基于GSK980TDB数控系统的CA6140普通车床数控改造

叶坤煌

（闽南理工学院，福建 石狮 362700）

金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，他是制造机器的机器，所以又被称为“工作母机”或“工具机”。

机床的母机属性决定了它在国民经济中的地位。机床工业为各种类型的机械制造厂提供先进的制造技术与优质高效的机床设备，促进机械制造工业的生产能力和工艺水平的提高。机械制造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，即为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种机器、仪器和工具。为适应现代化建设的需要，必须大力发展机械制造工业。可见，机械制造工业是国民经济各部门赖以发展的基础，而机床则是机械制造工业的基础。一个国家机床工业的技术水平在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。因此普通车床的数控化改造对提高设备的自动化程度及经济效益具有实际意义。

1.CA6140普通车床数控改造的总体方案

通过对原CA6140普通车床结构特点分析，根据改造后车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工要求，设计出一套较低成本、高性能的数控化改造方案：

（1）进给系统改造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。横向驱动电机安装在床鞍的后部（相对操作者），纵向驱动电机安装在机床的左端位置。

（2）主轴系统改造采用变频电机驱动，简化原主轴箱内部结构，采用两级减速，满足主轴高刚性和大扭矩要求；为了使改造后的车床能够加工螺纹，需要在挂轮箱内加装主轴脉冲编码器，以实现对主轴转速的同步检测。

（3）刀架的改造拆除原手动刀架，在小拖板上安装数控转位刀架，选用常州生产的 LDB4 型电动刀架。

（4）数控系统选型设计根据改造功能要求和精度要求，选择半闭环控制方式，采用GSK980TDB数控系统；采用广州数控公司的980系列伺服放大器和980系列伺服电机。

2.纵向进给系统滚珠丝杠和电机计算与选型

工作台重量 600N，行程 650 mm，滑动导轨动摩擦系数μ=0.1，静摩擦系数μ=0.2，Z轴快速进给速度 vmax=12 m/min，工作寿命 20000h。

（1）初选滚珠丝杠的导程

（2）确定当量转速和当量载荷

①确定当量转速

滚珠丝杠副在 n1、n2、n3，…，nn各种转速下，各转速工作时间占总时间 的百分比分 别为 t1%、t2%，t3%…，tn%，所受载荷分别是 F1、F2、F3，…，Fn。

根据对数控车床工作状况调查，机床工作在强力切削方式下时间百分比约为10%，进给速度约为0.3m/min，在一般切削方式下时间百分比约为60%，进给速度约为0.4m/min；在精切削方式下时间百分比约为20%，进给速度约为1m/min；在快速进给方式下时间百分比约为10%，进给速度为12m/min。

②确定当量载荷

当负荷与转速接近正比变化时，当量载荷可采用下列公式近似计算：

丝杠的最小工作载荷 Fmin是指机器空载时滚珠丝杠副的传动力。丝杠的最大工作载荷 Fmax是机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力，包括机床切削时在滚珠丝杠轴向的分力与导轨摩擦力。

车床纵向车外圆时，主切削力FC=1000Pmη/v=3 600 N，

一般 FX=（0.1～0.55）FC，FY=（0.15～0.65）FC

取 FX=0.4FC=1 440 N，FY= 0.5FC=1 800 N

则 Fmin=f（FC＋W）＝704N

式中W—移动部件的重量，N；

f—导轨上的摩擦因数，取f=0.16；

K—考虑颠覆力矩影响的实验系数，K＝1.15。

则 Fm=（2Fmax+Fmin）/3=1808N

③确定预期额定动载荷

按滚珠丝杠副的预期工作时间 L 计算额定动载荷

式中 fw—负荷系数，取fw＝1.2；

fa—精度系数，滚珠丝杠副精度取为 3 级，

则取 fa＝1。

从滚珠丝杠尺寸系列表（或产品样本）中找出额定动载荷CA略大于当量动载荷Cm，同时考虑刚度要求，初选滚珠丝杠副的型号及有关参数。根据机床结构和工作要求从初选的几个型号中挑选比较合适的公称直径、导程、负荷滚珠列数和滚珠圈数，CDM-3206-3.5-P4外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型滚珠丝杠副的额定动载荷为16500N可满足要求，精度等级选为4级。

3.数控系统的连接与调试

GSK980TDB数控系统在组成上包括CNC和PMC两部分，改造后的数控车床由2个进给轴（X、Z轴）、一个旋转轴（主轴）、刀架控制系统、冷却控制系统、润滑控制系统、其他辅助功能控制系统，检测控制电路等组成。

根据在本机床上要实现的功能要求，对控制系统进行总体设计和连接，连接结构图见图1。

图1 数控车床控制系统总体结构图

机床的调试除了在机械上调整，尽量消除系统的间隙、摩擦等控制系统的死区外，机床参数设置的是否恰当，直接关系到能否把数控系统和机械部分最佳匹配。对系统的功能参数检查确认之后，即可进行伺服初始化，再设置行程、速度等方面的参数。为进一步提高机床的稳定性以及动态性能，还需要设置位置增益、加减速时间常数等CNC参数，条件允许的情况下，还可采用SERVO GUIDE 软件对机床进行动态精度优化。

4.改造车床的PMC程序设计

PMC程序由第1级程序和第2级程序2部分组成。在第1级程序中仅处理急停和各轴超程信号等快速处理信号。2级程序主要用来实现操作面板上的按扭、指示灯、波段开关等处理；M、S、T功能的译码及功能处理；轴运动处理；报警信号的处理等。下面主要介绍刀具控制PMC程序设计：当系统没有发出要刀信号时，发讯盘内当前刀位的霍尔元件信号处于低电平状态。当系统要求刀架转到某一刀位时，系统输出正转信号，此时继电器得电吸合，使接触器得电吸合，刀架正转。当刀架转至所需刀位时，该刀位霍尔元件在磁场作用下，使该刀号产生低电平信号，这时刀架正转信号断开，系统输出反转信号，同时另一继电器得电吸合，使相应接触器得电吸合，刀架反转，反转到位后，刀架电机停止，完成一次换刀控制过程。

根据上述刀架控制要求，设计PMC 程序流程见图 2。

图2 换刀控制PMC程序流程图

5.结束语

从改造后机床的使用、运行状态来看，机床较大地拓宽了机床加工零件的范围，并更好地保证了零件加工的一致性和产品质量；改造后的机床精度总体达到当前国产同类数控机床的精度水平；改造的成本也较低，取得了良好的经济效益，达到了预期的改造目标。

[1]广州数控设备有限公司.GSK980TDB车床数控系统使用手册[EB/OL].

[2]贺红霞，赵辉.CA6140车床进给系统数控改造中滚珠丝杠副的选型和计算[J].煤矿机械，2007，（7）.

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[6]李城人，张春源.数控化改造[M].北京：北京清华大学出版社，2006.