CA6140车床主传动系统的数控化改造.pdf

2024年第1期凿岩机械气动工具（总第194期）摘要：针对传统的CA6140车床主传动系统存在智能化程度低、机械系统复杂、自动化控制精度不高等问题，进行了智能化改造，设计了智能控制螺旋转位刀架、液压控制自动卡盘和变频调速控制系统。对比改造前和改造后的CA6140车床主传动系统，刀架切换、液压卡盘装卡效率和加工精度明显提高，调速范围从转速101400 r/min提升到无级转速81500 r/min，输出功率特性更加平稳，转速波动较小，车床加工能力明显提高，产品的平均合格率为98.8%，在长时间运行过程中产品质量稳定可靠，横向控制精度达到0.005 mm，主运动实现自动变速控制，提高了生产效率。关键词：CA6140车床；传动系统；数控化；智能化改造中图分类号：TG519.1文献标志码：BNumerical Control Intelligent Transformation of the CA6140Lathe Main Transmission SystemJIAO Guo-hua（Jinneng Holding Group Datong Electromechanical Equipment Litai Machinery Co.,Ltd.,Datong 037036,Shanxi）Abstract:：In view of the traditional CA6140 lathe main transmission system has low degree of intelligence,complex mechanical system,automation control accuracy is not high,the CA6140 lathe main transmission systemintelligent upgrade,design the intelligent control spiral rotating knife holder,hydraulic control automatic caste andfrequency conversion speed control system.By comparing the main transmission system of the CA6140 lathe before andafter the modification,the study found that the efficiency and machining accuracy of knife rack switching and hydrauliccaliper are significantly improved,increase the speed regulation range from 10 1400 r/min to 8 1500 r/min,morestable output power characteristics,less significant rotational speed fluctuation,lathe processing capacity issignificantly improved,the average pass rate of the products was 98.8%,stable and reliable product quality during thelong time operation.The lateral control accuracy reaches 0.005mm,main motion realizes automatic speed control,improved production efficiency.Key words:CA6140 lathe；transmission system；numerical control；intelligent transformationCA6140车床主传动系统的数控化改造焦国华（晋能控股集团 大同机电装备力泰机械有限公司，山西 大同 037036）收稿日期：2023-11-171 前言数控机床已经成为衡量一个国家机械制造水平和能力的重要标志1。目前国内许多企业使用的CA6140车床加工速度慢，控制过程复杂，只适合小批量生产，存在自动化程度不高，产品质40CA6140车床主传动系统的数控化改造量不稳定等明显问题。为此，对传统的CA6140车床实施数控化改造，重点对其主传动系统采用微机控制并实现机电一体化改造，达到提高加工精度和生产效率，降低产品成本的目标2主传动变速箱的数控化改造方案2.1CA6140车床主传动系统结构及原理CA6140车床是目前常用的一种普通精度级万能车床，适用于各种轴类零件、盘盖类零件回转面的加工2。CA6140车床主传动系统由电动机带动，通过换向机构、主变速机构带动主轴运动。CA6140车床主传动系统主要由主轴箱、刀架、卡盘、尾座、丝杠以及床身等部分组成。进给运动从主轴开始，经换向机构和齿轮机构实现变速，通过溜板箱中的传动机构和转换机构传至刀架。转换机构位于溜板箱中，可改变进给方向，最终达到刀架的正向和反向运动。CA6140车床运行中机械损耗比较大，变速范围较大，在实际使用过程中，车床无法实现自动换刀、需要人工操作车床，加工精度受到人为经验影响较多。2.2改造方案CA6140智能化改造包括机械部分和电气控制部分。机械部分的智能化改造包括自动转位刀架控制和自动卡盘设计，传统的手动换刀控制存在效率较低的问题，采用自动转位刀架后可以快速切换刀具，缩短加工单件的总工时，提高生产效率。针对传统车床机械传动开启卡盘，效率较低且费时费力问题，智能化改造要求实现自动控制，为此提出了液压控制的自动卡盘设计，通电机升降机构过液压缸动作实现对工件的自动装卡和释放，从而提高设备的加工效率。电气控制部分改造主要是增大车床调速范围，实现无极调速，采用变频调速控制技术对车床主传动变速箱系统进行改进。改造后要满足：(1)提升数控车床加工精度和刚度，使整个传动系统运行平稳，噪音降低。(2)增大调速范围，实现无级调速。满足数控加工严格控制切割用量的需求,发挥出最大切削性能,实现工序集中和自动控制。3改造方案实施3.1微机控制的自动刀架转位装置设计对车床机械部分的改造是将传统手动控制的换刀模式改为微机控制的自动刀架，具体改造方案是：需要换刀时将信号发送到控制器中，控制器驱动刀架转动将需要的刀具转到切割位置，并由螺母自动锁紧5。图1为自动刀架转位工作原理图。自动转位刀架总共有4个刀位，刀具的夹紧力为0.5kN，自动转位刀架通过电动机驱动，当需要自动转位时电动机启动并将合适的刀具转移到位，上刀体的尺寸为16 2 16 2 mm，下刀体的尺寸为19 2 x192mm。自动转位刀架可以根据刀具所需要的切割位置和状态自动切换，并且能够达到的最小运动单元为0.0 1mm。3.2液压卡盘设计在加工过程中需要频繁开闭卡盘，调整工件的加工位置,每次安装工件都需要考虑对中问题，加速机构上刀体上升转位信号符合粗定位机构上刀体下降精确定位刀架锁紧电机停转换刀答信图1自动刀架转位工作原理图加工顺序执行2024年第1期安装机械汽具41凿岩机械气动工具（总第19 4期）传统车床通过采用机械传动方式开启卡盘，效率比较低，比较费力，为此提出了液压控制的自动卡盘方案。图2 所示为液压卡盘结构示意图。主轴前端是液压卡盘，液压卡盘的夹紧与释放通过回转液压缸控制,其中的回转液压缸1和连接套9 由螺钉连接，整个回转液压缸和主轴同步转动，卡盘的夹紧与释放通过空心拉杆2 驱动。图2 中，液压缸中充液时，滑套会向右方移2动，滑动套的上楔形槽将卡爪座4和卡爪5联系在一起，此时卡盘释放。通过楔形机构，卡盘夹紧工件。卡盘体8 用螺钉7 固定安装在主轴前端。通过液压卡盘实现准确夹取工件，从而保证加工精度。对机械部分改造后实现了车床刀架和卡盘的自动控制，降低了工人劳动强度，提高了自动化程度。3456781.回转液压缸2.拉杆3.连接套4.卡爪座5.卡爪6.滑动套7.固定螺钉8.卡盘体9.连接套10.密封滑动套11.紧固螺钉图2 液压卡盘结构组意图3.3主传动变速箱智能化改造为增大车床调速范围，实现无级调速，采用变频调速控制技术对车床进行控制。图3 所示为主轴箱传动系统变频调速控制系统原理图。QFX轴反馈信号Z轴反馈信号其它顺序信号KMX轴步进电动机Z轴步进电动机数控装置电磁离合器热过载继电器U.V.W变频器正转反转频率指令主轴电动机图3 变频调速控制系统原理图42安花机械汽协琪2024年第1期CA6140车床主传动系统的数控化改造图3 中，整个变频调速控制系统由数控装置、变频器以及继电器等部分组成。分段无级变速的原理是在交流和直流电动机基础上，用对应的齿轮进行变速传动，这种传动可以划定不同的速度段，中高速运行时保持恒功率传动，低速运行时保持恒转矩传动。整个系统中的正、反转通过数控操作指令控制，实现了无级调速，调速过程中始终保证输出转速恒定且波动较小。4改造后与改造前效果对比为了验证改造后的智能车床的优势和效果，按照总体设计方案安装自动转位刀架、液压油缸等。安装编码器，编码器采用同轴安装方式，并且通过传动比为1：1的同步齿形带与主轴联系起来，随后测试主传动系统，得到图4的结果。根据整个传动系统的转矩和输入功率、转速三者之间的关系，得到图5的转速随时间波动曲线。从图4(a)中可以看出,随着时间的推移,车床主传动系统的输出功率波动比较大，并且功率的输出最大值为3.7 5kW,所以在实际加工零件过程中主轴输出的转矩波动较大，这就导致传统车床加工零件的精度较低。从图4(b)中可以看出，智能化改造后整个主传动系统的输出功率波动幅度较小，在启动瞬间响应速度比较快，整个启动过程用时仅为0.2 8 s，启动特性较好，同时输出特性稳定，车床加工精度较高，验证了方案设计的合理性。从图5中可以看出，对于车床主传动系统而4.03.53.0-2.51.51.0-141210MY8。40.5020+50100150200250300350400时间，(a)改造前功率输出特性1050100150200250300350400时间，(b）改造后功率输出特性图4改造前后输出特性对比11600:00优化后速度1400.001200.001000.00800.00600.00原速度曲线400.00200.000:000.6020.040.0060.00时间，s80:00100.00图5改造前后主传动系统转速变化2024年第1期安装机械汽幼具43凿岩机械气动工具（总第19 4期）言，传统的调速方式是直接调速，速度控制受电动机运行工况的影响较大，速度波动较大，影响零件的加工精度和表面粗糙度，本设计方案采用无级调速，速度波动幅度明显减小，整个系统的可控性和加工精度提高。此外，传统车床速度主要有高速档、中速档、低速档和空档，实际使用时要求有更多的速度档位。优化调速方式后可根据生产需要调整输出转速，调节档位有特高速档、高速档、中速档、低速档和超低速档，实现了无级调速，调速范围由原来的10 140 0 r/min变为8 150 0 r/min,增大了调速范围,能够适应不同精度要求的零件加工。改造后的数控车床经过近两年使用，随机抽取2 个月内生产的2 50 件产品进行质量检验，合格率情况见表1。表1产品质检合格率结果总产合格日期品数品数3月17 日503月2 5日503月3 0 日504月18 日504月2 5日50从表1中可以看出，平均合格率为9 8.8%，相比于传统人工加工合格率7 8.5%，合格率明显提高。改造后的车床实现了刀架自动切换，产品的加工精度达到了0.0 0 5mm,取得了满意的应用结果。5结语本文利用微机控制原理改进了传统手动换刀模式，实现了微机控制自动切换刀位，提高了加工效率；设计出液压控制自动卡盘，解决了频繁开闭卡盘造成精度降低的问题，大大提高了工件的装卡效率和加工精度；通过优化主传动箱控制系统,增大了车床调速范围，转速范围由10 1400r/min增大至8 150 0 r/min，车床的加工能力显著提升；零件的加工精度达0.0 0 5mm,加工精度明显提高，此外车床主轴传动系统的输出功率比优化前运行平稳，转速波动较小，加工产品质量更加稳定。主传动系统优化后产品合格率达到9 8.8%，取得了满意的效果。此次改造经验可为其他机床如铣床、刨床以及磨床等的自动化升级改造提供参考依据。合格平均率合格率50100%4998%4998%50100%4998%参考文献：1朱万友，张金花CK6140车床电气控制系统的数控化改造J现代机械,2 0 17,2 0 2(6):6 7-7 02冯亚军.PLC实现CA6140车床电气控制系统的改造98.8%。长沙航空职业技术学院学报,2 0 16,16(4):6 4-6 7.3许冠,罗散荣CA6140车床数控化改造技术的探索与实践J机电工程技术,2 0 16,45(6)6 3-6 6.4吴胜强,赵利颇,王傲冰CA6140普通车床全闭环数控再制造J邢台职业技术学院学报，2 0 15,3 2(5)：81-84.5武龙星,郭娇龙基于CA6140车床数控化改造的步进电机选型分析J机电一体化，2 0 15,2 1(5)：6 8-7 0.44安装机械汽劫琪2024年第1期