两用型数控车床改造技术.pdf

第 3 0卷第 3期 2 0 0 9年 3月 煤矿机械 C o a l M [i n e Ma c h i n e V0 1 ． 3 0 No ． 3 Ma r ．2 0 9 两用型数控车床改造技术 杨代华 ，曾金 山 中国地质大学 机械与电子信息学院， 武汉 4 3 0 0 7 4 摘要 近年 来． 数控机床以其高精度 、 高效率成为了机床业发展的方向。针对普通机床的数 控化改造 ， 以其低投入、 高产出成为机床升级和资源再利用的必由之路 。从改造实践出发 ， 阐述 了 一 种普通车床两用型数控改造的思路和方法。 关键词 普通机床 ；两用型；数控改造技术 中图分类号 T G 5 1 9 ． 1 文献标志码 B文章编号1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 9 0 3 0 1 4 5一 O 2 Te c h n i q u e o f Amp h i b i o u s NC Al t e r a t i o n o n La t h e s YANG Da i h u a。ZENG J i ns h a n M e c h a n i c s a n d E l e c t r o n i c s A c a d e m y o f C h i n a G e o s c i e n c e s U n i v e r s i t y - Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e s e y e a r s 。t h e NC ma c h i n e t o o l s h a v e b e e n t h e d i r e c t i o n o f ma c h i n e t o o l s w i t h t h e h i g h p r e c i s i o n a n d e f fi c i e n c y ．I n a d d i t i o n。a s i t s l e s s i n p u t a n d mo r e o u t p u t ，t he NC alt e r a t i o n t o the c o mmo n ma c h i n e t o o l s h a v e b e c o me t h e b e s t wa y o f i t s u p g r a d e a nd r e u s e ．He r e i n t r o d u c e o n e wa y o f a mp h i b i o u s NC a l t e r a t i o n o n l a t h e s a c c o r d i n g t o o u r alt e r a t i o n p r a c t i c e ． Ke y wor d sc o mmo n ma c h i n e t oo l a mp h i b i o u sNC a l t e r a t i o n t e c h n i q u e 0引言 数控机床由于能够适应产品多样化、 高精度和 快速响应的加工要求， 得到了广泛的应用。改造老 机床与购买新机床相 比，降低 了投资成本 ，提高了 设备的性能和生产效率 ，增强了市场竞争力 ， 给用 户带来可观的经济效益。 针对单个 、 小批量零件的试制加工 ， 普通机床具 有优势； 针对复杂的、 高精度的零件， 如球面， 普通机 床又达不到精度 ， 必须用数控机床来完成。在 中国 地质大学机电研究所的机床数控改造的实践中， 就 存在这样的需求 只将原梯形丝杆改为滚珠丝杆 ， 配 上交流伺服驱动数控系统， 即改造成数控／ 手动型数 控机床。本文将结合改造实践来谈谈两用型数控车 床的改造技术。 1 车床数控改造的内容 1 机械改造 ①观察车床导轨 的磨损程度 ， 确定是否有必要 在改造之前进行大修； ②保 留原车床的走刀箱、 溜板箱、 光杆 、 操纵杆 ， 将横纵向梯形丝杆换成滚珠丝杆 ， 必要时 ， 可将刀架 换成电动刀架 ； ③根据改造要求， 确定滚珠丝杆的型号、 传动路 线等。 2 电气改造 ①根据改造对象， 选择合适的数控系统 ； ②了解原机床的电气控制 系统， 判断是否加 以 保留和利用 ， 例如， 主轴启停和冷却照明电路等 ； ③根据控制精度要求 ， 选择相应的驱动器及 电 机 ④布置行程和安全开关 ， 确定它们之间的连接 和逻辑 。 3 总调试 分为机械和电气部分的独立调试和联合调试 2 个阶段 ， 主要测试车床的综合精度， 编制程序加工指 定的零件。 2 改造实例分析 结合武汉某企业的 C W6 1 6 3 A车床数控改造实 例来谈谈两用型数控车床的改造技术和注意事项 。 2 ． 1 基本 参数 广东机床厂生产的 C W6 1 6 3 A型车床 ， 最 大回 转直径 6 3 0 m m， 最大加工长度 3 0 0 0 m m， 主轴最大 转速 3 3 5 r ／ m i n ， 主轴电机功率 1 1 ． 6 7 5 k W。 2 ． 2改造 方案 根据甲方提出的要求 ， 结合车床的状况， 采用 了 如下方案 1 检查床身导轨的磨损情况， 决定对机床 进行大修 ； 2 检查和记录机床技术精度， 以确定该机 床所能达到的最高精度； 保留光杆、 操纵杆和溜板箱； 3 增加全套交流伺服数控系统 含驱动器、 伺服电 机等 ， 使用中地数控公司的 D S S H一 6型交流伺服系 统 ； 4 将机床 、 z轴原有的梯形丝杆更换为双螺母 内循环整体滚珠丝杠 ， 4级以上精度； 5 增加一套 四 工位电动刀架； 6 增加相应的防护装置。 2 ． 2 ． 1 机械部分 1 溜板箱的改造 车床的溜板箱中有 2套传动路线 光杆传动和 丝杆传动。数控改造 中通常做法就是将溜板箱去 掉 ， 用滚珠丝杆替换梯形丝杆， 用螺母座将丝杆螺母 与中拖板直接联结。本次改造中需要保 留光杆传 动。因此， 只对溜板箱做 了2处改动 ①增加垫板 9 见图 1 ， 联结丝杆螺母和溜板箱 ； ②在手柄 4处安 置一个开关 1 0 。 2 传动的改造 根据机床实际加工要求和分析计算， 横纵两向 分别采用武汉华大新型电机有限责任公 司的 1 3 0 S T 和 1 5 0 S T伺服电机。最后 ， 为了提高传动精度 ， 使用 了 1 8 0 0 x 1 7 1 0和 3 4 0 0 x 3 3 1 0两根有预紧力的滚 珠丝杆 重复定位精度可达 0 ． 0 1 m m ， 以实现横纵 2个方向的传动。 ①纵 向传动 如 图 1 ， 丝杆 7前端通过接杆 2 与走刀箱输出轴相联结， 后端则经过一级减速与 电 机 8相联结。一级减速中较大的一个齿轮做成两片 式弹簧消隙齿轮， 以消除电机正反转产生 的误差。 丝杆螺母 固定在垫板 9上， 垫板则固定在溜板箱 3 的右侧。光杆 l 2及操纵杆 1 1被保留。这样 ， 滚珠 丝杆的旋转运动就可 以转化为大拖板的直线运动 ， 从而实现伺服进给； 光杆的回转运动也通过溜板箱 ．．． 1 45 ． ．． 0 1 ． 兰 堕 型 主 二二 二 - 杨代华， 等 第3 0 卷第3 期 转化为大拖板的直线运动 ， 从而实现手动。 图 1纵 向传动图 1 ， 丝杆／ 光杆传动手柄2 ． 前接杆3 ． 溜板箱4 ． 开合螺母手柄 5 ． 快速进给手柄6 ． 丝杆螺母7 ． 滚珠丝杆8 ． 伺服电机9 ． 垫板 l O ． 限位开关 K 2 1 1 ． 操纵杆l 2 ． 光杆1 3 ． 限位开关 l 3 ②横向传动如图 2 ， 滚珠丝杆 3前端与接杆 l 联结 ， 后端经两级减速箱 4与电机 5联结。减速箱 的中间轴齿轮做成 3片式弹簧消隙齿轮， 以消除 电 机正反转产生的误差。其 中， 接杆 1是原丝杆的保 留部分 ， 既节约成本 ， 又保留了原溜板箱中的横向传 动路线， 实现人工手动。丝杆螺母 与中拖板通过螺 母座 2联结 ， 将回转运动转化为直线运动。 图 2横向传动 图 1 ． 前接杆2 ． 丝杆螺母座3 ． 滚珠丝杆4 ． 减速箱5 ． 伺服电机 3 需要注意的事项 ①普通车床丝杆传动， 横 向丝杆一般采用 2点 支撑 一端固定 ， 另一端悬伸 ； 纵向丝杆一般采用 3 点 支 撑 一 端 固 定 ， 另 一 端 允 许 轴 向 伸 缩。在 C W6 1 6 3 A车床的数控改造中， 2个方向的丝杆均采 用 3点支撑 。采用这种方式 ， 是 由车床数控改造 的 功能要求决定的。滚珠丝杆刚度大、 耐磨损。同时 ， 在改造实践中， 采用丝杆定位电机的装配方法 ， 有效 克服了横向丝杆三点支撑的弊端。 ②在横向伺服传动的改造中， 滚珠丝杆螺母的 外形尺寸可能导致螺母座的外形尺寸过大 ， 从而出 现螺母座与横拖板槽底刮擦的情况。在这里 ， 就需 要综合权衡 ， 修改螺母座的尺寸或者加深原拖板槽。 ③普通车床所具有的螺纹车削功能是通过主轴 编码器与伺服电机转速协调配合完成的。编码器采 用异轴安装 ， 与 主轴 1 1同步。注意 编码器 的许 用极限转速应当高于主轴最大转速。 2 ． 2 ． 2电气改 造 车床数控改造后 ， 添加了伺服电机及驱动器、 自 动刀架和工控机， 原机床中实现主轴启停、 冷却和照 明的系统 ， 需要进行改造扩充。改造中， 要考虑各种 设备的工作环境和抗干扰 问题。因此， 电气柜的布 局原则就是强弱电分离 ， 除尘防潮 ， 散热和通风。 1 主控制电路 如图 3 ， 主控 电路包括主轴 电机 、 水泵 电机 、 快 速电机、 主机 数控 系统 、 I ／ O板 、 伺 服驱动器 等。 其 中主轴 电机 、 水泵电机 、 快速电机接 3 8 0 V电源； 主机 数控 系统 和伺服驱动器通过隔离变压 器接 2 2 0 V电源 ； I ／ O板接 2 4 V电压， 是主机与被控对象 之间信息交换的接 口。主机通过 I ／ O板和中间继 电 器控制各交流电机的启停、 刀架盒 自动换刀 以及伺 服驱动器的工作状态； 同时， 主机也通过 I ／ O板接收 各开关 、 伺服驱动器、 刀架等的状态反馈信号 。 图 3 主 电器连线图 2 安全保护电路 为了防止 2个 系统同时工作引起冲突， 设计了 一 个简单的报警 电路 。 图 4报警 电路原理图 结合图 l和图 4分析报警 电路。在工控机 、 手 柄 l和4处分别设置开关 K 1 、 K 2 1 3 和 1 0 ， 当工控机开机时 ， 三联开关 K 1闭合 ， 报警 电路开始 工作 ； 手柄 1处于光杆传动的状态时 ， 限位开关 K 2 不被触发 断开 ； 手柄 4处于“ 合” 状态时 ， 限位开 关 l 3也不被触发 。即在工控机开机 时。 若手柄 l 处于光杆传动状态、 手柄 l 2处于“ 合” 状态， 报警电 路通过光电隔离点亮绿灯 ， 标示安全 ； 若开关 K 2和 I 3中任意一个在系统开机前就被触发 ， 报警电路点 亮红灯 ， 警示有误操作的风险。 3结语 两用型数控改造后 的 C W6 1 6 3 A车床 ， 机床精 度得到了提高 ， 使用功能得到了扩展 既可以用数控 加工来降低劳动强度 ， 批量化 、 规模化 的生产 ， 又保 留了单件、 手动试制功能 ， 灵活性大大提高 。同时， 引入低廉 、 简单的监控报警 电路 ， 有效地保证 了两用 型车床数控加工和手动加工的并行不悖 。该车床的 数控化改造已全部于 2 0 0 8年 1 0月验收， 实际运行 情况 良好 ， 很好地满足了生产要求。 参考文献 [ 1 ] 吴振彪． 机电综 合设计指 导 [ M] ． 北京 中 国人 民大学 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 2 】 陈继振． C A 6 1 4 0车床数控改造 的安装及 调试[ M] ． 北 京 机械工 人 冷加工 ， 2 0 0 6 ． 作者简介 杨代华 1 9 5 4一 ， 湖北武 汉人 ， 教授 ， 主要从 事机 电 一 体化 ， 数控机床方面的研究 ， 电子信箱 j i u j i n s h a n 0 1 1 1 6 3 ． c o rn． 一 1 4 6 一 收稿 日期 2 0 0 81 1 一 o 7