普通CA6140车床的经济型数控化改造设计

张树杰

摘 要：随着加工企业的增多，机床数量也在增加。但多数机床的质量较差，基本上依靠手动操作，无法很好地适应市场的需求。针对这种特殊情况，要想在投资较少的情况下提升产品的质量和生产效率，就必须将普通机床改造成经济型数控化车床。这样可有效提升产品质量和生产效率，进一步提高加工企业的生产能力，从而增强其竞争力。以普通CA6410车床为例，对数控技术在其数控化改造中的应用进行了研究和探索。

关键词：冲压工艺；冲压模具设计；装配图；车床

中图分类号：TG519.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.015

目前，制造行业发展迅猛，制造企业生存难度越来越大。制造企业要想生存和发展，就必须降低价格、提高品质、提高生产效率。只有这样，才能在激烈的市场竞争中占据一席之地。多数加工企业的生产周期长、产品生产成本高。只有提高企业制造设备的数控化水平，才能有效解决这个问题。但国内的制造企业往往存在资金不足的问题，加之替换下来的机床多数处于闲置状态，进而造成资源利用不足。因此，普通机床的数控化改造已成为企业提高车床数控化率最有效的方式。

1 数控系统的选择

在本设计中，选择了步进电机拖动的开环系统。异步电动机和电流电动机的选择非常重要，光栅尺与数控系统的联接也非常重要。针对交、直流电机，应选择编码器反馈的半闭环数控系统。目前，加工企业可选择的数控系统较多，比如西门子公司、北京航天机床数控系统集团公司生产的数控系统。无论选择国外的数控系统，还是选择国内的数控系统，一定要重视车床的精度、功率和具体功能。

2 机械部分的改造

2.1 滚珠丝杠的选择

经过综合计算和对比后，在本次设计中选定了外循环型的滚珠丝杆。综合计算是指计算最大工作荷载，包括走刀抗力和其他相关的摩擦力，该计算是设计中的关键环节之一。纵向和横向滚珠丝杆的校验分为传动效率计算、丝杆刚度验算和压杆稳定性验算三步。此外，选择时还要参考最大工作负载能力。

2.2 减速器箱体的选择

参考其他设计文档资料后发现，机床改造的脉冲当量值是固定的，但要得到任意脉冲当量值时，需要在步进电机与滚珠丝杆之间增设一台减速装置，并专门开展对减速箱体的设计。经过对纵向和横向输入轴的计算得知，减速器箱体的纵向和横向可共用一台减速装置。应注意减速器箱体的尺寸等，下箱和上箱壁度的设计为关键环节，齿轮的精度要达到一定的标准。此外，减速器的设计还要满足高效率、低噪声的要求。

2.3 轴承的选择

在上述减速器箱体设计中，减速器的输入、输出端对轴承的选择有很大的影响，而本次设计最终选择了深沟球轴承。

2.4 滚珠丝杠用轴承的选型

对于滚珠丝杠用轴承而言，可选择的型号众多，但必须根据其功能需求选择。大部分滚动轴承失效是因疲劳点蚀引起的，进而导致轴承寿命大大缩短。因此，要选择耐用、寿命较长的轴承。由于最高性能的滚珠丝杠用轴承与最低性能的滚珠丝杠用轴承的差别非常大，所以，需要谨慎、细心地选择轴承。此外，可靠度也是轴承选择中的重要参考因素。

3 选择纵向和横向步进电机

选择纵向和横向步进电机时，要完成纵向和横向进给系统的设计和计算、步进电机的型号选择，从而使需要被改造的系统能与其他系统协调一致。

3.1 纵向进给系统

对于纵向进给系统的改造，要从性能等综合因素方面考虑。在经济型数控机床的改造中，会改造步进电机。步进电机减速后驱动丝杆，步进电机的摆放位置可根据具体情况选定，一般放置在丝杆两端的任意一侧。

3.2 横向进给系统

横向进给系统的设计和组成较为简单，由步进电机驱动滚珠丝杠带动刀架横向运动。具体的安装方式是将步进电机安装在大托板上。该结构的连接方式较为严谨，可保证各个细节的准确性。

3.3 确定系统的脉冲当量

车床脉冲当量是基本技术参数之一，可根据改造的经济型机床精度要求来确定脉冲当量。

3.4 步距角的选择

在选择步进电机的型号时，应先确定步距角，不同的步距角决定了不同的脉冲方式。脉冲当量、丝杠导程对步距角、减速比有一定的影响。可根据步距角初步选定步进电机的型号，并从步进电机技术参数表中查到步距角θb，三种不同脉冲分配方式对应有两种步距角。步距角θb、减速比 i与脉冲当量δp、丝杠导程L0有关。初选电机型号时，应合理选择θb和i，并满足：

θb≤（δp×i×360）/L0（1-1）. （1）

由式（1）计算得θb≤0.36°.

4 自动回转刀架设计

机械螺母升降转位是回转刀架的基本工作原理，具体可分解为刀架的抬起、转位、定位和压紧等。

4.1 蜗杆和蜗轮的选择

对于蜗杆和蜗轮的选择，考虑到传递功率较低，且对转速的要求不高，可选择精度适宜的类型。在材料选定方面，为了降低成本，选用青铜制作关键的齿圈部位，其他部位用铸铁材料制造。

4.2 按接触强度确定主要参数

需要确定的参数为作用在蜗轮上的转距、载荷系数、弹性影响系数、接触系数、许用应力和中心距。

4.3 蜗杆、蜗轮轴、中心轴、齿盘的选择

对于蜗杆等材料的选择，应在确定许用应力后综合考虑转矩因素，然后计算机轴的相关数据，再根据各个零件的装拆方案确定轴等的形状等，最后设计出蜗杆、蜗轮轴、中心轴、齿盘的形状。

4.4 刀架体的设计

对于刀架体的设计，要综合考虑内、外部零件间的布置问题。此外，还应考虑以下问题：满足强度和刚度要求；结构设计合理；造型美观、体积小；刀架体的设计不仅会影响传动零件的正常运行，还会影响部件的工作精度。

5 数控装置系统的改造

车床的核心装置是数控系统。目前，数控系统的改造日趋精细化，经济型数控系统存在通用性差异，存在扩展性差、可靠性差等问题。在多变的工作环境下，车床的抗干扰能力差，易产生错误动作，进而造成生产效率降低。因此，应应用数控系统解决上述问题，从而大大提高车床的通用性、稳定性。此外，有条件的加工企业还可以将普通数控系统改造成更高级的全自动化联网数控系统。

5.1 数控装置系统的选型

虽然国外生产的数控系统功能强大、便于改造，但价格较为昂贵；在国内生产的数控系统中，北京、广州等地的生产厂家制造的系统价格较低、易安装，在性能和功能上基本可满足基础加工。一般而言，国内的加工企业大多会选择国产机床进行数控化改造。综合对比国内现有的经济型数控系统机床，本次CA6140数控化改造系统选定了广东某生产厂家制造的车床控制系统。

5.2 步进电机的驱动器的选型

根据设计方案，在保留机床机械功能的情况下，完成了纵向和横向进给系统的设计，确定了滚珠丝杆、步进电机的基本参数，并在此基础上选定了第一时间功率驱动器。其主要作用是放大环形分配器输出的微弱电流，从而满足相关装置的正常运转。因此，要想保证普通车床数控化改造的精度，就需要选择性能优良的电机驱动器。国内市场中常出现的步进电机驱动器的相关驱动电路有多种，有的能通过调整电流值来调节步距角，进而能提高精准度。本次改造采用了三菱公司的IPM模块，具有可靠性高、稳定性强、综合性价比高的特点，可满足本次经济型改造的要求。

5.3 脉冲发生器——光栅编码器的选型

在本次经济型车床改造方案中，选定了HEDSS公司的光栅编码器。该公司生产的编码器模块世界驰名。本次选定的HKT型光栅编码器是一种性价比较高的两通道光电增量编码器，它可利用光栅盘检测旋转角度，具有安装体积小、分辨范围广、兼容性强的特点。

5.4 数控系统功能的改造

在CA6410车床数控化改造中，选择了广东某厂生产的数控系统。该系统具有标准协议，配置了高速度的核心处理器、多层级可编程控制电路板、全触摸控制，中、英文切换系统，实时动态跟踪显示系统，整个系统操作便捷，适合多人群、多工种使用；主轴采用有级变速，具有直线插补、圆弧插补、固定循环、复合循环、恒线速度车削、刀尖半径自动补偿、进给编变速等功能。通过编程，可完成外圆、端面、切槽、锥度、圆弧和螺纹等加工，具有较高的性价比。

6 结束语

在人们对自动化要求越来越高的今天，众多行业都直接或间接地提高了产品加工的精度和质量。因此，更多的制造企业提高了对机床自动化的要求。手工式操作的机床已很难满足日益提高的现代化生产要求，因此，必须改造数控机床。本次普通CA6140车床的数控化改造是基于原有的机床配件，使其具备数控机床的基础功能，比如进给量的自动控制。由于本次改造的方向为经济型车床，因此，在配件和系统的选择上，必须考虑改造成本，且在本次设计中并没有选择高精度器件。

参考文献

[1]邱宣怀.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]魏东坡，赵宏霞.CA6140普通车床硬件部分数控化改造[J].中国高新技术企业，2014（10）.

[3]牛文成.CA6140车床的数控化改造[J].科技资讯，2014，12（7）.

〔编辑：张思楠〕