卧式 CY6140 普通车床智能化改造设计方案

摘要：通过对 CY6140 卧式普通车床进行智能化改造，把我校的一批老式车床改造成智能化车床以供日常教学使用，节约教学成本和教学设备的升级改造。对卧式 CY6140 普通车床进行了改造，让手动操作的进给加工可以变成半主动或自动的加工进给，改造的内容分为两个部分。一部分是机床原来的进行系统由丝杆螺母副改造成伺服电机控制滚珠丝杆螺母副，可以提高改造后机床的传到精度和加工效率；另一部分是以单片机作为控制器对上述系统加以控制，实现智能化改造。

关键词：卧式 CY6140 普通车床；智能化改造；单片机；步进电机

1、引言

“车工技能训练”和“数控车床编程与操作”是中职机械专业的核心课程，车床设备更新与维修维护耗资巨大，设备数量不足，生均设备资产不高，企业淘汰的大批普通车床经过智能数控化改造能在一定程度上满足学校的教学需求，使得资源得到合理的利用，以较低的成本完成设备技改升级。教学设备技改不仅能够提高设备的利用率，还能够提高教师的专业技术水平。

2、设计要求

总体方案设计应考虑现有设备机床的使用情况以及改造的经费要求，同时兼顾机床加工精度、数控系统的选择、传动方式以及执行机构的选择等。

CY6140 普通机床如图 1 所示。CY6140 普通车床总体改造方案如图 2 所示。CY6140 车床设计要求：①具备普通数控车床的基本功能，如直线插补、圆弧的加工和自动加工等功能；②选择的数控系统要简单，学生上手容易，且保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本；③设定最高转速和加工切削产生的最大力矩，选择合适的伺服电机及其控制电路；④设计自动回转刀架及其控制电路；⑤进给系统丝杠螺母副组成改造成滚珠丝杆，传到精度高且定位准确；⑥CY6140 普通车床的基本机构不变，为了减少工作量，同时需要考虑其智能化。

 

图 1 CY6140 普通机床

    

图 2 CY6140 普通车床总体改造方案

3、CY6140 普通车床机械设计方案

3.1 进给系统机械结构改造设计

本次的 CY6140 车床改造的主要部分是机床的溜板箱、车床的刀架以及进给系统的部分零件等。CY6140 车床的挂轮架部分全部要进行更换，要想实现智能化，需在主轴处安装光电脉冲发生器，输出脉冲信号。

CY6140 车床的进给箱部分也要全部拆掉，重新换上新零件，如丝杠、光杠和操纵杆拆去，换上滚珠丝杆，一端安装伺服电机，另一端连接床身尾座部分，并安装轴承座。

CY6140 车床进给系统机械结构的改造方法：①拆除原来的丝杆螺母传动件，换上滚珠丝杆，根据计算数据的结果，选择选取滚珠丝杠直径为 40 mm，型号为 CD40x6-3.5-E2，其额定动载荷是 19kN，强度足够；②为了保证滚珠丝杆的回转精度，在它的两端各安装一个支撑座；③由于支撑座要根据机床的床身位置而设计的，不能选用标准件，因此需要加工出来，我们采用数控铣削的方式，保证其尺寸和形位公差；④完成进给机构的装配后，主要检测滚珠丝杠与导轨的平行度，使用百分表和水平仪进行测量，确保丝杠传动平稳。

CY6140 机床的 Z 向进给系统的改造同上述的一样，把原来的零件拆卸后，更换成伺服电机与滚珠丝杆机构，为了保证同轴度和传动精度，改造完成后，重点检测其回转精度和同轴度。

3.2 车床具体改造方法

车床具体改造方法如下：①把车床溜板箱固定不动，先把进给部分的大拖板及相应的配件拆下来，留着小拖板，后面加装伺服电机进行控制；②为了让伺服电机和机床原来的拖板进行连接，选用法兰盘来进行固定与连接，法兰盘在加工制作时，要兼顾其形位公差；③伺服电机和滚珠丝杆的连接，我们采用联轴器和电机固定座；④安装完成后，使用使百分表进行调试，使丝杠的旋转精度控制在 0.02 mm 之内。丝杆电机连接结构如图 3 所示。

  

图 3 丝杆电机连接结构图

刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架。改造步骤：①使用扳手和其他工具将原来车床的刀架拆除；②在拆下来的小拖板上钻四个螺纹孔，使用螺栓将电动刀架与小拖板固定下来，并进行调试热继电器和中间继电器。刀架改造如图 4 所示。

 

图 4 刀架改造

改造后的 CY6140 车床要具备回零的功能，因此车床需要在 X、Z 两个正方向上加装一个限位开关，来保证工作台回零时在安全的位置。

改造方法：①在 X、Y 的各自正方向上，使用螺钉将行程开关和挡块固定在床身上；②为了使车床也具备数控车床的减速信号和回零信号，安装的时候调整挡块的位置，将它们错开一段距离，保证信号的正常。

4、单片机系统硬件设计

4.1 系统的功能要求

系统的功能要求包括 Z 轴和 X 轴方向的伺服功能、刀架自动回转控制功能、螺纹加工系统控制、系统行程功能、输入输出人机控制功能、输出界面功能管理、其他功能。其他功能包括光电信号隔离、信号功率增大、异常情况报警系统、设备急停、设备复位。

4.2 电路的系统结构

电路系统结构如图5所示。电路的系统结构如下：①CPU采 用 BF7612BM28SOP ； ② 扩展程序存储器采用芯 片AT24C02，内部含有 256 个 8 位字节，有一个 16 字节页写缓冲器，扩展数据存储器选用 62128；③扩展可编程接口电路；④地址锁存器 74LS373、译码器各一个；⑤键盘接口电路，显示接口电路；⑥光电隔离与放大电路；⑦启动、急停、报警等电路；⑧触控设置电路。

  

图 5 电路系统结构框图

5、软件的设计

软件的设计具体如下。

软件管理程序：主程序运行框架，管理各个系统设置，子功能运行，综合协调处理。

加工程序输入部分：通过外部 I/O 输入加工零件的处理程序。

伺服控制部分：根据任务或指令控制电机的转角、转速。功能故障处理程序：包括故障判断、故障处理等功能。外部 I/O 部分：输入设置部分和状态显示部分。

6、总结

本文提供了一种普通车床智能化改造方案，并在小范围内开展设备的技能改造，取得了良好的效应，具有一定的稳定性、实用性、经济性。

end