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1、 1 CA6140 型普通车床数控化改造 李 园，阮 健（浙江工业大学机电学院，杭州 310014）摘要：以 CA6140 型普通车床为例，从机械和电气 2 方面详细阐述了数控化改造的方法。改造后的车床投入使用后，运行稳定，加工精度明显提高，取得了极大的经济效益。关键词：普通车床；数控化改造；SINUMERIK802S base line 中图分类号：TG659 文献标志码：B 文章编号：100320794（2007）1220152203 Numerical Control Transformation of CA6140 Common Lathe LI Yuan，RUAN Jian（Coll
2、ege of Mechanical&Electrical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China）Abstract：Takes CA6140 type common lathe as an example，has explained the NC transformation method from machinery and electric two respects in detail.After transforming，the new lathe runs steadily，the mach
3、ining accuracy is obviously improved，has made the great technological economic benefits.Key words：common lathe；NC transformation；SINUMERIK802S base line 1 总体改造方案 数控化改造设计时，在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件，因此确定总体改造方案如下：（1）拆除原车床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上，纵横向滚珠丝杠两端尽可
4、能利用原固定和支承方式。为便于安装滚珠丝杠副，丝杠采用分体式，用套筒联轴器实现刚性联接；（2）横向驱动电机及齿轮减速器安装在床鞍的后部（相对操作者），纵向驱动电机及齿轮减速装置安装在机床的右端，靠近尾座的位置；（3）要实现自动换刀，需拆除原手动刀架，在小拖板上安装数控转位刀架；（4）为了使改造后的车床能够加工螺纹，需要加装主轴脉冲编码器，以实现对主轴转速的同步检测，编码器安装在挂轮箱内；（5）为使加工过程中不超程，纵横向要安装行程限位开关；（6）为实现回参考点的动作，必须在纵横向安装接近开关；2 （7）纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩，以防脏物、油污和切屑等进入，机床整体也要加装防护罩，以防止
5、加工过程中的切屑飞溅伤人；（8）考虑到改造的成本，尽可能采用可靠性高的经济型数控系统。图 1 总体改造示意图 1.横向滚珠丝杠副 2.横向电机 3.横向减速器 4.尾座 5.纵向减速器 6.纵向电机 7.支架 8.纵向滚珠丝杠副 9.数控转位刀架 10.主轴脉冲编码器 2 数控系统选用 选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、各种性能等选择性价比合适的系统，避免系统功能过剩，同时考虑到原车床的精度和改造成本、周期和难易程度等各方面因素，决定采用步进电机作为驱动元件、开环控制的经济型数控系统。SINUMERIK802S base line 是西门子公司专门为中国数控机床市场开发的
6、经济型CNC 控制系统。其结构紧凑，具有高度集成于一体的数控单元、机床操作面板和输入输出单元，机床调试配置数据少，容易改造成功。最终决定采用西门子经济型数控系统SINUMERIK802S base line。3 机械部分改造（1）纵向（Z轴）进给系统改造 纵向进给传动系统的改造如图 2 所示。纵向步进电机 1 通过一对减速齿轮 2 把动力传递给纵向滚珠丝杠 3，再由滚珠丝杠螺母副拖动工作台 4 做往复移动。原车床的进给箱保留，滚珠丝杠左端仍然采用原固定支承结构，支撑轴 6 通过套筒联轴器 5 与滚珠丝杠相连，这种联轴器用 2 个互相垂直的锥销将支撑轴与丝杠联接起来，结构简单，径向尺寸小，可防止
7、被连接轴的位移和偏斜带来的装配困难和附加应力。如图 3 所示，滚珠丝杠右端仍利用原有的滑动轴承支承座 4，通过一对深沟球轴承 1 实现径向支承，丝杠左端通过一对圆螺母（图中未画出）实现滚珠丝杠的预拉伸和锁紧。因此纵向滚 3 珠丝杠的支承形式为一端固定，一端浮动，三点支承。滚珠丝杠采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，调整方便。步进电机通过消隙齿轮 2 减速，减速器输出轴用套筒联轴器 6 与丝杠 3（见图 2）联接，固定销 3 防止减速器转动。图 2 纵向进给系统图 1.纵向步进电机 2.减速齿轮 3.纵向滚珠丝杠 4.工作台 5.套筒联轴器 6.支撑轴 图 3 纵向步进电机装配图 1.
8、深沟球轴承 2.消隙齿轮 3.固定销 4.滑动轴承支承座 5.圆螺母 6.套筒联轴器 滚珠丝杠 3（见图 2）仍安装在原滑动丝杠的空间位置，其螺母副通过支架 1（见图 4）安装在床鞍的底部，如图 4 所示。支架做成可移动的形式方便装配，丝杠位置调整好后，由螺钉拧紧。4 图 4 纵向滚珠丝杠装配图 1支架 2.丝杠托架 3.纵向滚珠丝杠 4.丝杠防护罩 5.大拖板 6.过渡板 （2）横向（X 轴）进给系统改造 横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图 5 所示。横向步进电机 1 及减速器 2 安装在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置
9、一根支撑短轴 11，通过套筒联轴器 10 与滚珠丝杠7 连接起来。右端仍利用原支承横向进给丝杠的滑动轴承支座作为径向支承，并对原支承处作适当改造，布置一对推力球轴承 12，以承受双向轴向力。左端则将原车床的悬空结构改为支承结构，用一个联轴套 4 和一根连接短轴 6 把滚珠丝杠 7 与减速器输出轴 3 连接起来，并通过一对圆螺母 5 实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧，以提高其轴向刚度。螺母通过螺母座 9 直接固定在中拖板 8 上。图 5 横向进给系统图 1.横向步进电机 2.减速器 3.减速器输出轴 4.联轴套 5.圆螺母 6.连接短轴 7.横向滚珠丝杠 8.中拖板 9.螺母座 10.套筒联轴器 1
10、1.支撑短轴 12.推力球轴承 5 （3）主轴脉冲编码器的安装 为了使改造后的车床能自动加工螺纹，必须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，其目的是用来检测主轴转角的位置，通过主轴脉冲编码器数控系统步进电机的信息转换系统，实现主轴转一转，刀架纵向移动一个导程的车螺纹运动。主轴脉冲编码器的安装，通常采用 2 种方式：同轴安装；异轴安装。同轴安装的结构简单，缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件，限制了零件的加工长度，因此，宜采用异轴安装。主轴通过主轴箱中 58P58 和 33P33 两级齿轮（实现传动比 1：1）把动力传递给挂轮轴 X，主轴编码器 1 通过支架 2 固定，并通过联轴
11、器 3 与闷头 4 相连，闷头 4 通过过盈配合与主轴箱内轴X 连接，如图 6 所示。图 6 主轴编码器装配图 1.ZXB-1 型主轴编码器 2.固定支架 3.MC 型联轴器 4.闷头 5.轴 X 4 电气部分改造 电气控制线路主电路如图 7 所示，QF1QF4 为空气开关，FU 为熔断器，对电路实现短路保护。M1 为 7.5 kW 主电机，选择三菱 FR-A540-7.5K-CH 变频器实现变频调速，交流接触器 KM1 控制变频器的通电和断电。当变频器无故障时，B 端触头闭合，KM1 吸合，变频器通电；当变频器有故障时，B 端触头断开，KM1 线圈失电，其常开触头断开，变频器自动断电，同时
12、A 端触头闭合，报警灯 HL 显示报警。FR1 为热继电器，对主轴电机实现过载保护，RC1 为三相灭弧器，构成三相负载的阻容吸收回路，能够抑制接触器吸合释放时的干扰噪声。L 是为改善功率因素而使用的交流电抗器。R、S、T 为变频器的电源输入端，U、V、W 为输出控制电机端，STF 和 STR 分别接主轴正反转控制继电器触头 KA1 和 KA2，2 和 5 分别接主轴模拟量输出信号（0 +10V）AO4 和 AGND4，以控制变频器的输出电压频率。执行过程为：当 PLC 发出主轴正反转信号时，KA1 或 KA2 的常开触头闭合，KM1 线圈得电，KM1 的常开触头闭合，变频器开始工作，当 PLC
13、 发出主轴制动信号时，KA6 的常闭触头断开，KM1 线圈失电，KM1 的常开触头断开，变频器停止工作，主电机停转。M2 是刀架电机，KM2 吸合时，刀架电机正转，KM3 吸合时，刀架电机反转，刀架电机正反转的控制信号来自数控系统PLC 6 输出口 Q0.4 和 Q0.5。M3 为冷却泵电机，其控制信号来自数控系统 PLC 输出口 Q0.2。图 7 主电路图 交流控制电路如图 8 所示，RC4、RC5 和 RC6 为单相灭弧器，M4 和 M5 为两电柜风扇，线路电压为AC110V。图 8 交流控制电路图 7 参考文献：1 余英良.机床数控改造设计与实例M.北京：机械工业出版社，1998.2 王荣芳.变频器在生产教学两用数控车床研制开发中的应用J .变频器世界，2005（4）：94-97.作者简介：李园（1979-），湖北松滋人，宁波技工学校讲师、工程师，浙江工业大学机电学院工程硕士研究生，主要从事数控、机电和机械等专业教学工作，电子信箱：njjwc .来源：煤矿机械 2007年 12 月第 28 卷第 12 期 收稿日期:2007-07-31