普通車床的數控改造方法及設計

杭州機床維修

一、機床數控改造的意義
    1、節省資金
    機床的數控改造同購置新機床相比一般可節省60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進行徹底改造升級也只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現有地基。
    2、性能穩定可靠
8 B% y: S7 @) Z  @8 z3 {  h    因原機床各基礎件經過長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度。
1 B. g5 H* d2 I/ M; g    3、提高生產效率
    機床經數控改造后即可實現加工的自動化效率可比傳統機床提高3至5倍。對復雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節約了費用而且可以縮短生產準備周期。
二、普通車床的數控化改造設計
4 p0 J. \3 L  N+ P1 p" s    機床的數控改造，主要是對原有機床的結構進行創造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態。數控車床是機電一體化的典型代表，其機械結構同普通的機床有諸多相似之處。然而，現代的數控機床不是簡單地將傳統機床配備上數控系統即可，也不是在傳統機床的基礎上，僅對局部加以改進而成（那些受資金等條件限制，而將傳統機床改裝成建議數控機床的另當別論）。傳統機床存在著一些弱點，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數控機床對加工精度、表面質量、生產率以及使用壽命等要求?，F代的數控技術，特別是加工中心，無論是其支承部件、主傳動系統、進給傳動系統、刀具系統、輔助功能等部件結構，還是整體布局、外部造型等都已經發生了很大變化，已經形成了數控機床的獨特機械結構。因此，我們在對普通機床進行數控改造的過程中，應在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標盡可能地與數控機床相接近。
三、數控車床的性能和精度的選擇
    并不是所有的舊機床都可以進行數控改造，機床的改造主要應具備兩個條件：第一，機床基礎件必須有足夠的剛性。第二，改造的費用要合適，經濟性好。在改裝車床前，要對機床的性能指標做出決定。改裝后的車床能加工工件的最大回轉直徑以及最大長度、主電動機功率等一般都不會改變。加工工件的平面度、直線度、圓柱度以及粗糙度等基本上仍決定于機床本身原有水平。主要有下述性能和精度的選擇需要在改裝前確定。
    1、軸變速方法、級數、轉速范圍、功率以及是否需要數控制動停車等。
    2、進給運動
    進給速度：Z向（通常為8～400mm/min）；X向（通常為2～100 mm/min）。
    快速移動：Z向（通常為1.2～4m/min）；X向（通常為1.2～3m/min）。
# q$ F/ {% z- r5 D, h    脈沖當量：在0.025～0.005mm內選取，通常Z向為X向的2倍。
  ^% I7 S9 M# z- a    加工螺距范圍：包括能加工螺距類型（公制、英制、模數、徑節和錐螺紋等），一般螺距在10mm以內都不難達到。
. _3 ^% u* J0 B2 ?5 \3 d2 |" v    3、進給運動驅動方式（一般都選用步進電機驅動）。
, k% _) N/ o$ S9 \% a3 U; z    4、給運動傳動是否需要改裝成滾珠絲杠傳動。
    5、刀架是否需要配置自動轉位刀架，若配置需要確定工位數。
$ `: {2 P; W* W( l* Y( g6 J2 j+ U    6、其他性能指標選擇
5 o' t7 o. ?8 a( B* P  n0 O    插補功能：車床加工需具備直線和圓弧插補功能。
    刀具補償和間隙補償：為了保證一定的加工精度，一般需考慮設置刀補和間隙補償功能。  
    顯示：采用數碼管還是液晶或者顯示器顯示，顯示的位數多少等問題要根據車床加工功能實際需要確定，一般來說，顯示越簡單成本越低，也容易實現。
: b# g% ~, w2 v6 B) V' \" I6 T    診斷功能：為防止操作者輸入的程序有錯和隨之出現的錯誤動作，可在數控改造系統設計時加入必要的器件和軟件，使其能指示出機床出現故障或者功能失效的部分等，實現有限的診斷功能。
* y# _. g; D  u7 C$ j/ o$ u    以上是車床數控改造時需要考慮的一些通用性能指標，有的車床改造根據需要還會有些專門的要求，如車削大螺距螺紋、在惡劣的環境下工作的防塵干擾、車刀高精度對刀等，這個時候應有針對性的專門設計。
四、車床數控改造方案選擇
6 e+ x, U" x% J. p/ z9 p' K    當數控車床的性能和精度等內容基本選定后，可根據此來確定改造方案。目前機床數控改造技術已經日趨成熟，專用化的機床數控改造系統所具備的性能和功能一般均能滿足車床的常規加工要求。因此，較典型的車床數控改造方案可選擇為：配置專用車床數控改造系統，更換進給運動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、采用步進電機驅動進給運動、配置脈沖發生器實現螺紋加工功能、配置自動轉位刀架實現自動換刀功能。
; Z( Q- g" f+ Q8 u    目前較典型的經濟型專用車床數控改造系統具有下列基本配置和功能：
/ l) A# H% G0 [4 V9 s" Q' W    1、采用單片微機為主控CPU，具有直線和圓弧插補、代碼編程、刀具補償和間隙補償功能、數碼管二坐標同時顯示、自動轉位刀架控制、螺紋加工等控制功能。
    2、配有步進電機驅動系統，脈沖當量或控制精度一般為：Z為0.01mm，X向為0.005mm（要與相應導程的絲杠相配套）。
    3、加工程序大多靠面板按鍵輸入，代碼編制，掉電自動保護存儲器存儲；可以對程序進行現場編輯修改和試運行操作。
    4、具有單步或連續執行程序、循環執行程序、機械極限位置自動限位、超程報警，以及進給速度程序自動終止等各類數控基本功能。
7 U) |: |4 O7 w2 c0 O# p五、車床數控改造實例
    以CA6140型普通車床數控化改造例，它采用了一種比較簡單但是較為典型的改裝方案，改造后的車床進給運動由步進電機A和B驅動，它們分別安裝在床頭箱內（或床身尾部）和拖板后方，通過減速齒輪和縱橫向絲杠帶動車床的縱橫進給運動。     為使改造后的車床能充分發揮數控車床的效能，縱橫向絲杠螺母副一般需要調換成滾珠絲杠螺母副。當利用原絲杠螺母副時，為了減少改造工作量，縱向驅動電機及減速箱一般裝在床身尾部，這時連接車床原傳動系統（主軸系統）和縱向絲杠傳動的離合器尚未拆除，工作時應使處于脫開位置。同理，脫落蝸桿等原橫向自動進給機構若未拆除，工作時也應使其處于空檔（空擋）位置。改造后的進給脈沖當量的量值靠步進電機步距角、減速齒輪比、絲杠導程三者協調確定。三者之間換算關系可以以下式表示：  
    （θ/360）×（ac/bd）×T=δ  
    式中θ——步進電機步聚角（度）；  
1 T" T/ q) K' d& t8 c  C. Y    T——所驅動絲杠導程（mm）;  
    a,b,c,d——齒輪齒數，當單級減數時，令c、d等于1；  
    δ——脈沖當量值（mm）。
( A+ C7 C# o, f% m+ ]/ n5 P" }    步進電機的參數根據阻力矩及切屑用量的大小和機床型號來選擇，普通車床（如C6140、C620等）的數控改造中多采用0.08——0.15（N·m）靜力矩的步進電機，如選0.08（N·m）的作為橫向進給電機；選0.15（N·m）的作為縱向進給電機。
    若需要，可將原刀架換成自動轉位刀架，則可以用程序數控轉換刀具進行切屑加工。當數控系統發出換刀信號時，首先繼電器K1動作，換刀電動機正轉驅動蝸輪蝸桿機構，使上刀體上升。當上刀體上升到一定的高度時，離合轉盤起作用，帶動上刀體旋轉進行選刀。刀架上方的發信盤中對應每個刀位都安有一個傳感器，當上刀體旋轉到某個刀位時，該刀位的傳感器向數控系統輸出信號，數控系統將刀位信號與指令刀位信號進行比較，當兩信號相同時，說明上刀體已旋轉到所選刀位。此時數控系統控制繼電器K1釋放，繼電器K2吸合，換刀電動機反轉，活動銷在反靠盤上初定位。在活動銷反靠的作用下，螺桿帶動上刀體下降，直到齒牙盤咬合，完成精定位，并通過蝸輪蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固。此時數控系統控制繼電器K2釋放，換刀電動機停轉，完成換刀動作。也可以保留原刀架仍采用手動轉換刀具，但在換刀時必須設置程序暫停。如果需要加工螺紋，則要在主軸外端或其他適當部位裝上一個脈沖發生器C，用它發出脈沖使步進電機準確地配合主軸的旋轉而產生相應的進給運動，即保證主軸每轉一轉，車刀移動一個導程。
    上述改造方案中，不更換絲杠方法當數控系統出現故障時，仍可以加工，但滑動絲杠螺母副容易磨損故需要經常檢修，而且功率和加工精度均不如滾珠絲杠螺母副驅動方式。另外，拖板與床身的導軌不夠平行或垂直，以及兩者之間摩擦力過大，絲杠軸線與導軌間存在平行度誤差等問題均會使驅動阻力增加。為了減阻力以提高步進電機的力矩有效率和加工精度。
    機床改造完畢后，還應該對其進行安裝調試及驗收。一般來說，應特別注意安裝的位置和基礎，使機床處于良好穩定的工作環境。其次是全面檢查各器件、插件的連接情況以及各油路、電路的情況，再進行數控系統的連接。當完成數控系統的調整，具備了機床聯機通電試車的條件，可切斷數控系統的電源，連接電動機的動力線，恢復報警設定，準備通電試車。試車的目的是考核機床的安裝是否穩固，各傳動、操縱、控制、潤滑、液壓、氣動等系統是否正常和靈敏可靠。改造后的數控機床的驗收是和安裝調試工作同步進行的。一臺機床數控改造完好后的檢測驗收工作是一項復雜的工作，其試驗檢測手段及技術要求也很高，它需要使用各種高精度的儀器，對機床的機、電、液、氣各部分及整機進行單項性能綜合性能檢測，包括運行剛度和熱變形等一系列試驗，其中應特別注意機床數控功能的檢驗，最后得出該機床的綜合評價。
六、結論
    經過大量實踐證明普通機床數控化改造具有一定經濟性、實用性和穩定性。其改造涉及到機械、電氣、計算機等領域，是一項理論深、實踐強的系統工程。在進行數控改造時，應該做好改造前的技術準備。改造過程中，機械修理與電氣改造相結合，先易后難、先局部后全局。