葉坤煌

（閩南理工學院，福建 石獅 362700）

金屬切削機床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機器零件的機器，他是制造機器的機器，所以又被稱為“工作母機”或“工具機”。

機床的母機屬性決定了它在國民經(jīng)濟中的地位。機床工業(yè)為各種類型的機械制造廠提供先進的制造技術(shù)與優(yōu)質(zhì)高效的機床設(shè)備，促進機械制造工業(yè)的生產(chǎn)能力和工藝水平的提高。機械制造工業(yè)肩負著為國民經(jīng)濟各部門提供現(xiàn)代化技術(shù)裝備的任務，即為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)、科研和國防等部門提供各種機器、儀器和工具。為適應現(xiàn)代化建設(shè)的需要，必須大力發(fā)展機械制造工業(yè)?？梢?，機械制造工業(yè)是國民經(jīng)濟各部門賴以發(fā)展的基礎(chǔ)，而機床則是機械制造工業(yè)的基礎(chǔ)。一個國家機床工業(yè)的技術(shù)水平在很大程度上標志著這個國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學技術(shù)水平。因此普通車床的數(shù)控化改造對提高設(shè)備的自動化程度及經(jīng)濟效益具有實際意義。

1.CA6140普通車床數(shù)控改造的總體方案

通過對原CA6140普通車床結(jié)構(gòu)特點分析，根據(jù)改造后車床主要用于對中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工要求，設(shè)計出一套較低成本、高性能的數(shù)控化改造方案：

（1）進給系統(tǒng)改造拆除原車床的縱向和橫向絲杠光杠、溜板箱及掛輪箱中的齒輪，用滾珠絲杠替換原有普通滑動絲杠。橫向驅(qū)動電機安裝在床鞍的后部（相對操作者），縱向驅(qū)動電機安裝在機床的左端位置。

（2）主軸系統(tǒng)改造采用變頻電機驅(qū)動，簡化原主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用兩級減速，滿足主軸高剛性和大扭矩要求；為了使改造后的車床能夠加工螺紋，需要在掛輪箱內(nèi)加裝主軸脈沖編碼器，以實現(xiàn)對主軸轉(zhuǎn)速的同步檢測。

（3）刀架的改造拆除原手動刀架，在小拖板上安裝數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架，選用常州生產(chǎn)的 LDB4 型電動刀架。

（4）數(shù)控系統(tǒng)選型設(shè)計根據(jù)改造功能要求和精度要求，選擇半閉環(huán)控制方式，采用GSK980TDB數(shù)控系統(tǒng)；采用廣州數(shù)控公司的980系列伺服放大器和980系列伺服電機。

2.縱向進給系統(tǒng)滾珠絲杠和電機計算與選型

工作臺重量 600N，行程 650 mm，滑動導軌動摩擦系數(shù)μ=0.1，靜摩擦系數(shù)μ=0.2，Z軸快速進給速度 vmax=12 m/min，工作壽命 20000h。

（1）初選滾珠絲杠的導程

（2）確定當量轉(zhuǎn)速和當量載荷

①確定當量轉(zhuǎn)速

滾珠絲杠副在 n1、n2、n3，…，nn各種轉(zhuǎn)速下，各轉(zhuǎn)速工作時間占總時間 的百分比分 別為 t1%、t2%，t3%…，tn%，所受載荷分別是 F1、F2、F3，…，F(xiàn)n。

根據(jù)對數(shù)控車床工作狀況調(diào)查，機床工作在強力切削方式下時間百分比約為10%，進給速度約為0.3m/min，在一般切削方式下時間百分比約為60%，進給速度約為0.4m/min；在精切削方式下時間百分比約為20%，進給速度約為1m/min；在快速進給方式下時間百分比約為10%，進給速度為12m/min。

②確定當量載荷

當負荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時，當量載荷可采用下列公式近似計算：

絲杠的最小工作載荷 Fmin是指機器空載時滾珠絲杠副的傳動力。絲杠的最大工作載荷 Fmax是機器承受最大負荷時滾珠絲杠副的傳動力，包括機床切削時在滾珠絲杠軸向的分力與導軌摩擦力。

車床縱向車外圓時，主切削力FC=1000Pmη/v=3 600 N，

一般 FX=（0.1～0.55）FC，F(xiàn)Y=（0.15～0.65）FC

取 FX=0.4FC=1 440 N，F(xiàn)Y= 0.5FC=1 800 N

則 Fmin=f（FC＋W）＝704N

式中W—移動部件的重量，N；

f—導軌上的摩擦因數(shù)，取f=0.16；

K—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，K＝1.15。

則 Fm=（2Fmax+Fmin）/3=1808N

③確定預期額定動載荷

按滾珠絲杠副的預期工作時間 L 計算額定動載荷

式中 fw—負荷系數(shù)，取fw＝1.2；

fa—精度系數(shù)，滾珠絲杠副精度取為 3 級，

則取 fa＝1。

從滾珠絲杠尺寸系列表（或產(chǎn)品樣本）中找出額定動載荷CA略大于當量動載荷Cm，同時考慮剛度要求，初選滾珠絲杠副的型號及有關(guān)參數(shù)。根據(jù)機床結(jié)構(gòu)和工作要求從初選的幾個型號中挑選比較合適的公稱直徑、導程、負荷滾珠列數(shù)和滾珠圈數(shù)，CDM-3206-3.5-P4外循環(huán)插管式墊片預緊導珠管埋入型滾珠絲杠副的額定動載荷為16500N可滿足要求，精度等級選為4級。

3.數(shù)控系統(tǒng)的連接與調(diào)試

GSK980TDB數(shù)控系統(tǒng)在組成上包括CNC和PMC兩部分，改造后的數(shù)控車床由2個進給軸（X、Z軸）、一個旋轉(zhuǎn)軸（主軸）、刀架控制系統(tǒng)、冷卻控制系統(tǒng)、潤滑控制系統(tǒng)、其他輔助功能控制系統(tǒng)，檢測控制電路等組成。

根據(jù)在本機床上要實現(xiàn)的功能要求，對控制系統(tǒng)進行總體設(shè)計和連接，連接結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 數(shù)控車床控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

機床的調(diào)試除了在機械上調(diào)整，盡量消除系統(tǒng)的間隙、摩擦等控制系統(tǒng)的死區(qū)外，機床參數(shù)設(shè)置的是否恰當，直接關(guān)系到能否把數(shù)控系統(tǒng)和機械部分最佳匹配。對系統(tǒng)的功能參數(shù)檢查確認之后，即可進行伺服初始化，再設(shè)置行程、速度等方面的參數(shù)。為進一步提高機床的穩(wěn)定性以及動態(tài)性能，還需要設(shè)置位置增益、加減速時間常數(shù)等CNC參數(shù)，條件允許的情況下，還可采用SERVO GUIDE 軟件對機床進行動態(tài)精度優(yōu)化。

4.改造車床的PMC程序設(shè)計

PMC程序由第1級程序和第2級程序2部分組成。在第1級程序中僅處理急停和各軸超程信號等快速處理信號。2級程序主要用來實現(xiàn)操作面板上的按扭、指示燈、波段開關(guān)等處理；M、S、T功能的譯碼及功能處理；軸運動處理；報警信號的處理等。下面主要介紹刀具控制PMC程序設(shè)計：當系統(tǒng)沒有發(fā)出要刀信號時，發(fā)訊盤內(nèi)當前刀位的霍爾元件信號處于低電平狀態(tài)。當系統(tǒng)要求刀架轉(zhuǎn)到某一刀位時，系統(tǒng)輸出正轉(zhuǎn)信號，此時繼電器得電吸合，使接觸器得電吸合，刀架正轉(zhuǎn)。當?shù)都苻D(zhuǎn)至所需刀位時，該刀位霍爾元件在磁場作用下，使該刀號產(chǎn)生低電平信號，這時刀架正轉(zhuǎn)信號斷開，系統(tǒng)輸出反轉(zhuǎn)信號，同時另一繼電器得電吸合，使相應接觸器得電吸合，刀架反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)到位后，刀架電機停止，完成一次換刀控制過程。

根據(jù)上述刀架控制要求，設(shè)計PMC 程序流程見圖 2。

圖2 換刀控制PMC程序流程圖

5.結(jié)束語

從改造后機床的使用、運行狀態(tài)來看，機床較大地拓寬了機床加工零件的范圍，并更好地保證了零件加工的一致性和產(chǎn)品質(zhì)量；改造后的機床精度總體達到當前國產(chǎn)同類數(shù)控機床的精度水平；改造的成本也較低，取得了良好的經(jīng)濟效益，達到了預期的改造目標。

[1]廣州數(shù)控設(shè)備有限公司.GSK980TDB車床數(shù)控系統(tǒng)使用手冊[EB/OL].

[2]賀紅霞，趙輝.CA6140車床進給系統(tǒng)數(shù)控改造中滾珠絲杠副的選型和計算[J].煤礦機械，2007，（7）.

[3]陳子銀，屈海軍.數(shù)控機床電氣控制[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[5]中國機械工業(yè)教育協(xié)會組編.數(shù)控技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[6]李城人，張春源.數(shù)控化改造[M].北京：北京清華大學出版社，2006.