红碎茶CTC齿辊微机数控加工车床的方案设计

周文兵

（铜陵职业技术学院，安徽铜陵 244061）

在当前的红碎茶施工作业中，CTC是极为重要的加工设备，其中又以齿辊尤为关键。就当前国内行业环境而言，齿辊部分主要以I CrI8Ni9Ti奥氏体不锈钢居多，它为典型的圆柱体结构，且在外表面上设置有高达200道的环形槽，彼此间距为3mm。

1 背景介绍

在当前国内环境中，有关于齿辊的环形槽的加工与修正工作主要借助于中型车床而完成，这是一种较为传统的加工方法，需要投入的人力较多，但所带来的生产效率也不够良好，且质量无法得到保障。在国内茶叶市场持续发展的大背景下，进一步推动了CTC齿辊加工车床的发展，它所带来的生产效率得到了显著的提升，同时齿辊节距精度也获得了更高保障。对此，本文则围绕车床机械以及电气方案展开分析，充分考虑到节距误差这一因素，提出一些可行的CTC设备加工方案，由此推动国内CTC制造业的发展。

2 车床总体方案及进给系统设计

以国内茶机企业的实际状况为基本出发点，考虑到CTC齿槽加工量偏大的问题，在围绕车装整机方案展开设计时将微型计算机作为主要的控制单元，对传统的中型普通车床进行了改良，由此得到全新的微型数控车床，它所具备的功能更为齐全，但制造成本得到了合理的控制，在适配了切削齿辊的同时还兼具有普通车床的各项功能。

2.1 总体方案

将中型普通车床作为主要研究对象，以不影响原布局为前提，由此展开设计工作，对结构进行了优化，具体如下：

（1）去除了原设备上的挂轮架、进给箱、光杠和溜板箱四部分结构，且对原溜板箱位置进行了优化，在该区域安装一个纵向进给滚动丝杠螺母。

（2）引入步进电机，给其增设一个纵横进给机构，对原本的滑动丝杆进行优化，即变更为滚动丝杠，此举可以提升设备的灵敏度。

（3）考虑到数控自动加工要求，增设了一个自动回转刀架，由于刀架可以防止4把甚至更多的刀具，因此可以进行灵活的换刀操作。

（4）充分考虑到CTC齿轮加工的基本特点，在此基础上编制了控制软件，受自动控制程序的影响可以使得刀架做出重复循环动作，关于3mm的节距分度要求，它交由步进电机而实现。所使用的步进电机在持续运转过程中并不存在误差积累现象，所以可以确保加工精度。

2.2 纵、横进给机构设计

无论是车床的纵向还是横向进给，其都采用的是步进电机驱动的方式，因此机械结构发生了较大的改变。将原有的溜板箱等一些结构拆除，在此基础上增设步进电机以及传动齿轮，从而达到横纵向进给的基本要求。关于传动原理，具体如下所示：

图2 纵、横进给传动原理图

3 数控系统软硬件设计

3.1 硬件系统总体构成

基于专用控制程序，可以实现对接口电路以及电机等一系列设备的控制，面板上设置了基础的计算机功能按键，除此之外还增设有启停按键。关于硬件电路，其主要由四部分组成，各自均对应在独立的印刷电路板上。

（1）微处理器主控板。引入了的是MCS-51系列单片机，将其作为核心控制元件，接入了EPROM2764芯片，加之RAM62264的支持，可以创造更为快速的运行方式。并行接口部分使用到的是Inte18155芯片，加之键盘、LED相关外围模块的支持，从而得到一个具有完善功能的微机数控系统。这种模块化的设计可以显著提升系统的运行稳定性，各模块之间的沟通也更为高效。

（2）直流电源板。系统的运行需要得到5V/15V及100V直流电源的支持，电路首先需要经过整流处理，此后进行滤波、稳压并进行电流方法，从而起到稳定电路运行的效果。对5V/15V输出电压波纹系数提出了较高的要求，即电压波纹系数应稳定在1%以内，由此满足相关精度要求。

（3）光电祸合电路板。车床设备所处的工作环境较为复杂，其中存在较多的干扰源，为了提升系统以及各类外部设备的稳定性，需要为之增设一个TLP521光电祸合芯片，此举能够显著提升装置的抗干扰水平，创设一个稳定的运行环境。

（4）步进电机驱动电路板。受驱动电路的影响，步进电机所表现出的实际工作状态将会存在差异，在本设计方案中引入了恒流斩波驱动电路，它在运行过程中波形较为稳定，且具有高效率、低功耗的基本特性，可以满足2台110BF步进电机的运行需求。

3.2 软件功能设计

关于软件的组成，主要可分为两部分，具体作如下分析：

基于用户加工程序，可以为操作者提供诸多便捷，即通过输入加工参数的方式便可以实现特定的功能，还涉及到了详细的HPU数控装置说明书，以便相关操作者进行学习，整体来说操作通俗易懂，只需几天的学习即可掌握相关操作技能。

关于专用控制程序，它是整个系统中尤为重要的管理软件，可以实现对车床各部分的控制，采取的是模块化的设计方式，为了满足扩展性要求，做出了如下改进：①可以完成2个坐标方向的直线运动；②可以完成直线插补与圆弧插补；③增设了一个主脉冲发生器，能够完成多种加工需求。

3.3 加工子程序设计

在展开CTC齿辊环形槽切削作业时，应当展开多次操作，考虑到此点内容，引入了局部小循环控制指令，它由5条字节指令所构成，对应为：工步号、循环标识BF、次数nn、长度wwww，最大达到了255，由此可知能够进行200条齿辊环形槽的加工作业。

当进行一个齿辊加工作业时，应当得到4把YW4刀具的支持，需要将其置于回转刀架上，在运行过程中借助于指令而达到自动回转的效果，由此展开车削加工。在软件设计过程中，引入了双信号时序检测法，它可以确保刀架运行的有序性，即便在此过程中机械出现了一定程度误差，刀架的运行也不会受到影响。

4 切削工艺

就当前行业现状而言，CTC齿辊材料主要以奥氏体不锈耐酸钢为主，它具有优良的防锈以及抗腐蚀能力，但材料的切削温度高，极容易带来刀具磨损现象，总体来说切削工艺性较差，是一种典型的难加工材料。

4.1 刀具材料和几何角度

如果选用普通高速钢，其并不具有优良的耐磨性，在切削过程中刀具的寿命相对更短，且难以达到所提出的精度要求，因此此类型材料不宜投入使用。

4.2 切削用量的选择

（1）切削速度。如果切削速度处于较低水平，则会带来明显的振动现象，对工件进行加工处理后表面容易出现波纹。对此，应适当的加大切削速度，由此改善工件的光洁度，但切削速度也不允许处于过高水平，否则会对刀具寿命造成影响。

（2）工件每转进给量。当进给量偏大时，则会对工件表面的光洁度造成不良影响，严重时还容易出现刀具崩刃现象；反之，如果进给量偏小，那么则会对刀具寿命造成影响。

（3）冷却润滑。相较于普通的碳素钢而言，奥氏体不铸钢具有很强的特殊性，这点在切削时体现的尤为明显，其对于冷却润滑液提出了较高的要求。受韧性的影响，在切削过程中极容易出现温度高度的现象，所形成的刀瘤会对工件的光洁度造成影响，此时润滑液的性能显得尤为关键。

5 节距误差的数理统计研究

齿辊共设置有200条环形槽，彼此间距均为3mm，在加工过程中受车床刚度、刀具磨损等因素的影响，往往会带来较大的误差，仅凭机械加工工艺理论很难有效的将该问题解决，对此还需要引入统计检验的方法，借助于数学模型展开定量分析。基于数理统计法可以得知，节距误差在±0.02mm内的数量占比达到了99.7%，因此加工精度良好，表明方案具有可行性。

6 结论

（1）所提出的CTC齿辊数控车床，在显著提升切削精度的同时还兼具有普通车床的功能，适用性较强。

（2）以中型普通车床为基础，给横、纵两个方面增设了步进电机，模块化的设计简单可行，子程序运用也更为便捷。