普通CA6140車床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造設(shè)計

張樹杰

摘 要：隨著加工企業(yè)的增多，機床數(shù)量也在增加。但多數(shù)機床的質(zhì)量較差，基本上依靠手動操作，無法很好地適應(yīng)市場的需求。針對這種特殊情況，要想在投資較少的情況下提升產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，就必須將普通機床改造成經(jīng)濟型數(shù)控化車床。這樣可有效提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，進一步提高加工企業(yè)的生產(chǎn)能力，從而增強其競爭力。以普通CA6410車床為例，對數(shù)控技術(shù)在其數(shù)控化改造中的應(yīng)用進行了研究和探索。

關(guān)鍵詞：沖壓工藝；沖壓模具設(shè)計；裝配圖；車床

中圖分類號：TG519.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.015

目前，制造行業(yè)發(fā)展迅猛，制造企業(yè)生存難度越來越大。制造企業(yè)要想生存和發(fā)展，就必須降低價格、提高品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率。只有這樣，才能在激烈的市場競爭中占據(jù)一席之地。多數(shù)加工企業(yè)的生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品生產(chǎn)成本高。只有提高企業(yè)制造設(shè)備的數(shù)控化水平，才能有效解決這個問題。但國內(nèi)的制造企業(yè)往往存在資金不足的問題，加之替換下來的機床多數(shù)處于閑置狀態(tài)，進而造成資源利用不足。因此，普通機床的數(shù)控化改造已成為企業(yè)提高車床數(shù)控化率最有效的方式。

1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

在本設(shè)計中，選擇了步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)。異步電動機和電流電動機的選擇非常重要，光柵尺與數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)接也非常重要。針對交、直流電機，應(yīng)選擇編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。目前，加工企業(yè)可選擇的數(shù)控系統(tǒng)較多，比如西門子公司、北京航天機床數(shù)控系統(tǒng)集團公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)。無論選擇國外的數(shù)控系統(tǒng)，還是選擇國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)，一定要重視車床的精度、功率和具體功能。

2 機械部分的改造

2.1 滾珠絲杠的選擇

經(jīng)過綜合計算和對比后，在本次設(shè)計中選定了外循環(huán)型的滾珠絲桿。綜合計算是指計算最大工作荷載，包括走刀抗力和其他相關(guān)的摩擦力，該計算是設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一?？v向和橫向滾珠絲桿的校驗分為傳動效率計算、絲桿剛度驗算和壓桿穩(wěn)定性驗算三步。此外，選擇時還要參考最大工作負載能力。

2.2 減速器箱體的選擇

參考其他設(shè)計文檔資料后發(fā)現(xiàn)，機床改造的脈沖當量值是固定的，但要得到任意脈沖當量值時，需要在步進電機與滾珠絲桿之間增設(shè)一臺減速裝置，并專門開展對減速箱體的設(shè)計。經(jīng)過對縱向和橫向輸入軸的計算得知，減速器箱體的縱向和橫向可共用一臺減速裝置。應(yīng)注意減速器箱體的尺寸等，下箱和上箱壁度的設(shè)計為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，齒輪的精度要達到一定的標準。此外，減速器的設(shè)計還要滿足高效率、低噪聲的要求。

2.3 軸承的選擇

在上述減速器箱體設(shè)計中，減速器的輸入、輸出端對軸承的選擇有很大的影響，而本次設(shè)計最終選擇了深溝球軸承。

2.4 滾珠絲杠用軸承的選型

對于滾珠絲杠用軸承而言，可選擇的型號眾多，但必須根據(jù)其功能需求選擇。大部分滾動軸承失效是因疲勞點蝕引起的，進而導(dǎo)致軸承壽命大大縮短。因此，要選擇耐用、壽命較長的軸承。由于最高性能的滾珠絲杠用軸承與最低性能的滾珠絲杠用軸承的差別非常大，所以，需要謹慎、細心地選擇軸承。此外，可靠度也是軸承選擇中的重要參考因素。

3 選擇縱向和橫向步進電機

選擇縱向和橫向步進電機時，要完成縱向和橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計和計算、步進電機的型號選擇，從而使需要被改造的系統(tǒng)能與其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致。

3.1 縱向進給系統(tǒng)

對于縱向進給系統(tǒng)的改造，要從性能等綜合因素方面考慮。在經(jīng)濟型數(shù)控機床的改造中，會改造步進電機。步進電機減速后驅(qū)動絲桿，步進電機的擺放位置可根據(jù)具體情況選定，一般放置在絲桿兩端的任意一側(cè)。

3.2 橫向進給系統(tǒng)

橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計和組成較為簡單，由步進電機驅(qū)動滾珠絲杠帶動刀架橫向運動。具體的安裝方式是將步進電機安裝在大托板上。該結(jié)構(gòu)的連接方式較為嚴謹，可保證各個細節(jié)的準確性。

3.3 確定系統(tǒng)的脈沖當量

車床脈沖當量是基本技術(shù)參數(shù)之一，可根據(jù)改造的經(jīng)濟型機床精度要求來確定脈沖當量。

3.4 步距角的選擇

在選擇步進電機的型號時，應(yīng)先確定步距角，不同的步距角決定了不同的脈沖方式。脈沖當量、絲杠導(dǎo)程對步距角、減速比有一定的影響。可根據(jù)步距角初步選定步進電機的型號，并從步進電機技術(shù)參數(shù)表中查到步距角θb，三種不同脈沖分配方式對應(yīng)有兩種步距角。步距角θb、減速比 i與脈沖當量δp、絲杠導(dǎo)程L0有關(guān)。初選電機型號時，應(yīng)合理選擇θb和i，并滿足：

θb≤（δp×i×360）/L0（1-1）. （1）

由式（1）計算得θb≤0.36°.

4 自動回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計

機械螺母升降轉(zhuǎn)位是回轉(zhuǎn)刀架的基本工作原理，具體可分解為刀架的抬起、轉(zhuǎn)位、定位和壓緊等。

4.1 蝸桿和蝸輪的選擇

對于蝸桿和蝸輪的選擇，考慮到傳遞功率較低，且對轉(zhuǎn)速的要求不高，可選擇精度適宜的類型。在材料選定方面，為了降低成本，選用青銅制作關(guān)鍵的齒圈部位，其他部位用鑄鐵材料制造。

4.2 按接觸強度確定主要參數(shù)

需要確定的參數(shù)為作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距、載荷系數(shù)、彈性影響系數(shù)、接觸系數(shù)、許用應(yīng)力和中心距。

4.3 蝸桿、蝸輪軸、中心軸、齒盤的選擇

對于蝸桿等材料的選擇，應(yīng)在確定許用應(yīng)力后綜合考慮轉(zhuǎn)矩因素，然后計算機軸的相關(guān)數(shù)據(jù)，再根據(jù)各個零件的裝拆方案確定軸等的形狀等，最后設(shè)計出蝸桿、蝸輪軸、中心軸、齒盤的形狀。

4.4 刀架體的設(shè)計

對于刀架體的設(shè)計，要綜合考慮內(nèi)、外部零件間的布置問題。此外，還應(yīng)考慮以下問題：滿足強度和剛度要求；結(jié)構(gòu)設(shè)計合理；造型美觀、體積小；刀架體的設(shè)計不僅會影響傳動零件的正常運行，還會影響部件的工作精度。

5 數(shù)控裝置系統(tǒng)的改造

車床的核心裝置是數(shù)控系統(tǒng)。目前，數(shù)控系統(tǒng)的改造日趨精細化，經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)存在通用性差異，存在擴展性差、可靠性差等問題。在多變的工作環(huán)境下，車床的抗干擾能力差，易產(chǎn)生錯誤動作，進而造成生產(chǎn)效率降低。因此，應(yīng)應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)解決上述問題，從而大大提高車床的通用性、穩(wěn)定性。此外，有條件的加工企業(yè)還可以將普通數(shù)控系統(tǒng)改造成更高級的全自動化聯(lián)網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)。

5.1 數(shù)控裝置系統(tǒng)的選型

雖然國外生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)功能強大、便于改造，但價格較為昂貴；在國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)中，北京、廣州等地的生產(chǎn)廠家制造的系統(tǒng)價格較低、易安裝，在性能和功能上基本可滿足基礎(chǔ)加工。一般而言，國內(nèi)的加工企業(yè)大多會選擇國產(chǎn)機床進行數(shù)控化改造。綜合對比國內(nèi)現(xiàn)有的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)機床，本次CA6140數(shù)控化改造系統(tǒng)選定了廣東某生產(chǎn)廠家制造的車床控制系統(tǒng)。

5.2 步進電機的驅(qū)動器的選型

根據(jù)設(shè)計方案，在保留機床機械功能的情況下，完成了縱向和橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計，確定了滾珠絲桿、步進電機的基本參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上選定了第一時間功率驅(qū)動器。其主要作用是放大環(huán)形分配器輸出的微弱電流，從而滿足相關(guān)裝置的正常運轉(zhuǎn)。因此，要想保證普通車床數(shù)控化改造的精度，就需要選擇性能優(yōu)良的電機驅(qū)動器。國內(nèi)市場中常出現(xiàn)的步進電機驅(qū)動器的相關(guān)驅(qū)動電路有多種，有的能通過調(diào)整電流值來調(diào)節(jié)步距角，進而能提高精準度。本次改造采用了三菱公司的IPM模塊，具有可靠性高、穩(wěn)定性強、綜合性價比高的特點，可滿足本次經(jīng)濟型改造的要求。

5.3 脈沖發(fā)生器——光柵編碼器的選型

在本次經(jīng)濟型車床改造方案中，選定了HEDSS公司的光柵編碼器。該公司生產(chǎn)的編碼器模塊世界馳名。本次選定的HKT型光柵編碼器是一種性價比較高的兩通道光電增量編碼器，它可利用光柵盤檢測旋轉(zhuǎn)角度，具有安裝體積小、分辨范圍廣、兼容性強的特點。

5.4 數(shù)控系統(tǒng)功能的改造

在CA6410車床數(shù)控化改造中，選擇了廣東某廠生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有標準協(xié)議，配置了高速度的核心處理器、多層級可編程控制電路板、全觸摸控制，中、英文切換系統(tǒng)，實時動態(tài)跟蹤顯示系統(tǒng)，整個系統(tǒng)操作便捷，適合多人群、多工種使用；主軸采用有級變速，具有直線插補、圓弧插補、固定循環(huán)、復(fù)合循環(huán)、恒線速度車削、刀尖半徑自動補償、進給編變速等功能。通過編程，可完成外圓、端面、切槽、錐度、圓弧和螺紋等加工，具有較高的性價比。

6 結(jié)束語

在人們對自動化要求越來越高的今天，眾多行業(yè)都直接或間接地提高了產(chǎn)品加工的精度和質(zhì)量。因此，更多的制造企業(yè)提高了對機床自動化的要求。手工式操作的機床已很難滿足日益提高的現(xiàn)代化生產(chǎn)要求，因此，必須改造數(shù)控機床。本次普通CA6140車床的數(shù)控化改造是基于原有的機床配件，使其具備數(shù)控機床的基礎(chǔ)功能，比如進給量的自動控制。由于本次改造的方向為經(jīng)濟型車床，因此，在配件和系統(tǒng)的選擇上，必須考慮改造成本，且在本次設(shè)計中并沒有選擇高精度器件。

參考文獻

[1]邱宣懷.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]魏東坡，趙宏霞.CA6140普通車床硬件部分數(shù)控化改造[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2014（10）.

[3]牛文成.CA6140車床的數(shù)控化改造[J].科技資訊，2014，12（7）.

〔編輯：張思楠〕