车床数控改造螺纹功能的实现.doc

本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。车床数控改造螺纹功能的实现陈艳红 孙敏（开封大学机电工程学院，河南开封475004）摘要：本文以CA6140型普通车床为例，阐述了车床数控化改造螺纹功能实现的方法、主传动系统改造部位，螺纹加工的控制原理及经济型数控车床螺纹加工误差产生的原因。关键词：数控化改造；螺纹；主轴编码器Improvement of Screw-cutting Function in NC Transformation of LatheCHEN Yan-hong SUN Min (Kaifeng University Mechanical and Electron Engineering Department, HN Kaifeng 475004)Abstract：Takes NC transformation of CA6140 type common lathe as an example ,this paper has explained the developing method of screw-cutting function and changing parts of main transmission system in NC Transformation of Traditional Lathe .Controlling principles and faults of screw-cutting in Economic NC Lathe are also discussed.Key words：NC transformation ； screw-thread ；axis encoder0 引言在机械制造业中，带螺纹的零件应用得十分广泛。用车削的方法加工螺纹，是目前常用的加工方法。在普通卧式车床上，无论车削哪一种螺纹，车床主轴与刀具之间必须保持严格的运动关系：即主轴每转一转，刀具应均匀地移动一个导程的距离。它们的运动关系是这样保证的：主轴带着工件一起转动，主轴的运动经挂轮传到进给箱；由进给箱变速后(主要是为了获得各种螺距)再传给丝杠；由丝杠和溜板箱上的开合螺母配合带动刀架作直线移动，这样工件的转动和刀具的移动都是通过主轴的带动来实现的，从而保证了工件和刀具之间严格的运动关系。普通车床改造成经济型数控车床后，由于主运动和进给运动采用不同的电机驱动，彼此间无机械传动联系，要加工螺纹或丝杠，必须配置主轴脉冲发生器（也叫主轴编码器）作为车床主轴位置信号的反馈元件，与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信号，输送到计算机。1 主轴编码器的安装普通卧式车床进行经济型数控改造时，系统采用轮廓控制方式。控制系统硬件由微机部分、键盘及显示器、I/O接口、光电隔离电路及步进电动机功率放大电路等组成。改造后的车床传动系统如图1所示：纵向、横向进给系统均采用步进电动机减速齿轮滚珠丝杠螺母溜板的传动方式，刀架一般更换为四工位自动回转刀架。 图1改造后的车床传动系统 为了使改造后的车床能自动加工螺纹，必须配置主轴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，通过主轴主轴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，通常采用同轴安装或异轴安装两种方式。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。异轴安装改造时通常主轴末端或挂轮架处加装主轴编码器。如CA6140型车床主传动系统改造时，主轴通过主轴箱中58/58和33/33二级齿轮(实现传动比1:1)把动力传递给原有CA6140车床的挂轮轴，拆除挂轮留出空间，安装主轴编码器，主轴编码器6通过支架5固定，如图2所示。改造后主轴编码器转速与主轴转速一致，主轴转一周，光电码盘转一转，通过反馈给系统控制纵向进给轴与主轴同步性，从而加工出理想螺距的螺纹。图2 主轴编码器安装图1.轴 2.齿轮 3.端盖 4.齿轮 5.支架 6.光电编码器2 经济型数控车床加工螺纹的原理微机如何控制不同螺距的螺纹加工是经济型数控车床改造的技术难点，在加工螺纹时，要满足以下几点要求：螺纹加工一般要经过几次切削才能完成，为防止乱扣，每次循环加工的初始进刀位置相同；切制多头螺纹时，能正确分度；主轴每转一圈，车刀能精确纵向移动一个螺距，否则就会产生螺距误差；根据编码方式的不同，主轴编码器可分为增量式和绝对式，目前国内常用的为增量式。主轴编码器发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经光电隔离电路以及I/O接口送给微机。根据光电码盘上刻线条数可分为1024线、2048线等，我们常用的为1024线即可满足要求。即主轴一转，能发出1024个脉冲，将这个脉冲送到步进电机，使步进电机转动，刀架跟着移动，加工出螺纹。在机床微机数控装置中，是把主轴编码器发出的脉冲加到计数器的通道0计数输入端，在加工螺纹时，把CTC通道0置成计数工作状态，对应于一定的螺距，用程序设置一定的时间常数。如经济型数控车床纵向进给系统脉冲当量为0.01mm时，假如要加工螺距是1.28mm的螺纹，步进电机只需要128个脉冲，要把主轴编码器发出的1024个脉冲变成步进电机所需要的128个脉冲，要将CTC通道0的时间常数置成1024/128=8=08H（十六进制数）就可以了。每输入16个脉冲，CTC通道0减法计数器减至“0”，CTC向CPU发出一次中断请求，CPU响应中断，执行中断服务程序，即进行一次插补运算，输出一个脉冲给步进电机。这样，主轴一转。进给电机均匀地得到128个脉冲，加工出螺距是1.28mm的螺纹。3 螺纹加工误差产生的原因 螺纹加工不到位在螺纹加工中，要保证循环加工的初始吃刀位置相同，就要做到刀尖返回时的准确到位。假如传动机构之间的间隙为零，那么，微机执行回零指示后，刀尖可以准确返回起始点，如图3中的OA线。但实际上，纵向传动丝杠与螺母间的间隙是实际存在的，不可能消除为零，要保证刀尖返回时的准确到位，只有通过程序进行间隙补偿。在加工螺纹前，精确测定传动丝杠的间隙值；这个间隙值要在试加工中反复测试，核对无误后，才能进行螺纹正式加工。一般间隙补偿值设置在0程序中。其补偿范围为02.55mm。经补偿后的运行方式为：在某坐标方向第一次开始运行前，先执行一段消隙程序，再运行指令要求的位移，以后运行中每次反向运行时，均先执行消隙程序，再运行指令要求的位移。另外，主轴编码器在发出主轴脉冲的同时，在主轴的每转还发出一个单独的脉冲，即螺纹同步脉冲。其用途就是保证螺纹循环加工时起始吃刀位置在同一点上，如图3中的A点。每次循环开始进入速度电路的第一个同步脉冲，是由主轴编码器光栅盘上同一条光栅产生的。图3 螺纹加工中的起始位置 产生螺距误差当螺距值转换成步进电机脉冲数可化为2的正整数幂时，螺距误差是不存在的；但如果此值不能化为2的正整数幂，即不能把1024整除（1024可化为210）,则螺距误差就产生了。如螺距为1mm，即主轴一转，步进电机须100个脉冲，则CTC通道0的时间常数为1024/10010=0AH，而实际加工出的螺距为1024/10=102.4丝=1.024 mm，这样就产生了起始吃刀位置2.4丝的螺距误差。这个螺距误差可以通过控制软件来消除。由于CTC的通道控制字和时间常数都是可以通过程序来改变的，因此在螺纹加工中，常用变换时间常数的办法来消除螺距误差。4 结束语机床能否进行螺纹加工是普通车床数控改造时主轴部分改造重要部分。主传动系统基本不变, 保留原机床的主轴手动变速，根据机床主轴箱具体传动结构，编码器与主轴异轴联接的改造方法，既能使编码器主轴与车床主轴按1：1的速比联接传动，以完成车削螺纹运动，又不破坏原车床结构，主轴孔仍能使用。既降低改装费用，又保持原机床精度。参考文献1 朱正伟.数控机床机械系统.北京：中国劳动社会保障出版社，2004.2 刘晓宇.刘德平.普通机床数控化改造关键技术的设计与计算J，机械设计与制造，2007，9：4244.3 余英良.机床数控改造设计与实例M.北京：机械工业出