CA6140车床数控化改造解析.docx

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CA6140车床数控化改造解析

摘要

数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的解决了现代机械制造中的结构复杂.精密.批量小.多变零件的加工问题。

且能稳定加工质量，大幅度提高生产效率。

但数控机床价格昂贵，一次性投入对企业来说负担很大。

另一方面，在国内还有大量的普通机床,只需对其进行一些相关的技术性改造就可以形成一定生产能力的经济型数控机床。

不仅能节省很大一部分资金，还能提升其市场竞争力。

具有极大的经济潜力。

对于职业院校的数控实训教学而言，通过闲置的普通车床进行数控化改造，可盘活资产，实现资产优化配置，同时对教师和学生而言也是一次很好的学习、锻炼和提高的机会。

对推动教学改革、专业转型和课程开发都有积极的意义。

我院现有闲置的普通车床为云南机床厂生产的CAY6140-1000，通过对该机床的结构特点进行分析，对机械和电气进行数控化改造，改造后的数控车床主要用于中小型轴类零件、盘类零件及螺纹的加工。

第一章数控机床的结构和工作原理

1.1数控车床工作原理及加工特点

以数字形式进行信息控制的机床称为数字控制机床，简称为数控机床。

数字控制系统是相对于模拟系统而言：

数字控制系统中的信息是数字量，而模拟控制系统中的信息是模拟量。

随着计算机技术的发展，硬件数控系统已被逐渐淘汰，取而代之的是计算机数控（CNC）系统。

图1-1数控车床

1．数控车床的工作原理

数控车床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。

将数控程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如择刀、工件夹紧松开和冷却润滑的启、停等动作，使刀具与工件及其辅助装置严格地按照程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。

2．数控车床的加工特点

（1）高难度零件加工：

“口小肚大”的内成型面零件，有仅在普通车床上难以加工，还难以测量。

（2）高精度零件加工：

高精度零件均可在高精度的特种数控车床上加工完成。

（3）高效率完成加工：

为了提高车削加工的效率，通过增加车床的控制坐标轴，就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件，也便于实现一批工序特别复杂零件车削全过程的自动化。

1.2数控车床的组成

数控车床一般由输入/输出装置、CNC装置、伺服单元、驱动装置、可编程控制器及电器控制装置、辅助装置、机床本体和测量装置组成。

图3-1是数控车床的组成框图。

其中除机床本体之外的部分统称为CNC系统

图1-2数控车床的组成

数控车床各个方面的性能比普通车床优越，如：

结构刚性好，能适应高速和强力车削需要；可靠性好能适应精密加工和长时间连续工作主轴回转精度，直接影响到零件的加工精度；数控车床的导轨结构有传统的滑动导轨（金属型），也有新型的滑动导轨（贴塑导轨）。

贴塑导轨的摩檫系数小，耐磨性、耐腐蚀性及吸振性好，润滑条件优越；机械传动机构比普通车床简单，传动链短；刀架是数控车床普遍采用的一种最简单的自动换刀设备；辅助装置:

可配有对刀仪、位置检测反馈装置、自动编程系统及自动排屑装置等。

1.程序编制及程序载体

数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。

在对零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；以及辅助装置的动作。

这样得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工的数控程序单，编制程序的工作可由人工进行，或者在数控机床以外用自动编程计算机系统来完成，比较先进的数控机床，可以在它的数控装置上直接编程。

编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、录音磁卡、软磁盘等，采用那种存储载体，取决于数控装置达到设计类型。

2.输入装置

它的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。

根据程序存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、录音机或软盘驱动器。

有些数控机床，不用任何程序存储器，而是将数控程序单的内容通过数控装置上的键盘，用手工的方式（MDI方式）输入，或者将数控程序由编程计算机由通信的方式传到数控装置。

3.数控装置及强电控制装置

数控装置是数控机床的核心，它接受输入装置送来的脉冲信号，经过算术装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定的、有序的动作。

这些控制信号中最基本的信号是：

经插补运算决定的各坐标轴（即作进给运动的各执行部件）的进给速度、进给方式和位移方向和位移量指令，送伺服驱动系统驱动执行部件作进给运动。

其他还有主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑的启停。

工件和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等辅助指令信号等。

强电控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统。

其主要作用是接受数控装置输出的主运动变速、刀具选择转换、辅助装置动作多功能指令信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成指令所规定的动作。

此外还有开关信号经它送到控制装置进行处理。

4.伺服驱动系统及位置检测装置

伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。

它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。

每一个作进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。

伺服驱动系统有开环、半闭环和闭环之分。

在半闭环和闭环伺服驱动系统中，还得使用位置检测装置，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。

5.机床的机械部件

数控机床的机械部件包括：

主运动部件，进给执行部件如工作台，拖板及其传动部件和床身立柱等支承部件，此外，还有冷却、润滑转位和夹紧等辅助装置。

数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且传动和变速系统要便于实现自动化控制。

第二章机床改造的总体方案设计

2．1基本思路

总体方案内容包括：

系统运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构的结构及传动方式的确定等。

对于普通车场的经济型数控化改造，在考虑总体改造的方案时，应遵循的基本原则是在满足改造要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。

图2-1基本思路图

2．2总体方案设计

1．主轴系统改造

保留了原来的主轴变速箱，不采用变频器，使用皮带＋主轴＋编码器。

该系统的主轴速度也是有级调速，共12个档位24级，速度可以从40rpm到1200rpm，不过每一档的速度可以根据需要通过设置变频器来实现。

可以用数字量控制电机的正，反转，停止及各档速度。

本系统采用手工机械调速，所有的速度均由G代码中的S命令来控制。

软件可以读取G代码。

2．进给系统的设计

考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。

本车床的X，Z两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了伺服电机＋刚性联轴器＋丝杆的传动方案。

保留原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装伺服电机及丝杆螺母副。

根据计算，伺服电机的扭矩是5Nm。

我们选用伺服电机是FANUC公司的86BYG250C-SAFRBC-0302，步距角选用0.9/1.8，扭矩是7.5Nm。

驱动器的型号是SH20806，输入电压是45V。

3．刀架结构

本次改造仍采用旋转式刀架，拆除原手动刀架和小托板，安装由数控系统控制的四工位电动刀架，根据车床的型号及主轴中心高度，我们将实训车间的闲置的CAK6140数控车床上能正常使用的LD4B-CK6140型电动刀架，该刀架内带120W三相交流异步电动机用于驱动正转换刀。

4．控制部分中硬件的改造

（1）PC机可采用工控PC机，可满足该控制系统的控制要求。

（2）运动控制卡。

我们采用了由ADVANTECH公司生产的PCL运动控制卡。

该卡是一种高速三轴伺服电机运动控制卡，它有16位的数字输入、输出口，可实现三轴联动。

因此，它可以满足车床X，Z轴联动，实现直线，圆弧插补。

（3）光电耦合电路是从学院闲置数控机床中拆得的，它的作用是能够隔离外部干扰信号对运动控制卡的信号冲击，提高系统的稳定性。

（4）机床本体是由C6140改造而来，拆除原来的光杆，溜板箱等，保留原来的三爪卡盘等。

（5）伺服电机及其驱动器是采用FANUC公司的。

驱动器的输入电压式45V，考虑伺服电机的步距角和丝杆的螺距，本系统X轴的脉冲当量是0.00125，Z轴的脉冲当量是0.0025。

完全能够达到0.005mm的加工精度要求。

（6）各种限位开关，减速开关，回零开关均安装在机床本体上，限位开关是起这硬件硬限位的作用，当车床加工工件超出加工范围时，车床自动停止加工。

减速开关的作用是当车床刀架回零并走到车床零点附近时，减速开关被开启并通知车床减速走到零位置。

5．控制系统的软件部分该车床控制系统的软件部分采用VC＋＋6.0编写，该软件的加工界面如图。

其功能主要有读取零件的加工G代码，编辑和编译G代码，仿真加工（包括加工前仿真和与加工同步仿真，回参考点，手工对刀，加工中断，超程软限位等功能。

它可处理进给速度，主轴速度及转速方向，刀具信息，M功能等多种加工信息。

该软件的操作平台是Windows98。

该软件的操作过程是首先读入*.NC或*.TXT的G代码文件；然后进行编译，编译器能给出不符合本软件的语法错误提示；有错误可也立即修改；然后按照毛胚的实际尺寸输入，软件进行加工前仿真。

在确认没有因G代码引起的加工错误的情况下，可以开始机床加工。

加工前得首先对刀，对刀的意义在于建立起工件坐标与车床坐标之间得关系。

加工过程中，软件界面的状态栏还显示出刀具当前的坐标，加工状态，加工时间等信息。

2．3改造要点

将学院实习工厂现有一台旧车床CA6140改造成接近当前数控车床主流产品技术指标的使用数控车床。

改造后能实现车削外圆柱面、圆弧面等回转表面。

纵向进给精度±0.01mm,横向精度±0.005mm，空载快速进给速速V=2m/min,主切削力p=2254N,横向拖板刀架质量W=465.5N,大拖板刀架质量W=1039N。

不要求保留原有手动操作功能。

控制部分要求运动可靠，防尘，抗干扰，维修方便。

改造成本低。

图2-2CA6140普通车床

2.4改造内容

改造后的数控车床应当把主轴传动和进给传动系统分离为两个互不相关的系统，为了便于编程，保证加工精度，要求车床纵向脉冲当量为0.01，横向脉冲当量为0.005，那么车床需要改造的部分有：

挂轮架系统全部拆去；进给齿轮箱箱体内的零件全部拆去；溜板箱部分应拆去箱体，光杆及操纵杆，并增加支撑架，利用原有丝杆。

横向溜板安装伺服电机，并通过传动齿轮将电机轴与横向丝杠连接。

刀架体应安装纵、横微调装置以供铰刀使用。

纵向丝杠挂脚应安装伺服电机，并通过传动齿轮与纵向滚珠丝杆连接，伺服电机与丝杆的连接方式要求连接可靠，传动无间隙，无噪音。

对于电气部分，选用工控机和驱动电路对纵横两个伺服电机进行开环控制，系统中有复位电路，数码显示器接口电路，光电耦合器等。

采用工控机和伺服电机驱动器来驱动电机，将整个控制系统放在控制柜中，由电缆把控制系统和伺服电机联系起来。

第三章机械部分改造

3．1主传动的改造

主传动系统是实现主运动的传动系统，它的转速高，传递功率大，是数控机床的关键部件之一。

因此对它的精度、刚度、噪声、温升、热变形都有严格要求。

1．主传动的机械结构

数控机床的主轴部件一般包括主轴、主轴轴承和传动件等。

对于加工中心，主轴部件还包括刀具自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的切屑消除装置。

图3-1数控机床主轴轴承的配置形式

数控机床主轴轴承主要有以下几种配置形式：

（1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60度角接触双列向心推力球轴承，后支承采用向心推力球轴承，如图3-1（a）所示。

（2）前支承采用高精度双列向心推力球轴承，如图3-1（b）所示。

（3）前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承采用单列圆锥滚子轴承，如图3-1（c）所示。

数控机床主传动系统承受主切削力，它的功率大小与回转速度直接影响到机床的加工效率，其中主轴部件是保证机床加工精度和自动化程度的主要部件，它们对数控机床的性能有着决定性的影响。

我们原计划采用变频驱动，实现无级变速。

后经过反复讨论，认识到改造成本过高，且实用价值不大，决定简化主传动改造程序，仍保留原有主轴箱齿轮传动，分为二十四个档位，满足主轴高刚性和大扭矩要求。

主轴电机从闲置的数控车床上拆转，在改造过程中由于电机的带轮与主轴带轮不一致，所以必须重新加工制作一个新的电机带轮。

同时为改造后的车床能够加工螺纹，在挂轮箱加装主轴脉冲编码器，以实现主轴转速的同步检测。

图3-2主轴改造传动示意图

2．改造步骤

（1）清理、修整主轴箱，查看传动系统是否正常运动。

图3-3CA6140主轴箱

（2）简化改造程序，保留齿轮传动。

在挂轮箱加装主轴脉冲编码器，以实现主轴转速的同步检测。

3．2进给传动的改造

1．进给传动结构

机械传动是进给伺服系统的重要组成部分，它包括减速齿轮、联轴节、滚珠丝杠、丝杠支撑、导轨副传动、数控回转工作台的蜗杆蜗轮等机械环节，它们的刚性、制造精度、摩擦阻尼特性等对执行件能否实现每一脉冲的微量移动有重要影响，另外，进给传动系统的驱动力矩很大，负载变化频繁，故对刚性也有特殊要求。

伺服进给系统的控制方式数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。

现在市面上很多改造的车床的加工精度并不是很高，原因是通常的情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。

因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。

开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中,而我们为了使改造更能体现水平，将采用伺服电机，进行半闭环控制。

根据机床的切削力、进给牵引力选用滚珠丝杠副，经稳定性及刚度验算，纵向进给机构脉冲当量确定为＆=0.0lmm/step；横向进给机构脉冲当量确定为＆=0.005mm/step，均采用一级变速装置。

在纵向进给机构的改造方面,拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，配上滚珠丝杠及其相应的安装装置，在横向进给机构的改造方面,由于原横向进给的丝杠空间有限，伺服电机放置机床左侧。

纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾，并不占据丝杠空间。

采用了滚珠丝杠可提高系统的精度和纵向进给整体刚度。

2．改造步骤

（1）Z轴进给改造

1）维修、清理Z轴进给丝杠。

使其符合数控化改造的技术要求。

图3-4CA6140进给传动图3-5挂轮箱

2）拆挂轮箱挡板。

3）改造挂轮箱（由于挂轮箱与机床床身是焊接件，如将挂轮箱全部拆去，工作量很大，实在不易，故将挂轮箱中的部分齿轮进行了拆除，在不影响伺服电机带动Z轴的传动的前提对其进行了改造。

）

图3-6拆卸挂轮箱图3-7传动花键

4）在Z轴传动轴中加花键轴。

5）将带轮加以设计改造，使之能和花键连接。

图3-8刚性联轴器图3-9带轮与花键配合

6）将带轮装配在花键上，确保其同轴度。

7）将伺服电机装配在固定板上，并将固定板装配在主轴箱的左侧。

将伺服电机的带轮和花键上的带轮用皮带连接好，试运转，确保无误。

图3-10加装伺服电机

（2）X轴进给改造

1）测绘X轴丝杠

图3-11清洗丝杠图3-12测绘丝杠

2）由于伺服电机安装位置为X轴的后方，而原车床丝杠的力矩传动来源于前方，故在改造过程中，凸显丝杠长度不够。

3）设计改造方案（利用UG软件，设计出一套改造方案，重新制作一根轴，与原丝杠配合，延长其长度，并和带轮配合。

）

图3-13设计延长轴

4）加工制作延长轴，达到尺寸要求

图3-14制作延长轴图3-15制作刚性联轴器

5）设计并加工制作刚性联轴器，确延长轴能与丝杠同轴。

6）装配延长轴与联轴器，并将带轮装配至合理位置。

图3-16延长轴与带轮的装配

7）丝杠与延长轴连接装配，并将电机支承座安装上。

图3-17连接丝杠与延长轴图3-18装支承座

8）将压力轴承和带轮安装在延长轴端部，调试好带轮位置。

9）拆数控车床上X轴上伺服电机。

图3-19选择伺服电机图3-20伺服电机与丝杠的装配

10）将伺服电机装至支承座上。

调试好皮带轮位置，确保运转正常。

3．3刀架的改造

1、刀架结构和改造思路

拆除原手动刀架和小托板，安装由数控系统控制的四工位电动刀架，根据车床的型号及主轴中心高度，我们将实训车间的闲置的CAK6140数控车床上能正常使用的LD4B-CK6140型电动刀架，该刀架内带120W三相交流异步电动机用于驱动正转换刀，内置的4个霍尔元件检测刀位位置，电动机反转完成刀具定位锁紧，安装时，先拆除车床上的小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉电机风罩，逆时针方向转动电机，使刀架转动45º左右，装上螺钉，然后固定刀架即可，安装必须注意两点：

①电动刀架的两侧与原车床纵、横进给方向平行。

②电动刀架装的位置不能过高，以免装刀后，刀尖中心高于工件中心。

2、改造步骤

（1）清理、修整普通车床刀架

图3-21CA6140方刀架图3-22拆除方刀架

（2）拆除原有旧刀架。

并在溜板上钻孔，

（3）将四方刀架装至溜板上，注意刀架的两侧与原车床纵、横进给方向平行

且高度不能高于卡盘中心。

图3-23装电动刀架

第四章电气部分改造

4.1电气控制系统改造

将普通车床改造成数控车床后，原普通车床电气控制系统主电路部分可以视具体情况保留，但是控制电路必修更换，采用数控系统进行控制。

具体选用FANUC数控系统进行控制。

1．电气控制系统连接

（1）主轴电气连接

图4-1主轴电气连接图

（2）数控系统连接

图4-2数控系统连接图

（3）伺服系统连接

图4-3伺服系统连接图

（4）主轴电气设计、改造

因改造后无主轴编码器，主轴定向是对主轴位置的简单控制，使主轴和电机之间齿轮比为1:

1，通过修改PMC程序使主轴与进给轴实现联动。

图4-4PMC程序

4.2PMC程序设计与调试

在数控车床电气控制系统中除进给轴有CNC控制外，其它辅助功能包括主轴电机均由PMC进行控制。

1．存储卡格式PMC的转换

通过存储卡备份的PMC梯形图称之为存储卡格式的PMC（Memorycardformatfile）。

由于其为机器语言格式，不能由计算机的Ladder3直接识别和读取并进行修改和编辑，所以必须进行格式转换。

同样，当在计算机上编辑好的PMC程序也不能直接存储到M-CARD上，也必须通过格式转换，然后才能装载到CNC中。

M-CARD格式（.00１）------〉计算机格式（.LAD）

1）运行LADDERⅢ软件，在该软件下新建一个类型与备份的M-CARD格式的PMC程序类型相同的空文件。

图4-5新建文件

2）选择FILE中的IMPORT（即导入M-CARD格式文件），软件会提示导入的源文件格式，选择M-CARD格式即可。

图4-6导入M-CARD格式文件

3）在LADDERⅢ软件中打开要转换的PMC程序，再选择FILE中的EXPORT。

图4-7打开要转换的PMC程序

图4-8选择FILE中的EXPORT

4）改造后的PMC程序

图4-9改造后的PMC程序

第五章系统与参数调试及结论

5.1硬件连接

简要介绍0IC/0IMateTC的系统与各外部设备（输入电源，放大器，I/O等）之间的总体连接，放大器（αi系列电源模块，主轴模块，伺服模块，βis系列放大器，βiSVPM）之间的连接以及和电源，电机等的连接，和RS232C设备的连接。

最后介绍了存储卡的使用方法（数据备份，DNC加工等）。

目前北京FANUC出厂的0iC/0i-Mate-C包括加工中心/铣床用的0IMC/0i-Mate-MC和车床用的0iTC/0i-Mate-TC，各系统一般配置如下：

系统型号

用于机床

放大器

电机

０iC

最多4轴

０iMC

加工中心，铣床

αi系列的放大器

αi,αIs系列

０iTC

车床

αi系列的放大器

αi,αIs系列

0iMateC

最多3轴

０iMateMC

加工中心，铣床

βi系列的放大器

βi,βIs系列

０iMateTC

车床

βi系列的放大器

βi,βIs系列

表5-1

1.硬件安装和连接

（1）在机床不通电的情况下，按照电气设计图纸将CRT/MDI单元，CNC主机箱,伺服放大器，I/O板，机床操作面板，伺服电机安装到正确位置。

（2）基本电缆连接。

图5-1基本电缆连接图

2.伺服、主轴放大器的连接

图5-2伺服、主轴放大器的连接图

3.I/O连接

I/O分为内置I/O板和通过I/OLink连接的I/O卡或单元，包括机床操作面板用的I/O卡、分布式I/O单元、手脉、PMM等。

图5-3I/O连接图

4.电源的连接

图5-4电源的连接图

5.2系统参数设置

1、基本参数设定

（1）上电全清

当系统第一次通电时，最好是先做个全清（上电时，同时按MDI面板上RESET+DEL）。

全清后一般会出现如下报警：

100参数可输入参数写保护打开（设定画面第一项PWE=1）。

506/507硬超程报警梯形图中没有处理硬件限位信号，设定3004#5OTH可消除。

417伺服参数设定不正确,重新进行设定伺服参数，进行伺服参数初始化。

5136FSSB电机号码太小FS设定没有完成或根本没有设定（如果需要系统不带电机调试时，把1023设定为-1，屏蔽伺服电机，可消除5136报警）。

（2）伺服FSSB设定和伺服参数初始化

1）参数1902的位0=0

2）在放大器设定画面，指定各放大器连接的被控轴的轴号（１，２，３等）。

3）按[SETING]软键。

（若显示警告信息，请重新设定）。

4）在轴设定画面上，指定关于轴的信息，如分离型检测器接口单元的连接器号。

5）按[SETING]键（若显示警告信息，重复上述步骤）。

此时，应关闭电源，然后开机，6）如果没有出现5138报警，则设定完成。

7）首先把3111#0SVS设定为1显现伺服设定和伺服调整画面。

翻到伺服参数设定画面，如下图示，设定各项（如果是全闭环，先按半闭环设定）。

图5-5参数设定图

（3）主轴设定

在4133#参数中输入电机代码，把4019#7设定为“1”进行自动初始化。

断电再上电后，系统会自动加载部分电机参数，如果在参数手册上查不到代码，则输入最接近的电机代码，初始化后根据主轴电机参数说明书的参数表对照一下，有不同的部分加以修改，（没有出现的不用更改）。

修改后主轴初始化结束。

设定相关的电机速度（3741，3742，3743等）参数，在MDI画面输入“M03S1”检查电机的运行情况是否正常。

（4）其他参数的设定。