CA6136 普通车床数控化的改造设计
2020-4-14 来源：江苏省无锡交通高等职业技术学校 作者：刘衍益
总体设计方案应重点考虑数控系统选择和驱动元器件选择，考虑如何保证满足零件加工精度要求等。同时，要考虑改装的经济与适用性，尽可能利用原机床部件，遵循小改动、大收益的原则，缩短改造周期，因此确定以下设计方案。
（1）CA6136 经过数控化设计改造，应满足重复定位、线性插补、顺逆圆弧插补、内外轮廓循环和英公制螺纹车削功能等。多年的工作实践证明，GSK980TD 系统是非常可靠的数控系统之一，其性能稳定、功能较完善、价格较经济，选用它比较好地满足了这次改造的要求。
（2）CA6136 数控化设计改装成简易经济型数控机床，在满足零件加工精度的要求下，尽量做到结构简单，降低改造成本。因此，本次设计进给驱动元器件选用单相 3kW步进电机。在步进电机参数选择中，应特别注意脉冲当量的确定，依据改造设计精度要求，Z 轴设定 0.01mm，X 轴设定 0.005mm。
（3）拆除原手动刀架，安装四工位自动回转刀架及刀架控制电路。
（4）纵向及横向进给驱动系统是两套分别独立的传动装置，依次为步进驱动电机、齿轮减速装置、刚性联轴器、丝杠螺母装置，其传动精度必须符合改造设计精度。
（5）为了使进给驱动系统传动平稳性及传动精度符合设计要求，采用传动精度高及运行过程中非常平稳的滚珠丝杠螺母副，且设预紧装置，以消除齿轮间的传动间隙，提高驱动力的传动稳定性。
（6）为防止机械加工中纵向和横向超越极限，在纵向和横向分别安装限位元件。
（7）在数控加工中，加工前必须通过回参考点建立机床坐标系，故在纵向和横向分别安装回参考点检测元件。
（8）CA6136 机床总体格局未做大改造，做到小改动、大收益，以节约改造成本，尽快交付使用。
1 、机械部分改造设计
1.1 进给系统机械结构改造设计
1.1.1 必须改装的重要装置
在进给驱动系统改造设计过程中，必须改装的重要装置分别是挂轮系统、进给调速系统、溜板箱系统等。
挂轮系统：整体拆掉，在进给装置主轴端部安置脉冲编码器，脉冲编码器的作用是控制主轴每转一圈使进给系统进给一个螺距，用于加工公英制螺纹所必须配置的元器件。
溜板箱部分：把横向溜板装置中的丝杠、螺母整体拆掉，换装成横向进给传递系统。选择滚珠丝杠螺母装置、驱动步进电机、齿轮减速装置、刚性联轴器等组成横向进给传递系统。
进给调速部分：整体拆掉，在此处安设纵向驱动步进电机和减速与消震装置。驱动步进电机经两对减速齿轮装置，将纵向进给力传递到滚珠丝杠，后经滚珠丝杠螺母装置联接刀架产生切削动作。
1.1.2 进给系统传动齿轮间隙的消除
为了确保驱动步进电机启动时的稳定性，人们应高度重视步进驱动电机负载惯性矩问题。每当负载惯性矩逐渐增大至某一特定值，驱动步进电机将产生擅动，从而瞬间造成剧烈震动现象。因此，选择驱动步进电机应考虑一定的负载余量，避免过载造成严重损失。在此次设计过程中，选择减速齿轮装置用以消除惯性矩产生瞬间的震动问题。在设计消震方法的同时，减速齿轮装置也应避免两齿轮间的间隙过大，否则将造成数控系统发出指令后，切削动作不同步现象。
在此次改造设计中，选择双片齿轮来消除一组齿轮间的间隙。通常将主从动齿轮中的从动齿轮制造成相同规格型号的两片，将其中某一片用花键固定在齿轮轴上，相互之间安设弹簧，在弹簧力作用下，两齿廓相互紧贴，从而达到完全消除齿侧间隙的目的。
1.2 主轴部分改造设计
CA6136 数控化改装后，根据总体设计方案要求，必须能自动加工公英制螺纹，所以必须将主轴部分进行相应改造设计。在主轴后端安设编码器，使其运行与主轴的运行同步，主轴运行时，编码器将同步工作，编码器将运行信号反馈到控制系统中，使进给驱动系统与主轴同步控制，从而车削出符合设计要求的公英制螺纹。值得注意的是，在安装联接过程中，必须保证主轴与编码器心轴的同轴度控制在 0.02mm 以内，否则会造成编码器信号失真。
2 、电气控制部分改造设计
2.1 主轴控制系统
主轴电气控制系统选择台达变频器（VFD022M43B 三相380V 7.5kW）来驱动三相异步电机，带动主轴进行旋转运行。变频器主电路部分连线应注意的问题是，将三相电源线分别接至 R、S、T 触点，万万不可将三相电源线错接至输出触点 U、V、W，否则会造成变频器的烧毁。接线完成后，应检查各触点连接的牢固性，以免在工作中因接触不良造成发热烧毁主轴控制系统。在控制接线端子“+”“PR”上接制动 10Ω 电阻。为了防止变频器受到电磁波干扰，安装滤波器（FRBSF01），从而使受到无线电干扰降到最小。
2.2 进给伺服控制系统
进给伺服驱动器选择时代 M542，其性能稳定，功能满足设计要求。安装过程中必须注意的事项有：驱动器安装环境必须通风良好，无尘，无干扰信号源，信号线必须做屏蔽处理，否则会造成运行不稳定现象；强电与弱电必须分开，并采取相互隔离措施；横向与纵向驱动器安装横向间距不小于 30cm，否则会造成两驱动器控制信号相互干扰。
2.3 刀架控制系统
刀架选择常州亚星 LD4 刀架，该刀架具有工作可靠度高、刚性好、寿命长、价格低廉等优点。刀架控制接线原理如 1 所示，QF3 为空气开关，KM5 为刀架正转接触器，KM6 为刀架反转接触器，KA1 为急停中间继电器，S1 ～ S4 分别为 1 ～ 4 刀位检测装置，SB11为手动换刀开关，SB12 为自动选刀启动开关，RC9 和 RC10为直流灭弧装置。X3.0 ～ X3.3 分别为 1 ～ 4 号输入刀位信号源，X30.6 为输入手动刀位信号源，30.7 为输入手动换刀信号源，Y0.6 为输出刀架正转信号源，Y0.7 为输出刀架反转信号源。在接线过程中，应注意的事项为，信号线必须与电源线进行屏蔽隔离处理，接线应牢固、无松动现象。
图 1 刀架控制接线原理
3 、结语
本次 CA6136 数控化改造设计，圆满实现了数控机床电气和机械部分的改造。经调研，将废旧机床进行数控化改造具有很好的经济性，目前中国机床数控化改造潜在市场非常大，发展空间广阔，特别是专用机床数控化改造项目。在本次改造设计过程中，笔者亲身经历改造全过程，学到了前所未有的新知识和新技能，同时把所学的知识应用到改造设计中，既巩固专业理论知识，又有效提升解决问题的能力，这有助于今后更好地开展教学和科研工作。
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