車床-CA6140車床主傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)

車床-CA6140車床主傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計(jì),車床,ca6140,傳動(dòng)系統(tǒng),數(shù)控,改造,設(shè)計(jì) CA 6140 型臥式車床的數(shù)控化改造 常州大學(xué)城機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 模具技術(shù)系 陳秀珍 [摘 要 ]本文主要介紹了 CA 6140 型臥式車床數(shù)控改造的系統(tǒng)配置及主要技術(shù)規(guī)格 , 闡述了車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給 傳動(dòng)系統(tǒng)及輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)控化改造的改造部位和方法。改造后的數(shù)控車床的加工能力、自動(dòng)化水平和加工精度明顯 提高。 [關(guān)鍵詞 ]CA 6140 車床 工作原理 數(shù)控改造 數(shù)控化加工是機(jī)械加工行業(yè)朝高質(zhì)量、高精度、高成品率、 高效率發(fā)展的趨勢(shì)。結(jié)合我國(guó)實(shí)際國(guó)情 , 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床是我國(guó) 從普通車床向數(shù)控車床發(fā)展的及其重要的臺(tái)階。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù) 控系統(tǒng)對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行改造 , 尤其適合我國(guó)機(jī)床擁有量大 , 生產(chǎn) 規(guī)模小的具體國(guó)情。我校為適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和教學(xué) , 對(duì) CA 6140 車床進(jìn)行了數(shù)控化改造。投入使用后 , 加工零件精度高、尺寸一 致性好、自動(dòng)化程度高 , 不僅增添了數(shù)控實(shí)習(xí)設(shè)備 , 改善了教學(xué) 條件 , 而且使用方便 , 改造費(fèi)用低。現(xiàn)將改造思路、方法介紹如 下 , 為普通車床的數(shù)控改造提供參考。 一、數(shù)控改造的系統(tǒng)配置及主要技術(shù)規(guī)格 綜合考慮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試維修方便、工作可靠、成本低、易改 裝成功等因素 , 我們選用 S INUM ER IK 802S 數(shù)控系統(tǒng) , 該系統(tǒng) 標(biāo)準(zhǔn)配置包具備了所有的必要組成單元 : N C, PL C, 操作面板 , 機(jī)床控制面板 , 輸入 輸出單元及系統(tǒng)軟件。操作編程極其簡(jiǎn)便、 性能價(jià)格比高 , 是專門為低端 CN C 機(jī)床市場(chǎng)而開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)型 CN C 控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)主要技術(shù)性能和參數(shù)如下 : 1、系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng) , 伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要 是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出 的進(jìn)給指令脈沖 , 經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后 , 使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng) , 通過(guò)齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。其控制系統(tǒng)框圖如 圖 1 所示。 2、系統(tǒng)軟件具有若干指令。其中加工指令有直線、斜線、螺 紋、錐螺紋和圓弧等 5 條指令 , 可實(shí)現(xiàn)車削外圓、端面、臺(tái)階、割 槽、錐度、倒角、螺紋、順圓弧和逆圓弧等操作?？刂浦噶钣薪Y(jié)束 循環(huán)、暫停、延時(shí)、延時(shí)換刀、編碼換刀、通訊等 , 與加工指令配 合 , 可加工出各種較復(fù)雜的零件。 3、在規(guī)定的存取權(quán)限下可以通過(guò) R S232 接口讀入 讀出相 應(yīng)的文件。在存取權(quán)限允許的情況下可以傳送以下的數(shù)據(jù) : 選件 參數(shù)、機(jī)床數(shù)據(jù)、設(shè)定數(shù)據(jù)、刀具補(bǔ)償、零點(diǎn)偏移等數(shù)據(jù) ; 零件程 序 ; 開(kāi)機(jī)調(diào)試數(shù)據(jù) ; 螺距誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù) ; 標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)等。 4、改造后的機(jī)床要求具有直線和圓弧插補(bǔ)功能 , 縱向脈沖 當(dāng)量為 0. 01, 橫向脈沖當(dāng)量為 0. 005, 改造后機(jī)床能完成一般車 削及加工任意錐面、球面、螺紋等 , 并具有刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位及其他 輔助功能。 5、系統(tǒng)環(huán)境工作條件。溫度 - 10℃～ + 40℃ ; 濕度為 40% ～ 80%。 6、輸入電網(wǎng)電壓。交流 (220± 22)V ; 頻率為 50H z; 電流為 115A。 7、步進(jìn)電機(jī)。 110BF003 型電機(jī)兩臺(tái) , 驅(qū)動(dòng)電壓為 110V ; 相 電流為 215A ; 步距角為 0. 75° 步 ; 靜力矩為 12N · m。 二、主傳動(dòng)的數(shù)控化改造 在數(shù)控機(jī)床中 , 其主軸是最關(guān)鍵的部件 , 對(duì)機(jī)床精度起著至 關(guān)重要的作用。由于數(shù)控機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)中 , 并不需要在整個(gè)變 速范圍內(nèi)均為恒功率。一般要求在中、高速段為恒功率傳動(dòng) , 在 低速段為恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。為了確保數(shù)控機(jī)床主軸低速時(shí)有較大的 轉(zhuǎn)矩和主軸的變速范圍盡可能大 , 將原機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)保留。 考慮到加工過(guò)程中當(dāng)電網(wǎng)電壓和切削力矩發(fā)生變化時(shí) , 電機(jī)的 轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之波動(dòng) , 直接影響加工零件的表面粗糙度。因此為提 高加工精度 , 實(shí)現(xiàn)主軸自動(dòng)無(wú)級(jí)變速 , 在主軸上增加了交流異步 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) , 從而不需進(jìn)行機(jī)械換檔。 改造后的數(shù)控車床為了加工螺紋 , 在主軸后端安裝一個(gè)主 軸脈沖編碼器 , 為避免同軸安裝時(shí)的加工零件不能穿出車床主 軸孔缺點(diǎn) , 此次改造采用異軸安裝。作為主軸位置的信號(hào)反饋元 件 , 異軸安裝時(shí)應(yīng)注意主軸脈沖編碼器的引出軸與車床主軸按 1: 1 無(wú)間隙柔性聯(lián)接傳動(dòng) , 可采用同步齒型帶來(lái)聯(lián)接。使用中車 床主軸轉(zhuǎn)速不允許超過(guò)主軸脈沖發(fā)生器的最高許用轉(zhuǎn)速。 脈沖編碼器聯(lián)接方式如圖 2 所示 : 交流主軸電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶 輪把運(yùn)動(dòng)傳給主軸 , 主軸的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)同步帶輪 1 和同步帶輪 2 以及同步帶帶動(dòng)脈沖編碼器 , 使其與主軸同速運(yùn)轉(zhuǎn) , 脈沖編碼器 用螺釘固定在主軸箱體上。 三、進(jìn)給傳動(dòng)的數(shù)控化改造 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指 —77— 科技信息 高校理科研究 令 , 并經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。其 橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)是帶動(dòng)刀架作橫向 (X 軸 ) 移動(dòng)的裝置 , 它控 制工件的徑向尺寸 ; 縱向進(jìn)給裝置是帶動(dòng)刀架作軸向 (Z 軸 ) 運(yùn) 動(dòng)的裝置 , 它控制工件的軸向尺寸。 1、進(jìn)給傳動(dòng)鏈 在原車床床尾部裝上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及齒輪減速箱帶動(dòng)原縱向 絲杠使溜板箱作 Z 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng) , 而保留機(jī)床的進(jìn)給箱和溜板箱 等原有進(jìn)給系統(tǒng) , 必要時(shí)仍可作為普通機(jī)床使用。進(jìn)行數(shù)控加工 時(shí) , 要合上開(kāi)合螺母 , 脫開(kāi)進(jìn)給箱中的 M 5 離合器。橫向進(jìn)給 (即 X 向 )由裝在床鞍后方 (操作者對(duì)面 ) 的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其減速箱 傳動(dòng) , 數(shù)控加工時(shí)脫落蝸桿等橫向機(jī)動(dòng)進(jìn)給結(jié)構(gòu)要在空檔 (脫 開(kāi) )位置。進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)如圖 3 所示 : 1—縱向絲杠副 ; 2—橫向絲 杠副 ; 3、 6—步進(jìn)電動(dòng)機(jī) ; 4、 5—齒輪減速器 2、滾珠絲杠螺母副的選用 為保證數(shù)控機(jī)床高的加工精度 , 其進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)要求有高 的傳動(dòng)精度、高的靈敏度 (響應(yīng)速度快 )、工作穩(wěn)定、有高的構(gòu)件 剛度及使用壽命、小的摩擦及運(yùn)動(dòng)慣量 , 并能清除傳動(dòng)間隙。采 用滾珠絲杠副可以滿足上述要求 , 選用 W 1L 4006 外循環(huán)螺紋調(diào) 整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副 , 1 列 2. 5 圈 , 其額定動(dòng)負(fù)載為 16400N , 強(qiáng)度足夠用 , 精度等級(jí)選為 5 級(jí)。其幾何參數(shù)如下 : 公 稱直徑 D 0 = 40mm , 導(dǎo)程 L 0 = 6mm , 螺紋升角 C= arctg L oPdo = 2° 44″。 鋼球直徑 DW = 3. 969mm , 螺桿內(nèi)徑 d= 35. 984mm。 支撐滾珠絲杠的軸承為 8107 型推力球軸承 , 幾何參數(shù)為 : d1= 35mm , 滾動(dòng)體直徑 dQ = 6. 35mm , 滾動(dòng)體數(shù)量 ZQ = 18。 3、減速齒輪傳動(dòng)副設(shè)計(jì) 在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)副的目的 : 一是降速 , 將伺服電動(dòng)機(jī)的高速低轉(zhuǎn)矩輸出變?yōu)樨?fù)載要求的低速大轉(zhuǎn)矩 ; 二是使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在系統(tǒng)中占較小的比重 , 以保證精度。為了保證傳動(dòng)精度 , 數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等 級(jí)都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無(wú)間隙傳動(dòng) , 因而改造 時(shí) , 機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求 , 以保證機(jī)床加工精 度。 (1)縱向進(jìn)給系統(tǒng)減速齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)給定的縱向進(jìn) 給脈沖當(dāng)量 0. 001 mm , 滾珠絲杠導(dǎo)程 L 0= 6mm , 及初選的步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)步距角 0. 75°可計(jì)算出傳動(dòng)比 i= 360× 0. 010. 75× 6 = 0. 8 選取齒輪齒數(shù)為 Z1= 32、 Z2= 40, 模數(shù) m = 2。 (2)橫向進(jìn)給減速齒輪系統(tǒng)減速齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 減速齒輪 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因 , 不使大齒輪直徑太大 , 以免影響到橫向溜 板的有效行程。故此處可采用兩級(jí)齒輪降速 : Z1= 24, Z2= 40, Z3 = 20, Z4= 25。 四、輔助機(jī)構(gòu)改造 1. 電動(dòng)卡盤 為了提高經(jīng)濟(jì)性數(shù)控車床的加工效率 , 還可考慮采用電動(dòng) 三爪自定心卡盤裝置 , 與數(shù)控裝置的控制電路相配合 , 能實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)夾緊 , 松開(kāi) , 提高加工過(guò)程的自動(dòng)化程度。 2. 床身 為了使改造后的機(jī)床有較高的開(kāi)動(dòng)率和精度保持性 , 除盡 可能地減少電器和機(jī)械故障的同時(shí) , 應(yīng)充分考慮機(jī)床零件、部件 的耐磨性 , 尤其是機(jī)床導(dǎo)軌的耐磨性。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的 床身等大件多采用普通鑄鐵。而導(dǎo)軌則采用淬硬的合金鋼材料 , 其耐磨性比普通鑄鐵導(dǎo)軌高 5 至 10 倍。據(jù)此 , 在改造中利用舊 床身 , 采用 GCR 15 軸承鋼淬硬到 HRC56- 62 制成導(dǎo)軌 , 用螺釘 和粘劑固定在鑄鐵床身上。粘接前的導(dǎo)軌工作表面采用磨削加 工 , 表面粗糙度 R a0. 8mm , 以提高粘接強(qiáng)度。 3. 自動(dòng)換刀裝置 拆除原手動(dòng)刀架和小拖板 , 安裝由微機(jī)控制的四工位電動(dòng) 刀架。根據(jù)車床的型號(hào)及主軸中心高度 , 選用 LD 4— I型 4 工位 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。該刀架體積小 , 重復(fù)定位精度高 , 適用于強(qiáng)力車 削并安全可靠。安裝時(shí) , 去掉車床小拖板 , 置刀架于中拖板上 , 卸 掉電機(jī)風(fēng)罩 , 逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電機(jī) , 或轉(zhuǎn)動(dòng)軸承蓋處之內(nèi)六角螺 孔 , 使刀架轉(zhuǎn)動(dòng)到 45°左右時(shí) , 裝上螺釘 , 然后固定刀架即可。 4. 安全防護(hù) 高效必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采 取相應(yīng)的措施 , 切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件 , 工作時(shí)要 嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在縱向絲杠上也可加 整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動(dòng)導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好 , 絕 對(duì)防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動(dòng)面損傷導(dǎo)軌。 結(jié)束語(yǔ) : 改造后的機(jī)床 , 其數(shù)控加工能力、自動(dòng)化水平和加工精度明 顯提高 , 定位準(zhǔn)確、可靠 , 操作簡(jiǎn)便。投入實(shí)習(xí)工廠運(yùn)行兩年多 來(lái) , 沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)較大故障。它不僅承擔(dān)學(xué)生的數(shù)控實(shí)訓(xùn) , 承擔(dān)生 產(chǎn)任務(wù) , 更重要的是把技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)合理性有機(jī)結(jié)合。 參考文獻(xiàn) \[1 \]梁曉斌 . 機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè) . 機(jī)械工業(yè)出版社 , 1990. \[2 \]畢承恩 . 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床 . 機(jī)械工業(yè)出版社 , 1991. \[ 3 \]高曉康 . 幾何精度設(shè)計(jì)和檢測(cè) . 上海交通大學(xué)出版社 , 2002. \[4 \]張進(jìn)生 , 房曉東 . 機(jī)械工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo) . 機(jī)械工業(yè) 出版社 , 2003. \[ 5 \]中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì) . 數(shù)控技術(shù) . 機(jī)械工業(yè)出版社 , 2004. —87— 科技信息 高校理科研究