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2/3～4/5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CNC系统以最新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控制系统。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0.001～0.01mm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%时，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）2.1CA6140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内置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%可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CA6140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、Z轴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X轴、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＜0.020mm/300mm；X和Z进给轴的重复定位精度＜0.012mm/300mm。2.2.1改造方案的确定CA6140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液压泵液压阀液压缸主轴驱动进给驱动进给驱动控制方式确定伺服系统选择液压系统附件卡盘和尾座主轴部分进给部分主轴部件主轴支撑导轨副进给箱刀架系统机械部分电器系统液压系统机床附件刀具系统图2.1原机床数控化改造工艺流程2.2.3总体方案设计CA6140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。HNC-21软驱单元RS232PC键盘口软驱以太网口XS5XS2XS4XS3XS6XS10,XS11XS20远程I/O板XS40XS41输入开关量（操作按钮、机床检测输入）输出开关量（伺服、继电器控制）11伺服X伺服电机X11伺服ZZ轴编码器X轴编码器伺服电机X图2.2CA6140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CNC机床。1.改造的主要内容通过对纵、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FFZD2004型，精度等级为4级。(3)伺服电机选用登奇电机，型号为CK6061-6AC31。3.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FFZD4006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。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FFZD4006）5-拖板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CNC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—编码器—数控系统—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，选择长春光仪增量式脉冲光电编码器LSC—100BM—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，目前国内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-￠5×￠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l：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（9～24）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内容，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8～12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，选用烟台环球刀架AK21190×4四工位电动刀架，利用系统内置固定式PLC控制刀架的运动。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。1－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1O－磁钢图2.4四方刀架结构图6.丝杠及导