImn之间，高的定位精度和运动精 度要求原有机床基础件具有很高的静刚度和动刚度。机床数控改装分两部分进行：一是维修机械部分。更换或修理磨损零件，调 试大型基础零件，增加新的功能装置，提高机床的精度和性能，另一方面是舍弃 原有的一部分进给系统，用新的数控系统和相应的装置来替代。改造总费用由机 械维修和增加的数控系统等部分组成。若机床的数控改造的总费用仅为同类型车 床价格的50%60%寸，该机床数控改造在经济上适宜。为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择普通型车床数控改造。 纵向进 给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座 ，配上滚珠丝杠及 相应的安装装置，纵向驱动的伺服电机及齿形带安装在车床的床尾 ，不占据丝杠 空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠 ，由伺服电动机带动。数控改造的具体步骤如下：首先选择被改造机床，再选数控系统类型，然后 自制技改件、外购技改件、标准件，然后进行改造工作图设计计算，再根据改造 工作图进行安装，最后调试运行。2. CA6140车床数控改造总体方案（交流伺服驱动）2.1 CA6140车床数控改造设计的基本思路CA6140车床的纵向和横向进给运动去掉走刀箱及溜板箱，改用进给伺服电 机驱动传动链。进给系统改造方案是：用伺服电机作为驱动元件，解除原传动系 统,通过同步齿形带和滚珠丝杠螺母副带动工作台移动，保留手动进给机构用于 微进给和机床刀具的对零操作。主轴转速部分加装主轴位置反馈码盘（1024线）， 用于螺纹车削功能。采用华中数控系统改造原机床，更换原机床的所有电气控制系统，包括增 加数控系统及其置PLC控制单元，X轴和Z轴进给交流伺服系统，电气控制柜， 吊挂操作按钮站等。更换原机床的X和Z进给轴机械传动机构部分，X和Z进给轴部分加装P4 级滚珠丝杠（整体丝杠）和四工位电动刀架，保留原主轴机械调速机构，加装主 轴位置反馈码盘（1024线），用于螺纹车削功能。由于采用华中世纪星HNC-21TC车削数控系统，具有8.4英寸彩色液晶显示器， 显示机床的工作状态，并具有实时图形显示功能。具有性能/价格比高，比同类进口产品节约费用50%还可以享受国家优惠政策，按国家政策采用国产技术进 行技术改造，改造费用的40刑以在企业新增所得税减免。同时改造后的数控机 床自动化程度高，操作方便。所改造的CA614车床一般都经过长时间的运转，主轴、床身、床鞍等都有 一定的磨损量，所以在改造前必须对机床的精度进行恢复。（1）主轴床身等几何精度的恢复。主轴和床身精度的恢复直接影响到加工件 的几何精度和表面粗糙度，所以必须按照卧式车床精度检验标准进行修复。 在溜板导轨面粘接聚四氟乙烯胶带，用以补偿其磨损，使溜板恢复到原来的高 度，其他部件的精度按卧式机床要求进行恢复。（2）X轴、Z轴精度的保持和提高X轴、Ztt的精度包括安装精度和运动精度。 安装精度靠调整滚珠丝杠的上母线和侧母线的安装精度来保证；运动精度由伺 服电机和滚珠丝杠选用精度来保证，使 Xtt、Z轴向的定位精度、重复定位精度 小于0.01mm改造后的数控车床精度如下：X和Z进给轴的定位精度v 0.020mm/300mmX和Z进给轴的重复定位精度v 0.012mm/300mm改造方案的确定CA614普通车床数控化改造工艺流程如图2.1所示。CA6140车床数控化改造工艺流程图2.1原机床数控化改造工艺流程总体方案设计CA614普通车床数控化改造的总体方案电气控制系统框图，如图2.2所示XS5XS2XS4XS3HNC-21XS10,XS11软驱单元RS232PC键盘口 软驱 以太网口远程I/O板XS6XS2CXS40XS41X轴编码器11伺服伺服电机X伺服电机X11伺服zr卜Z轴编码器图2.2 CA6140车床数控改造总体方案示意图本机床的数控化改造分两部分进行：一是维修机械部分，更换、修理磨损的 零件，调整基础零件。恢复和提高机床精度和性能，如：主要提高机床基础件 的几何精度和主轴系统的旋转精度等；二是选配数控系统，改造成CN机床。1. 改造的主要容通过对纵、横向滚珠丝杠分别从强度、效率、刚度和稳定性等方面进行计 算，进而选择纵、横向滚珠丝杠；通过对纵、横向伺服电机分别从转动惯量、 转动力矩、最大静转矩和频率等方面进行计算，进而选择纵、横向伺服电机。 通过设计计算选择了纵、横向伺服电机与滚珠丝杠之间配套的齿形带；设计纵、横向滚珠丝杠机械结构，此结构既要满足数控机床高的自动化要求，同时也要 保留手动机构，方便手动对刀，所用到的连接法兰及联轴器均可以自行设计制 造，也可以从市场上直接购买配套的附件。2. 横向进给系统的改造(1) 拆除横向丝杠、溜板箱，保留进给箱作为滚珠丝杠左支撑点，将伺服 电机装在丝杠支架右侧，把滚珠丝杠的右侧输出轴与同步齿形带连接，同步齿 形带再与伺服电机输出轴连接，获得进给方向运动。(2) 滚珠丝杠选择华中FFZD200型，精度等级为4级。(3) 伺服电机选用登奇电机，型号为 CK6061-6AC313. 纵向进给系统的改造(1) 拆除原丝杠，更换为滚珠丝杠，将纵向伺服电机通过联轴器直接与滚 珠丝杠连接。(2) 滚珠丝杠选用华中FFZD400型产品。(3) 伺服电机选用登奇电机，型号为：CK6061-6AC32纵、横向进给系统结构如图2.3所示。3 A图2.3纵横向结构示意图1-进给伺服电机(登奇 CK6061-6AC31 (或2)2-同步齿形带3-支承装置4-滚珠丝杠(FFZD2004和FFZD400 5-拖板2卜4. 主传动系统改造设计主轴变速改造一般采用交流异步电动机变频调速系统，由CN(控制变频器，变频器驱动交流异步电动机，实现自动无级变速。在自动化程度要求不高的情 况下，机床主轴变速部分可不做改动，仍采用原手动变速机构，这样可大大降 低改造成本。为了降低改装费用，保持原机床精度，主传动系统基本不变，保留原机床 的主轴手动变速，改造后使主运动和进给运动分离， 数控系统只控制主轴的起、 停和正、反转及冷却液开、关。主传动系统仍采用原电机驱动，只是安装一个 光电脉冲编码器，通过主轴一编码器一数控系统一伺服电机的信息转换系统来 实现工件转一转，刀具进给一个导程的运动关系，以便完成车削螺纹运动。根 据纵、横向滚珠丝杠导程及主轴最高转速，选择光仪增量式脉冲光电编码器LSC100BM G05P在主轴末端增装一光电编码器，其转速与主轴转速一致，主轴转一周，光 电码盘转一转，通过反馈给系统控制进给轴与主轴的同步性，从而加工出理想 螺距的螺纹。根据其编码方式的不同，光电码盘可分为增量式光电码盘和绝对 式光电码盘，目前国常用的为增量式光电码盘。根据光电码盘上刻线条数可分 为1024线、2048线等，我们常用的为1024线即可满足要求。根据机床主轴箱具 体传动结构，编码器采用异轴联接方法，利用春仪BL-2- C 5X0 10联轴器与主 轴相连，这样既能使编码器主轴与车床主轴按1: 1的速比联接传动，又不破坏 原车床结构，主轴孔仍能使用。主轴脉冲编码器安装时注意事项：小心轻放， 不能有较大的冲击和振动，以防损坏玻璃光栅盘，造成报废；车床主轴的转速 必须小于主轴脉冲发生器的最高允许转速，以免损坏脉冲编码器。车床主轴带动工件以不同转速旋转是车削加工中的主运动，消耗机床大部 分动力。普通车床由主电动机经皮带传动，经主轴变速箱带动主轴旋转，主轴 箱经手动或自动变速获得（924）级转速，通过电磁或液压离合器操纵主轴的 变速和正反转；而数控车床主轴箱由电主轴或传统机械主轴单元加变频电机和 变频器组成。普通车床在数控化改造时大部分情况下保留原主轴箱，不做改动 或少做改动。数控化改造机床主传动的作用是把电机的转速和转矩通过一定途径传给主 轴，使工件以不同的速度运动，主传动性能的好坏，直接影响零件的加工质量 和生产效率。5. 刀架部分的改造刀架改造是数控改造的重要容，即将原普通车床的手动转位刀架替换成自动 转位刀架。卧式车床自动转位刀架最常见的型式是螺旋型四转位刀架，拆除小 拖板后将刀架调整好高度安装在中拖板上，由数控系统直接控制，实现刀架自 动回转。该刀架体积小，重复定位精度高，工艺性能可靠。电动刀架可分为卧式转塔刀架（一般安装 812把刀）和立式电动刀架，立 式电动刀架有四工位（或六工位），其中每一种刀架又有抬刀刀架（两端齿盘） 和免抬刀刀架（三端齿盘）之分。卧式转塔刀架价格相对较贵，改造中常用立 式四工位电动刀架。根据需要，拆除原方刀架，安装四工位刀架。该刀架由三相交流异步电机 正转驱动，使刀架正转选刀，到预定刀位时，电机则反转，使刀架夹紧。换刀 方式有手控和机控两种。机控时，当零件在加工过程中需要换刀时，数控系统 发出预先编制好的换刀控制指令，控制器接到换刀指令时，立即驱动刀架回转。 手控时，按动面板上的按钮，刀架能转一个刀位 （90 ），也可连续按动按钮， 直至任一刀位。拆除原手动刀架和小拖板，安装由数控系统控制的四工位电动刀架，效率 高，工艺性能可靠。根据改造车床的型号及主轴中心高度，选用环球刀架AK21190 X 4四工位电动刀架，利用系统置固定式 PLC空制刀架的运动。用垫板来调整其 中心高。该刀架可实现多刀夹持、自动转位，并具有重复定位精度高、刚性好、 使用寿命长等特点。电动刀架安装时注意事项：电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方 向平行；电动刀架与系统的连线在安装时应合理，以免加工时切屑、冷却液及 其它杂物磕碰电动刀架连线，故电动刀架与系统的连线可沿横向工作台右侧面 先走线到车床后面，再沿车床导轨下方拉出一铁链滑线，走线到系统。101 上刀体2 活动销3 反靠盘4 定轴5 蜗轮6 下刀体7 螺杆8 离合 器盘9 霍尔元件10磁钢图2.4 四方刀架结构图6. 丝杠及导轨的自动润滑装置选用贝奇尔公司的TM5C型电动润滑泵，该装置采用微型同步电机和机械 减速机构驱动，结构紧凑，其注油量可在 0.55ml围调节，注油周期可在6 145r/min选择，能够保证机床具有好的润滑状态。普通机床的进给丝杠大都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。为了更好地消除丝杠与螺母之间的转动间隙，保证机床的加工精度，需要将原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠丝杠螺母副。(1) 滚珠丝杠副数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、无爬行，采用 滚珠丝杠副可以满足上述要求。在结构中，用普通滚珠丝杠副实现将旋转运动 变换为直线运动。滚珠丝杠螺母副安装时需预紧，通过预紧可消除滚珠丝杠螺 母副的轴向间隙，提高传动刚度。常见的预紧的方法如图 2.5所示，我们采用的 是双螺母齿差调隙式结构。通过改变两个螺母的轴向相对位置，使每个螺母中 滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现的。一般需要几次调整才能保证机床 在最大轴向载荷下，既消除间隙，又能灵活运转。E（）双螺母垫片式预紧3-E（命）双螺母螺纹式预紧隔）双螺母齿差可调预紧=_帕押|1图2.5 常见的预紧方法结构滚珠丝杠副有以下一些特点：摩擦损失小， 传动效率高，可达0.900.96 ; 若使用丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几 乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬 行现象；磨损小、寿命长、精度保持性好。但应注意，由于滚珠丝杠副不能自 锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运 动，因此丝杠立式和倾斜使用时，应增加制动装置或平衡装置。滚珠丝杠副根据其滚珠的回转方式可以分为外循环和循环两种，根据螺母 的结构形式又可以分为双螺母和单螺母。在进行改造时应根据具体情况和结构 形式来定，由于外循环式丝杠副螺母回珠器在螺母外边，所以很容易损坏而出 现卡死现象，而循环式的回珠器在螺母副部，不存在卡死和脱落现象。由于双 螺母不仅装配、预紧调整等比单螺母方便，而且其传动刚性比单螺母也好，所 以只要结构和机床空间满足要求，在普通机床数控化改造中多选循环式双螺母 结构。改造时各轴滚珠丝杠的直径一般都是与原 T型丝杠直径相近。对有特殊要 求的机床，还应根据杆系的稳定性计算其临界转速，最终确定滚珠丝杠的直径。 丝杠导程在满足机床改造后性能的前提下，越小对机床的传动精度越有利。机床的传动精度在保证机床刚性的情况下，与丝杠副本身的精度和轴承布置 形式有很大的关系。一般在普通机床改造中丝杠副选 P4级即可满足要求，特殊精密机床选 P3 级甚至更高。丝杠副轴承常见的布置形式根据不同的需要可以分为以下几种， 如图2.6所示。厂rm r/.汙書零h # * * * # * C )图2.6 丝杠副轴承的布置形式1）如图2.6 （a）所示为一端固定，一端悬空的布置方式。这种安装方式的 承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控机床的调整环节或升降台 式数控铣床的垂直坐标中。2）如图2.6 （b）所示为一端固定，一端支承的布置方式。这种安装方式多 在丝杠较长，转速较高的场合。在受力较大时，还得增加角接触球轴承的数量， 转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。3）如图2.6 （c）和2.6 （d）所示为两端固定的布置方式。这种布置方式丝 杠副的支承刚性最好，通过轴承的预紧力预拉伸丝杠，以减少丝杠热变形的影响。这种方式多用在丝杠长度不大的情况，但设计时要注意提高平面球轴承的 承载能力、支承刚度以及丝杠装配时的预拉伸量，否则会影响轴承寿命，同时 也会因为预加负载不易控制而增加电机的附加扭矩。我们采用如图2.6（b）所示的形式。（2）机床导轨改造设计机械系统改造是机床数控化改造的关键技术。机械系统改造主要涉及提高移 动部件灵活性，减小和消除传动间隙，特别是减小反向间隙。通常改装的部件 有导轨副、滑动副、主轴变速机构、进给驱动机构、传动元件、联轴器及回转 刀架等。普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，在使用一段 时间后都会有不同程度的磨损，对机床传动精度和其保持性带来很大的影响。 因此在对其进行数控化改造的同时，必须针对机床导轨状况进行必要的检修处 理，对于磨损较严重的更要进行大修，即进行磨削、淬火、贴塑、配刮等处理， 同时采用合理的润滑，充分保证其精度。导轨改造的方案常见的有如下几种：改造方案1: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 的减少电器和机械故障。同时，应充分考虑机床的耐磨性，尤其是机床导轨的 耐磨性。当前，国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 510倍。据此，在改造中利用旧 床身，采用GC15轴承钢淬硬到HRC6HRC6制成导轨，用螺钉和粘结剂固定在 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Ra=0.8，以提高粘接强度。改造方案2:普通机床的导轨多数采用滑动导轨，这种导轨的缺点是静摩擦 系数大，在低速时易出现爬行现象，直接影响运动部件的平稳性和定位精度， 为了克服这一缺点，数控改造时，若把滑动导轨改为滚动导轨或静压导轨，要 求工艺复杂、许多零部件需要加工或更换、改装工作量大、费用多、周期长， 实现起来比较困难，在一般的数控改造中应用较少。常用改装方案采用贴塑导轨，即在原来导轨上粘贴上聚四氟乙烯导轨软带。 这样能有效防止爬行，具有自润滑性，提高导轨寿命，且零部件不需要更换， 加工部位少，改装工作量小、周期短、费用底。由于导轨表面有明显的划痕，摩擦系数变大，容易产生进给运动的失动。 为了恢复机床导轨的精度，增加耐磨性，提高机床的稳定性，提高机床的防爬 行和吸振功能，降低成本，对机床导轨我们选用聚四氟乙烯基软带改造机床导 轨，现有许多资料详细阐述了聚四氟乙烯基软带的粘贴工艺。7. 数控系统的选择在选择数控化改造中，数控装置的型号选择至关重要，因为机床改造后的 可靠性和工作性能都与数控装置有关。本文根据机床数控系统选择的方法步骤 即选档次、选厂家、选型号，最后选用了华中数控有限责任公司生产的世纪星 HNC-21T车床经济型数控系统。该系统是基于微处理器的高性能经济型车床数 控系统，具有普及型数控系统具有的大多数功能，如手轮、图形跟踪和模拟、 主轴模拟量输出、置固定式PLC等。机床改造后整个防护分局部防护、半防护和全防护三种。局部防护只对丝 杠副、电机、走线等采取防护措施。半防护是在局部防护的基础上增加切削的 保护，即增加挡屑装置。全防护即在局部防护的基础上对整个机床加以封闭， 此种防护最难处理，考虑的因素也很多如安装位、防水、美观等。实际操作起 来以前两种最多，也最易操作。我们采取半防护。改造要求1. 产品简介与用途本机床为纵（Z）、横（X）两坐标控制的数控卧式车床。能够对各种轴类和盘类 零件自动完成外圆柱面、圆锥面、圆弧面和成形表面、端面、切槽、倒角等工 序的切削加工，并能实现直螺纹、端面螺纹及锥螺纹等各种车削加工。适合于 多品种，中小批量产品的生产，对复杂形状曲面、高精度零件尤能显示其优越 性。2. 主要结构特点（1）机床采用传统的卧式车床布局。整体设计，密封性好，符合安全标准。 床身、床腿等主要基础件均采用树脂砂铸造，人工时效处理，整机稳定性优越。（2）机床纵、横向运动轴采用伺服电机驱动、精密滚珠丝杠副和高刚性精密复合轴承传动，以及高分辨率位置检测元件（脉冲编码器）构成半闭环CNC控制系统。导轨副采用国际流行的高频淬火（硬轨）加“贴塑”工艺，各运动轴响应快、精度高、寿命长。1）机床配套国著名的HNC-21T（控制系统，功能齐全、操作简便、精度稳定、 工作可靠。2）机床的主轴系统的前后支承采用高精度轴承，具有转速高，刚性强，精 度高，热变形小，运转平稳，噪音低的显著特点。3）机床主传动形式是自动换档变频型（自动两档，档无级调速。自动换档变 频型主轴采用了独特的电控自动换档机构，不需要停车变速，高、低档可自动切 换，程序可连续运转，大大提高了加工效率。4）机床操作系统按照人机工程学原理，操纵箱独立设置，可任意位置移动，方便了操作者就近对刀，是人性化设计的体现。5）机床采用先进的集中自动润滑方式，定时、定量的自动间歇式润滑，工 作稳定可靠，满足清洁生产的环保要求。6）机床的外观防护设计按照国际流行趋势造型新颖独特,防水、防屑，维护方便； 体现了时代特点。7）机床标准配置采用国名牌的立式四工位刀塔。8）机床可根据用户要求配置手动、气动、液压卡盘或手动、气动、液压尾座等。第3章数控系统选型在机床改造中，数控系统的选择，有的提出根据性能价格比选择，但性能价格比不好量化，这对于经验较少的机床改造者往往束手无策。根据改造经验及有关文献提出机床数控系统的选择方法步骤，给机床改造者提供一个正确的思路。3.1数控系统控制方式选择数控系统由数控装置和伺服系统组成，前者决定数控系统的控制功能， 后者决定数控系 统的性能指标。车床数控系统其控制部分所用的微电脑、 驱动部分所用的伺服单元及伺服电 动机的特性参数等都各具特色，从而可形成不同的驱动能力、性能指标、功能、 成本以及可靠性等。通过对国外常用数控系统的综合分析比较， 以及国现有数控 车床的数控系统应用情况分析，从系统的可靠性以及系统的故障检测等方面考 虑，决定选用华中“世纪星” HNC-21T 系统。目前数控系统控制方式主要有三种类型：(1) 步进电机拖动的开环系统，异步电机或直流电机及光栅测量反馈的闭环数控系统和交/直流伺服电机拖动编码器反馈的半闭环数控系统。其中步进电机拖动的开环系统，其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。 该系统位移精度较低，但结 构简单、调试维修方便；质量稳定可靠，成本低，抗干扰性能强，对环境室温要求不高，易改装成功，适用于精度要求一般的中小型机床的改造， 也是目前数控 改造中应用较多的一种方法。(2) 异步电机或直流电机拖动光栅测量反馈的闭环数控系统，控制精度高， 但在结构上比开环进给系统复杂，工作量大，成本也高，调试困难，因此，在改 造中一般不予采用。(3) 交/直流伺服电机拖动编码器反馈的半闭环数控系统，其精度介于两 者之间，结构与调试较闭环系统简单，适用于控制精度要求较高的机床的改造。在本次改造中，我们就采用第三种形式的数控控制方法。具体系统配置框图如下:软驱单元RS232PC键盘口软驱以太网口7远程I/O板HNC-21XS5XS10,XS11XS2XS20XS4XS3XS40 -XS6XS41 -输入开关量（操作按钮、机床检测输入）X轴编码器11伺服X伺服电机XZ轴编码器11伺服Z 津 伺服电机X输出开关量 （伺服、继电器控制）图3.1改造后CA6140车床数控系统配置3.2国外数控系统的比较就数控系统而言，有国产系统和进口系统之分，一般进口系统较国产系统性 能稳定，但价格昂贵，将其用于机床改造，有些得不偿失。国产系统在目前市场 上有各种经济型和标准型数控系统供应，其中，经济型数控系统具有结构简单， 操作方便，技术易于掌握及制造成本低等优点，系统性能相对较差，可靠性不高； 另外，随着生产和技术的不断发展，标准型数控系统制造成本越来越低， 售价也 在不断降低，所以在系统选择上一般可选国产标准型数控系统。在选择数控系统 时，应了解系统的控制轴数，特别是联动轴数。因为这与数控系统的价格有直接 关系。对只需点位控制的机床，就不要求控制轴联动，只有需要进行轮廓控制的 场合，才需选用有联动功能的系统。例如：改装车床时，则需两轴联动；改装要 加工空间曲面的铣床时，贝U需要三轴联动。目前，进口数控系统有日本FANU系统、德国Siemens系统等；国产数控系统主要有华中数控系统、数控系统等。这 些数控系统均具有直线插补、圆弧插补、车公/英制螺纹、刀具补偿、间隙补偿、 刀具自动转位等功能，性能稳定、价格适中；操作面板简单直观，主要有起动键、 暂停键、复位键、单段/连续开关、连续进给键、急停键、键盘、显示屏等。不 但控制弱电，对主轴变速、刀架转位、主轴起停与换向及其他一些辅助性动作也 能通过指令控制。3.3主流数控系统比较及选型确认根据数控系统的性能和价格把数控系统划分为三个档次，即经济型数控系统、标准型数控系统和全功能型数控系统。各种档次数控系统的选择需根据机床所要求的功能、 机床 本身状况以及改造单位的投资状况决定。 选择数控系统不仅重视机床的功能和精度， 同样注重价格状况，应仅仅围绕自己的需要，做到功能、精度不闲置、不浪费，不选择 与自己无关的功能。经济型数控系统亦称简易数控系统，其功能简单、价格便宜，适用于设备技术改造和自动化程度要求不高的场合， 如步进电机驱动的开环数控系统和伺服电机驱动的半闭环系 统等。目前经济型数控系统生产的厂家很多，如：清华通用数控、华兴数控、数控、高 原数控等。标准型数控系统属中档数控系统， 在国产的标准型数控系统中，绝大多数为引进国外技 术在国组装生产的。这类数控系统的技术较成熟，功能齐全、价格适中，如伺服电机驱 动的全闭环控制、恒线速度、全屏幕菜单式编程、彩色CRT模拟或适时动态图形显示、镜像以及用户宏程序等， 多用于全功能数控机床和加工中心。 属于这类系统的有从日本引进的FANUC系统：从德国引进的 SIEMENS统；国自行开发的有 LT8501M HNC21/22-T 和 SG531M等。高档型数控系统主要应用于高档加工中心、柔性制造系统及计算机集成制造系统。这类系统功能齐全、价格较贵，如多轴控制、曲面直接插补、彩色显示、几何图形编程、高级语言编程和很强的通讯/网络功能等。国外的高档型数控系统有FANUC和SIEMENS系统等，国自行开发的有 LT8530、HNC18/16- T和CME988等。考虑到改造后机床的应 用及经费的限制，选择经济型或标准型数控系统。在选择厂家时，需根据数控厂家的生产能力、是否已批量生产、系统是否结构合理、制造是否精良、厂家的信誉、售后服务以及用户所反馈的信息等方面综合考虑。选择厂家实际上就是选择数控系统的可靠性，可靠性是提高产品质量和生产率的保障证。我国生产经济型数控系统的厂家在 1989年就达48家，现在已达几百家，国家有关部门每年组 织专家进行测试评审， 它们都有较强的研制开发、 生产制造能力。对于同一档的经济型 数控系统其功能基本相似，价格差别不大。国外的数控系统硬件为CN（制造商专用，软件为CN（制造商所独有，难于进行二次 开发，存储设备、接口设备多为专用，甚至一些基本功能如刀具轨迹模拟显示、 丝杠螺距补偿也为付费选件，且配件的价格昂贵，维修和培训费用非常高。本机床改造我们选择国家机电一体化较强的企业华中数控的标准型数控系统。在选择型号时主要根据机床的性能、加工围、主要特征及数控系统的结构形式选取。华中数控主要生产的通用车床经济型数控系统为系列产品，我们结合总体方案选择了普及型HNC-21T系统。华中I型数控系统采用通用32位工业控制机 为数控单元，操作系统与通用PC机相同，P(机上的许多应用软件如Borland C语 言、通讯、编辑软件亦可在其上使用，P(机的外部设备如硬盘、软驱、RS23通讯口、网卡均可直接连接使用。且可靠性好，性能价格比高，采用中文用户界面， 提供完善的在线帮助功能，非常便于用户操作和学习。与 SIEMENS FANUC的普 及型数控系统相比，华中I型数控系统在功能上毫不逊色，在维护和软件更新方 面更为方便。经过技术论证，决定采用华中I型(HCNC-21TC)车削数控系统。重 新制作电气控制柜和悬挂操作箱，更换全部电气线路。第4章CA6140数控车床控制电路设计4.2电路设计数控装置与其他装置单元连接的总体框图根据用户使用要求，经过严格的分析计算，确定系统配置如下：1. 按照用户的要求，选用HNC21-TC系统，含显示和操作面板。2. 根据X轴的进给功率要求，通过计算，选择登奇 GK6061-6AC31(4NM) 的伺服电机。3. 根据Z轴的进给功率要求，通过计算，选择 GK6061-6AC31(7.5NM)的 伺服电机。4. X轴和Z轴驱动器，选用HSV-11D03C型驱动器。5. 主轴变频器采用 SJ100-007HFE变频器。6. 主轴编码器采用1024线编码器。7. 米用100VA勺系统电源隔离变压器。8系统电源采用24V/4.5 A电源。9. 主电机仍采用原来旧机床的电机。10. 选用环球刀架AK21190X 4四工位电动刀架。机床中的主轴、冷却、润滑和刀架等均需系统自动控制，为此需设计接口转 换电路和强电控制电路。电器元件可保留使用原机床中的变压器、自动断路器、 接触器等。拆除原电控箱，原位安装改制后的电控箱。改造后的CA6140主电路图根据数控车床的类型CA6140我们选择了华中数控系统 HNC-21TC改造后的数控车床具有X轴和Z轴，根据机床的2个轴选择进给伺服电机2个为：X轴进 给电机为：GK6061-6AC31（6NM），Z 轴进给电机：GK6061-6AC32（ 7.5NIM。根据机床精度的要求选择伺服驱动的类型，X、Z轴电机伺服驱动器均为：HSV-11D030现在一般工业用机床都选择伺服驱动，做成半闭环或闭环控制，我们做成半闭环控制，如图4.1所示。机床控制单几1机 ”| r E -r甦位置比轴一度拄孔T n电谿T电踣丁图4.1半闭环控制系统1.电源部分CA614机床数控改造后电源控制电气原理，如图 4.1所示。LI、L2、L3分别 为原机床输入总电源，QF伪总电源开关。三相交流380Vt源LI、L2、L3通过总 电源开关QF1接通U、V、W并接入数控系统三相电源变压器。 三相电源变压器分三 路输出，一路输出单相交流220V至数控系统，一路输出三相380V至数控系统的进 给驱动单元，另一路输出三相电源至电动刀架。图4.2中QFL QF5为三相空气开关；KM1KM6为三相交流接触器；RCL RC4为三相阻容吸收器（灭弧器）;RCRC10为单相阻容吸收器（灭弧器）；照 明灯的AC24Vt源和HNC-21TC勺AC24Vt源是各自独立的；系统中没有电磁阀 因此只用了一个DC24V 100W勺开关电源，在开关电源进线侧用一个低通滤波器 与伺服控制电源（AC220V隔离开来。总电源进线、变压器输入端等处的磁环和 高压瓷片电容未在图中表示出来。交流接触器KMl和KM2用来控制主轴电机Ml的正反转，断路器QF2作为主 轴电机的过载及短路保护；交流接触器 KM4和KM5用来控制刀架电机M3的正反 转，断路器QF3作为冷却电机的过载及短路保护；交流接触器KM3用来控制冷却 电机M2的启动和停止，断路器QF4作为刀架电机的过载及短路保护。灭弧器RCIRC3用来保护交流接触器主触点，防止当主触点断开时，在动、静触点间 产生强烈电弧，烧坏主触点。断路器QFI用来对整个动力线路进行过载及短路保ElW吐土77EJ712 V705 T5 狷RSTr耳wgt块 影切!1KR1强Lfiia案色;斜电机图4.2改造后CA6140车床电气主线路图CA6140改造后的数控车床主轴采用变频器驱动三相交流异步电机实现主 轴无级调速，去除机床原有的主轴变速箱，可以获得更好的操作性能和切削性能。（1）变频器采用日立公司生产的通用变频器，型号为 SJ100-007HFE功率5.5KW。（2）华中HNC-21TC数控系统的主轴速度模拟量控制电压华中HNC-21T数控系统的主轴速度模拟量控制电压为 AOUT1-10+10V, AOUT2）+10V。其中0+IOV为主轴正转速度控制（执行M3旨令），0-I0V为主 轴反转速度控制（执行M4旨令）。使用主轴变频器或主轴伺服单元时,在连接前一 定要确认主轴单元模拟指令电压接口的类型。若为 -10V+10V ,应使用AOUT13 脚和GND若为0+10V应使用AOUT24脚和GND连接主轴装置时，需要使用 输入/输出开关量控制主轴电机的启停，及接收相关的状态与报警信息。HNC-21TC 通过XS9主轴接口中的模拟量输出可控制主轴转速其中 AOUT的输出围为-10V +10V,用于双极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用使能信号控 制主轴的启停，AOUT的输出围为0+10V,用于单极性速度指令输入的主轴驱动 单元或变频器。这时采用主轴正转和主轴反转信号控制主轴的正反转。通过主轴 接口 XS9可外接主轴编码器用于螺纹切割攻丝等，本数控装置可接入两种输出 类型的编码器差分TTL方波或单极性TTL方波。（3）主轴变频的连接形式如图4.3所示，KM1 KM是原机床的正转和反转接触器，SB伪原机床主轴手 动停止按钮，SB2 SB3分别为主轴正转和主轴反转起动按钮，K1、K2为数控的继 电器输出接点，K 为手动或数控工作切换开关。手动时K 闭合，机床处于原手动工 作状态，此时K1、K2为常开状态，不起控制作用。当在数控系统指令自动控制主 轴的正反转时，开关K断开，使原手动的回路被切断，此时数控输出继电器的接 点K1、K2分别接通主轴的正反转运行。数控输出的 Kl、K2直接跨接在SBI、SB2 和SBI、SB3的两端，分别控制KM1 KM接通与断开，这时主轴电动机的起停及正 反转控制由数控系统自动进行。此时手动操作将起作用。+V图4.3主轴变频的连接图当用无调速装置的交流异步电机作为主轴电机时只需利用数控装置输出开 关量控制中间继电器和接触器即可控制主轴电机的正转反转停止如图4.3所示图中KA3 KM控制电机正KA4 KM4空制电机反转。可配合主轴机械换档实现有级 调速还可外接主轴编码器实现螺纹车削或刚性攻丝。采用交流变频器控制交流变频电机，可在一定围实现主轴的无级变速，这时 需利用数控装置的主轴控制接口 XS肿的模拟量电压输出信号作为变频器的速度 给定，采用开关量输出信号XS2Q XS21 空制主轴启停或正反转,一般连接如图4.4 和4.5所示。采用交流变频主轴时，由于低速特性不很理想，一般需配合机械换 档以兼顾低速特性和调速围主轴换档控制，需要车削螺纹或攻丝时，可外接主轴编码器。HNC-21IXS20|0809IY1.0Y1.1句1I-KA3:KA41 1+24V*图4.4 HNC-21数控装置与普通三相异步主轴电机的连接12HNC-2115Isa-计I sb+ * yLSZ_U sz-9311421015b a jj3D *1叨血16 /, ADUT114GNDGND15)KSA- Xa- SB- H+；3E- .S- i轴! ； SZ+AZ+編码器1 ZzXz- i -5V g -5VJ ： GXP r 0V-速度輙控制播口-lOlOY0-10V主轴变频器IS10, XSLl,ES2DnIS21筍入输出11AOUTl* -10-*10VADUT2j D-+10VV 控制勺状态应債t:左軸正/反转、速I到达、图4.5 HNC-21数控装置与主轴变频器的接线图(4) 变频器故障报警输出变频器的故障报警输出作为系统的报警输入，如果主轴出现过流、短路、 过热等故障时均可及时停止系统的运行，并发出报警信号。改造后的CA6140车床电气控制电路图如图4.6所示为改造后的CA6140车床电气控制电路图。在机床的交流控制线路图中，交流接触器KM1线圈和KM2-对常闭辅助触点 串接，交流接触器KM2线圈和KM1一对常闭辅助触点串接，从而实现主轴电机正 反向接触器间的互锁控制；交流接触器 KM4线圈和KM5 对常闭辅助触点串接， 交流接触器KM5线圈和KM4 对常闭辅助触点串接，从而实现刀架电机正反向接 触器间的互锁控制；交流接触器 KM3线圈用来控制KM3的主触点吸合。继电器 KA2- KA6触点由可编成程控制器或数控装置I /O 口控制，用来控制交流接触器 KM什KM5的线圈得电或断电。图4.6改造后CA6140车床电气控制线路图HNC-2仃C数控装置提供了三类轴控制接口：串行接口、脉冲接口和模拟接 口。可与目前流行的大多数驱动装置连接。脉冲式接口使用脉冲信号传递位置指令， 可控制各种步进电机驱动装置，脉 冲接口伺服驱动装置，其特点是：通用性强，信号传递抗干扰能力强，不会发生 漂移，但构成全闭环需在驱动装置中完成。模拟式接口使用模拟量信号传递速度指令，控制伺服驱动装置，可连接各种交直流伺服驱动装置，其特点是：通用性强，可构成全闭环控制。缺点是容易被 干扰发生漂移不适合于长距离连接。我们使用HSV-11系列交流伺服驱动装置，选用HNC-21T数控装置，通过XS4LXS43#通讯接口连接HSV-11伺服驱动装置，如图4.7所示也卄弋Z3：C, XJi：JtXIESV-11：H?IC-21控制电廊.iC22QV2 ：7 .丄2IV 便龍W15米RYD r1- 220A1110 220B/TODC： IVr：nHSV-11 型何脛驱动装置故用迪就f孔眼电薛母线电机电1HSV-11P电湧模块HSV-11P也诚电机图4.7 HNC-21与HSV-11型伺服驱动器的连接第5章CA6140数控车床的机械部分结构设计数控车床结构是由主轴箱、刀架、进给系统、床身以及液压系统、冷却系统、润滑系统 等部分组成。采用伺服电动机经滚珠丝杠传到滑板和刀架上，实现纵向和横向进给运动。数控车床刀架两个方向的运动分别由一台伺服电动机驱动，伺服电动机用同步齿形带连接丝杠带动刀架运动，采用交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令作无级变速。CA614型车床改造时，拆除原机床的纵向和横向丝杠、光杠、溜板箱、挂轮 箱的挂轮、原手动刀架及手柄等部件，用滚珠丝杠替换原有普通丝杠、用电动刀 架替换原有的普通刀架，主轴传动部分的改造可视具体需要而定。 纵向和横向进 给采用伺服电动机及同步齿形带驱动，螺纹加工的部分采用主轴脉冲编码器同步 检测主轴转速进行螺纹加工控制，机床编程和运动的操作由数控系统面板和机床 面板完成。横向伺服电动机及减速装置同步齿形带安装在机床床鞍的后部，纵向的伺服电动机安装在机床的右端，主轴脉冲编码器安装在挂轮箱。改造后的机床主要用于对中小型轴类、 盘类、螺纹及成形零件的加工，要求 具有自动和手动（对刀、简单零件的加工）加工方式。为满足以上功能，对机床具 体改造如下：（1）机械部分：主传动系统不变，主轴加装光电编码器供加工螺纹用；进给传动系统采用滚珠丝杠螺母副代替原有普通丝杠螺母副（2）主传动系统：实现主轴自动无级变速，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。改造后使其主运动和进给运动分离， 主电机的作用仅为带动主轴旋转。 增加一只电磁离合器，用以接收数控系统的停 机制动信号以控制原制动装置制动停车。（3）进给系统：原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等 全部拆除，纵向进给系统以伺服电机作为驱动元件，由滚珠丝杠传动。滚珠丝杠 仍利用原丝杠位置，其螺母副通过托架安装在床鞍底部，滚珠丝杠两端加装接套、 接杆及支承，与床身尾部伺服电机相联接。伺服电机和滚珠丝杠用套筒联轴器连 接。横向进给系统中保留原手动机构， 在原支承部位安装滚珠丝杠螺母副后， 伺 服电机及同步带安装在横向溜板后方。（4） 刀架部分：根据实际机床的加工切削需要和系统的 T功能控制性能。 拆除原刀架和小拖板，换上环球刀架 AK2119CX 4型四工位自动刀架。该刀架带 小容量交流电动机，控制正转选刀，置的4只霍尔元件检测刀位位置，电动机反 转完成刀具定位。5.1 CA6140车床的X和Z进给轴机械传动机构部分的改造改造后的数控车床的进给系统要求：进给调速围大、定位准确、无间隙误差、 有较高的传动效率。所以,为满足低摩擦要求，选用滚珠丝杠、螺母传动副做传动 和导向元件，伺服电机与丝杠间采用齿形带连接，以缩小传动链，提高系统刚度， 并减少传动链误差。丝杠、电机与联轴器之间采用膜片弹性联轴器连接，采用两 台伺服电机分别驱动纵向（z轴）和横向（x轴）的滚珠丝杠带动刀架完成进给运 动。进给系统是采用交流伺服电机经滚珠丝杠传到滑板和刀架，实现纵向和横向 进给运动，如图5.1所示1、2、3、4、5为轴承6-纵向进给丝杠 7-横向进给丝杠横向进给运动的设计横向滑板通过导轨安装在纵向滑板的上面， 作横向进给运动。在床鞍中部装 有与横向导轨平行的外循环滚珠丝杠，滚珠丝杠支承在两个角接触球轴承和一个 推力球轴承上，精度为P5级，两端采用固定的布置方式，丝杠的导程为6mm由伺服电动机通过一对齿形带轮和同步齿形带带动旋转，带轮与电动机轴用锥环无键连接。横向进给运动传动是由横向交流伺服电机通过同步齿形带，经安全联轴器驱动滚珠丝杠螺母副，使横向滑板实现横向进给运动。伺服电动机与滚珠丝 杠的传动连接，为了消除同步齿形带传动对精度的影响， 将脉冲编码器安装在滚 珠丝杠的端部，以便直接对滚珠丝杠的旋转状态进行检测。 这种结构允许伺服电 动机的轴端朝外安装。床鞍上与纵向导轨配合的表面均采用贴塑导轨，并用了镶条调整间隙。横向运动的机械原点、加工原点和超程限位点由三个可存槽滑动的 挡块来调整，X轴向改造装配图，如图5.2所示。图5.2 X轴向改造装配图1-伺服电机2-同步齿型带 3-轴承 4-滚珠丝杠5-轴承6-四工位自动刀架横向的滚珠丝杠采用两点支承形式，且两端固定。横向进给丝杠采用两个角 接触球轴承作为径向支承，两侧分别安装一对推力轴承承受两个方向的轴向力， 并用螺母调整其间隙。伺服电动机及齿形带安装在床鞍的后部，并通过联轴套与 滚珠丝杠联接在一起。为使滚珠螺母座与滚珠丝杠两端支承同心，利用垫片调整等高，利用螺钉微调水平方向的同轴度，调整好后用销钉锁定。纵向进给滚珠丝杠螺母副的设计床鞍的纵向移动由伺服电动机带动滚珠丝杠来实现。丝杠的前后端支承用成对的P5级角接触球轴承和一个推力球轴承，前后轴承均由螺母锁紧，两端采用 固定的布置方式。这种布置方式丝杠副的支承刚性最好，通过轴承的预紧力预拉 伸丝杠，以减少丝杠热变形的影响。滚珠丝杠螺母副为外循环式，可以消除间隙的双螺母结构。丝杠前端与交流 伺服电动机之间用精密联轴器连接，可以消除电动机轴与丝杠的不同轴度的影 响。伺服电动机轴与膜片弹性联轴器也采用锥环连接。纵向滚珠丝杠的导程为 6mm当伺服电动机转速为1500r/min时，快速进给可达12m/min，最小移动 单位为0.001mm Z轴向改造装配图，如图5.3所示。图5.3 Z轴向改造装配图1-伺服电机2-联轴器 3-滚珠丝杠纵向滚珠丝杠的两端采用角接触球轴承作为径向支承，两侧分别安装一对推力轴 承，承受轴向力。两端轴承支架是采用原有的支承及轴承，仅在原输出轴处通过联轴器联接即可，支撑轴与滚珠丝杠通过联轴套联接起来， 并用销钉固定。滚珠 丝杠的中间支承为滚珠螺母，螺母支架固定在床鞍上。5.2主轴部分的改造主轴系统是数控车床的基本配置，通常工件卡装在主轴上，主轴卡盘带动工件旋转。然后伺服轴带动滑台运动，刀塔固定在滑台上，利用刀塔的车刀进行切削加工。主轴的支承配置形式选择数控车床主轴的支承配置形式主要用三种：1. 前支承采用双列圆柱滚子轴承或 60 角接触双列球轴承组合，后支承采用成对安装的角接触轴承。这种配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，普遍应 用于各类数控机床主轴。2. 前轴承采用高精度双列（或三列）角接触球轴承，后支承采用单列（或双列）角接触球轴承，这种配置适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。3. 前后轴承采用双列和单列圆锥滚子轴承，适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。我们采用第一种形式的主轴的支承如图5.4所示为CA6140改造后数控车床主轴部件，主轴孔是用于通过长的 棒料，也可用于通过气动、液压夹紧装置 （动力夹盘）。主轴前端的短圆锥面及 其端面用于安装卡盘或拨盘。主轴前支承采用双列圆柱滚子轴承，后支承采用两 个角接触球轴承。主轴轴承的润滑采用油脂润滑，迷宫式密封。为了保证润滑可 靠性，常装有压力继电器作为失压报警装置。图5.4改造后CA6140主轴结构图主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器。该装置通过弹性联轴器与主轴同轴安装。利用主轴编码器检测主轴的运动信号，一方面可实现主轴调速的数字反馈，另一方面可用于进给运动的控制， 例如车螺纹时，控制主轴与刀架之间的运动关系。数控车床主轴的转动与进给运动之间没有机械方面的直接联系，为了加工螺纹，要求输给进给伺服电动机的脉冲数与主轴的转数应有相位关系，主轴脉冲发生器起到了主轴传动与进给传动的联系作用。在螺纹加工中必须知道主轴转速，根据主轴转速计算进给速度，为此，在主 轴上安装了主轴编码器用来检测主轴的转速， 按照加工精度要求，编码器的信号 通过端口 X4.72进入PCV空制面板单元，最后将编码器的每转脉冲数填入机床数 据库中，如图5.5所示。亠 4 图5.5编码器装配图1-光仪编码器（LSC-100BM-G05P 2-光仪联轴器（BL-2- C 5X0 10） 3-原机床主轴挂 轮输出CA6140普通车床数控改造后，加工的有效行程X/Z轴分别为390/ 1400mn; 最大速度X/Z轴分别为1