臥式 CY6140 普通車床智能化改造設計方案
2022-3-21 來源：中山火炬開發區理工學校 深圳職業技術學院 作者：吳德 梁景明 陳平改
摘要：通過對 CY6140 臥式普通車床進行智能化改造，把我校的一批老式車床改造成智能化車床以供日常教學使用，節約教學成本和教學設備的升級改造。對臥式 CY6140 普通車床進行了改造，讓手動操作的進給加工可以變成半主動或自動的加工進給，改造的內容分為兩個部分。一部分是機床原來的進行系統由絲桿螺母副改造成伺服電機控制滾珠絲桿螺母副，可以提高改造后機床的傳到精度和加工效率；另一部分是以單片機作為控制器對上述系統加以控制，實現智能化改造。
關鍵詞：臥式 CY6140 普通車床；智能化改造；單片機；步進電機
1、引言
“車工技能訓練”和“數控車床編程與操作”是中職機械專業的核心課程，車床設備更新與維修維護耗資巨大，設備數量不足，生均設備資產不高，企業淘汰的大批普通車床經過智能數控化改造能在一定程度上滿足學校的教學需求，使得資源得到合理的利用，以較低的成本完成設備技改升級。教學設備技改不僅能夠提高設備的利用率，還能夠提高教師的專業技術水平。
2、設計要求
總體方案設計應考慮現有設備機床的使用情況以及改造的經費要求，同時兼顧機床加工精度、數控系統的選擇、傳動方式以及執行機構的選擇等。
CY6140 普通機床如圖 1 所示。CY6140 普通車床總體改造方案如圖 2 所示。CY6140 車床設計要求：①具備普通數控車床的基本功能，如直線插補、圓弧的加工和自動加工等功能；②選擇的數控系統要簡單，學生上手容易，且保證一定加工精度的前提下應簡化結構、降低成本；③設定最高轉速和加工切削產生的最大力矩，選擇合適的伺服電機及其控制電路；④設計自動回轉刀架及其控制電路；⑤進給系統絲杠螺母副組成改造成滾珠絲桿，傳到精度高且定位準確；⑥CY6140 普通車床的基本機構不變，為了減少工作量，同時需要考慮其智能化。
圖 1 CY6140 普通機床
圖 2 CY6140 普通車床總體改造方案
3、CY6140 普通車床機械設計方案
3.1 進給系統機械結構改造設計
本次的 CY6140 車床改造的主要部分是機床的溜板箱、車床的刀架以及進給系統的部分零件等。CY6140 車床的掛輪架部分全部要進行更換，要想實現智能化，需在主軸處安裝光電脈沖發生器，輸出脈沖信號。
CY6140 車床的進給箱部分也要全部拆掉，重新換上新零件，如絲杠、光杠和操縱桿拆去，換上滾珠絲桿，一端安裝伺服電機，另一端連接床身尾座部分，并安裝軸承座。
CY6140 車床進給系統機械結構的改造方法：①拆除原來的絲桿螺母傳動件，換上滾珠絲桿，根據計算數據的結果，選擇選取滾珠絲杠直徑為 40 mm，型號為 CD40x6-3.5-E2，其額定動載荷是 19kN，強度足夠；②為了保證滾珠絲桿的回轉精度，在它的兩端各安裝一個支撐座；③由于支撐座要根據機床的床身位置而設計的，不能選用標準件，因此需要加工出來，我們采用數控銑削的方式，保證其尺寸和形位公差；④完成進給機構的裝配后，主要檢測滾珠絲杠與導軌的平行度，使用百分表和水平儀進行測量，確保絲杠傳動平穩。
CY6140 機床的 Z 向進給系統的改造同上述的一樣，把原來的零件拆卸后，更換成伺服電機與滾珠絲桿機構，為了保證同軸度和傳動精度，改造完成后，重點檢測其回轉精度和同軸度。
3.2 車床具體改造方法
車床具體改造方法如下：①把車床溜板箱固定不動，先把進給部分的大拖板及相應的配件拆下來，留著小拖板，后面加裝伺服電機進行控制；②為了讓伺服電機和機床原來的拖板進行連接，選用法蘭盤來進行固定與連接，法蘭盤在加工制作時，要兼顧其形位公差；③伺服電機和滾珠絲桿的連接，我們采用聯軸器和電機固定座；④安裝完成后，使用使百分表進行調試，使絲杠的旋轉精度控制在 0.02 mm 之內。絲桿電機連接結構如圖 3 所示。
圖 3 絲桿電機連接結構圖
刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉四方刀架。改造步驟：①使用扳手和其他工具將原來車床的刀架拆除；②在拆下來的小拖板上鉆四個螺紋孔，使用螺栓將電動刀架與小拖板固定下來，并進行調試熱繼電器和中間繼電器。刀架改造如圖 4 所示。
圖 4 刀架改造
改造后的 CY6140 車床要具備回零的功能，因此車床需要在 X、Z 兩個正方向上加裝一個限位開關，來保證工作臺回零時在安全的位置。
改造方法：①在 X、Y 的各自正方向上，使用螺釘將行程開關和擋塊固定在床身上；②為了使車床也具備數控車床的減速信號和回零信號，安裝的時候調整擋塊的位置，將它們錯開一段距離，保證信號的正常。
4、單片機系統硬件設計
4.1 系統的功能要求
系統的功能要求包括 Z 軸和 X 軸方向的伺服功能、刀架自動回轉控制功能、螺紋加工系統控制、系統行程功能、輸入輸出人機控制功能、輸出界面功能管理、其他功能。其他功能包括光電信號隔離、信號功率增大、異常情況報警系統、設備急停、設備復位。
4.2 電路的系統結構
電路系統結構如圖5所示。電路的系統結構如下：①CPU采 用 BF7612BM28SOP ； ② 擴展程序存儲器采用芯 片AT24C02，內部含有 256 個 8 位字節，有一個 16 字節頁寫緩沖器，擴展數據存儲器選用 62128；③擴展可編程接口電路；④地址鎖存器 74LS373、譯碼器各一個；⑤鍵盤接口電路，顯示接口電路；⑥光電隔離與放大電路；⑦啟動、急停、報警等電路；⑧觸控設置電路。
圖 5 電路系統結構框圖
5、軟件的設計
軟件的設計具體如下。
軟件管理程序：主程序運行框架，管理各個系統設置，子功能運行，綜合協調處理。
加工程序輸入部分：通過外部 I/O 輸入加工零件的處理程序。
伺服控制部分：根據任務或指令控制電機的轉角、轉速。功能故障處理程序：包括故障判斷、故障處理等功能。外部 I/O 部分：輸入設置部分和狀態顯示部分。
6、總結
本文提供了一種普通車床智能化改造方案，并在小范圍內開展設備的技能改造，取得了良好的效應，具有一定的穩定性、實用性、經濟性。
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