CA6150普通车床的数控化改造

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1、CA6150 普通车床的数控化改造摘要：针对我厂二机车间现有一台常规CA6150普遍车床的缺点提出数控改造方案和电 气系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文以 CA6150 型普 通车床为例，说明了普通车床的数控化改造的设计过程，简述CA6150机械改造部分的设计 并且详细叙述了数控系统部分的电气设计。采用华中TNC-21TD数控系统对信号进行处理， 由 I/O 接口输出驱动脉冲，经伺服驱动器处理后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向 的进给运动。改造后的车床投入使用后,运行稳定,加工精度和加工效率明显提高,取得了极大 的经济效益。关键词：数控机床 改造设计 华中系统

2、第一章 概述数控机床和普通机床相比主要有以下的优点： 1.适应性强，适合加工单件或小批量的复 杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件 加工。 2.加工精度高；3.生产效率高；4.减轻劳动强度，改善劳动条件；5.良好的经济效益； 6.有利于生产管理的现代化。数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。 我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、 多轴化、复合化、精密化方面进步很大。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上 增加数控系统控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数

3、控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改 造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。所以说，本设计实例具有典型性和实用性。第二章 总体方案的设计2.1 设计任务根据车间生产工艺要求，本次改造需要达到以下能力（1）：主轴方面，由于甲方没有要求刚性攻丝和螺纹加工的功能，所以在原来主轴具有的两 档变速、液压制动的功能上不做改动。要实现主轴无级变速和螺纹加工就需要主轴机械方面 做较大改动，拆除所有主轴原有齿轮传动装置，对主轴电动机加装主轴驱动器或者通用变频 器，根据主轴电机适当选型，来实现主轴无级调速。并且在主轴后端部加装主轴编码器来实 现螺纹加工的功能。（2）

4、：进给轴方面，原进给轴（X.Z轴）改为伺服电机驱动的进给轴，以实现自动加工的进给。 同时满足Z轴3米以上，X轴1.05米以上的加工需求（原机床本体的加工长度）。（3）：刀架改为四工位自动数控刀架，以实现自动换刀。（4）：其他方面，因为原来进给轴润滑系统是手动润滑系统，所以本次改造需要加装主轴和 进给轴的自动润滑系统。另外根据自动加工的需求，需要加装工件冷却系统。2.2 数控系统及伺服装置的选型 （1）：数控系统的选型：目前国内使用的车床数控系统主要有以下几个品牌和型号，性能和价格比较如下表（表中价格包含两轴伺服控制器和伺服电机）插补 功能二次 开发 功能I/O 点数PLC调试服务价格FANUC

5、OI-T强大强大多编程简便，模 块丰富繁杂稍差9万左 右SIEMENS810D强大强大多编程复杂，模 块丰富繁杂较好8万左 右华中21TD适用稍差够用点选式，C语 言编程，难改 动简便好3.5万 左右根据对比，考虑到本次改造所要求的半精加工、粗加工的要求，并且华中数控的集成功能已 经能够适应该项目的性能要求，而且结构简单、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。再考虑到费用情况，我们选取了武汉华中HNC-21TD数控系统 来完成本次改造，他的优点是，组成开环系统所要求的功能不是非常强大，但是调试简便易 行，价格经济。（2）：伺服装置的选型：根据选用的数控系统我们同时选配

6、了华中数控公司生产的全数字交 流伺服驱动单元 HSV-160-030、 HSV-160-050 以及相配套的交流永磁同步伺服电机 GK6-7.5NM、GK6-16 NM来作为X、Z轴的驱动单元。电机转速的选择根据公式： N=V（max）xUx1000/p（h）此转速应该小于等于电机的额定转速式中，为电机的额定转速（rpm）； n为快速行程时电机的转速（rpm）；为直线运 行速度（m/min）； u为系统传动比，u=n电机/n丝杠；丝杠导程（mm） 根据x轴需要速度选择3000rpm/min的电机，两电机编码器反馈脉冲均为2500p。所选择驱动单元的优点是：电源模块和驱动模块集成为一体，结构小巧

7、，使用调试方便，可 靠性高等。其他电气元件选用通用交流和直流电气控制元器件。2.3 电气系统的设计（1）系统框架图：系统和各部分连接如下图所示，因主轴回路不做改动，所以主轴单元插 口空置HNC-21屯源XSIXS40-XS43pHEVMO伺服驱动装置XS2XS3XS4XS5XS3O-XS33XS21XS20XSH设计：.主轴不作改动，新增伺服电源回路,: 相电机，另采冊套稀油泵）具体如下图所示:手持单元XS8XS9其它类型进给装置开关量输出开关量输入架电机回路，冷却电机回路，润注：图中除电源接口外，具他接口祀不是必须使用的。总体框图010101k 2020203031同服模块伺服电源X、Z进给

8、伺服电机回路通过伺服控制器控制，因为华中伺服系统电源模块和伺服模块集成 在一起，所以只需要控制变压器和主回路变压器提供控制电源单相AC220V （-1510%）和三项AC220v （-1510%）的伺服驱动器电源，电机光电编码器通过一根36芯电缆与伺服驱 动器的XS2插头连接，针对伺服驱动器侧而言，XS2各端子定义如下：端子端子记信号名称端子记信号名称号号端子号号1，25v 2编码器电源反 馈21，2223，24DC+5VDC5v电源输出+3，45，60vDC5v电源输出17，35A相-编码器-A输入18, 36A相+编码器+A输入15，33B相-编码器B输入16, 34B相+编码器+B输入1

9、3, 31Z相-编码器Z输入14,32Z相+编码器+Z输入11, 29U相-编码器U输入12,30U相+编码器+U输入9,27V相-编码器V输入10,28V相+编码器+V输入7,25W相-编码器W输入&26W相+编码器+W输入19, 20FG屏蔽层伺服驱动器和伺服电机以及编码器连接如下图所示：伺服匚K100102100161 Y0.1162 Y0.2系统复位伺服允许彩馭X塢顋丽報W鬻E寸AC1AC2B. _S .T _PE _0708101112保护地420102100161 Y0.1162 Y0.2109VWFEntAC107AC208R10S11T12PE保护地UVWPEU伺服电机伺服电机

10、3)：主轴方面，因为主轴不做改动，所以在吸收消化原图纸的基础上，基本不作改动，主(4)输入开关量控制部分，利用系统附带的25线头孔座针电缆和HNC-21TD系统的xslO头 针座孔插头连接，输出开关量控制部分利用了系统附带的25 线头孔座针电缆和 HNC-21TD 系统的 xs20 头针座孔插头连接，两电缆另一端连接所需机床检测元件，因为车床本身需要 检测和控制的元件较少所以系统提供的xsll开关量输入和xs21开关量输出空置。具体线路 设计如下：OTES216EST0P14iII-SQZ-3 / Q限位;rJ:.HNC-21TD(XS20)0TES1 35/52输出开关量 xs20（5）安全

11、连锁设计，将手摇脉冲发生器上的急停按钮和系统面板上的急停按钮以及 X、Z 轴的两个方向的极限限位触点串联，接入系统报警继电器回路，该继电器断电则向系统发出 外部运行允许报警，即输出开关量图的KA2继电器回路。示意图如下所示：手持单元EST0P2EST0P34 XEST0P1卍ESTOPS24V 地。+24V轴超程限位开关轴1-超程限位开关轴2-超程限位开关轴2-超程限位开关轴3-超程限位开关r轴3-超程限位开关轴4-超程限位开关轴4-超程限位开关图中首实线为启色叵睁，览实线沟軽程爭除叵睁； KA为中间继电爲，用于控制何服、主轴等强电；建逹该醴电器的一T棠开触点进入PLC开关fiA点，用于产生外

12、部运行允洋信号第三章 改造安装与调试3.1 机械改造(1) X轴：拆除进给齿轮箱，拆除原手动刀架。把原普通丝杠更换为导程10mm的滚珠丝 杠副，在小拖板上安装滚珠丝杠的丝母用以驱动 X 轴做横向运动。在丝杠的后端加装同步 轮和伺服电机成3： 1连接。为了妥善安装X轴伺服电机，在中拖板后部加装伺服电机支架。 刀架更换为4工位自动数控刀架。同时加装润滑装置的油管管路给X轴导轨润滑。(2) Z轴：拆除原Z轴进给齿轮箱，在原进给齿轮箱部位安装进给伺服电机座，原普通丝 杠安装导程为12mm的滚珠丝杠，用同步轮和同步带做3： 1连接。(3) 床身本体：床身本体后部安装稀油润滑泵一套，因为Z轴要做纵向运动，

13、所以要在床 身后部和 X 轴电机之间安装电气穿线用的拖链一套，具体尺寸根据现场尺寸来定。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。3.2 电气改造(1)电器柜制作与安装布线： 电器柜制作遵循通风流畅，安装方便的原则，并且在电器柜 的设计上，要在电器柜的上部适当位置预留供数控系统和操作面板安装的空位，具体尺寸如右图所示电器柜内元件布置要高低有致，方便随后的电气布线，元件要交直流分开。布线要遵循主回 路和控制回路分开布线，交直流控制线分开布线，并且在布线时做好电气隔离工作。(2)床身电气安装：在中拖板上安装X轴参考点限位和横向正负方向极限限位，合并X轴 电机线缆和编码器线缆连接线通过中拖板中间夹层拖链地沟连接到电器柜。特别说明，华中数控系统回参考点采用正负正方式，所以X轴方向的参考点限位和极限限位距离 不能太近，尤其是参考点限位和正方向限位，距离很近，但是要通过测试保证间距。在床身 本体后部安装Z轴参考点限位和正负方向极限限位，线路走向合并Z轴电机线缆和编码器 线缆以及润滑泵电机线和润滑泵报警信号线，通过拖链地沟直接接入电器柜。同样，刀架电机线和刀架到位信号线也通过中拖板中间夹层拖链地沟接入电器柜。原主轴按钮位置不变，按钮线通过原按钮线管到床身后部合并所有电气线进入拖链到电器柜。至此，床 身和电气柜线路