普通機(jī)床的數(shù)控化改造及應(yīng)用研究

摘要：普通機(jī)床勞動強(qiáng)度大，危險(xiǎn)性高，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來越不能滿足市場的需求和現(xiàn)代科學(xué)的批量生產(chǎn)需要，越來越多的企業(yè)將普通機(jī)床逐漸轉(zhuǎn)向數(shù)控化。文章以機(jī)床的數(shù)控改造為例，從數(shù)控機(jī)床的性能和精度的選擇出發(fā)對整體改造方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，介紹了機(jī)床數(shù)控改造的具體方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；改造；主軸

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 17-0000-02

目前，我國的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的役齡在10年以上的舊機(jī)床，機(jī)械制造水平與發(fā)達(dá)國家相比差距很大。我國加工生產(chǎn)出來的產(chǎn)品普遍存在成本高、品種少、質(zhì)量差、檔次低、供貨期長等諸多問題，從而導(dǎo)致我國機(jī)械產(chǎn)品在國內(nèi)外市場上缺乏競爭力，直接影響到我國機(jī)械制造業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場效益，最終影響到行業(yè)內(nèi)各家企業(yè)的生存和發(fā)展，因此，改造舊機(jī)床提高數(shù)控化率不光成為了影響行業(yè)的重要因素，而且成為了發(fā)展企業(yè)的關(guān)鍵，關(guān)系整個(gè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，所以說我國制造技術(shù)改造與創(chuàng)新成為了歷史必然與趨勢。創(chuàng)新與改造，都應(yīng)該從最普通的機(jī)床改造開始。文章認(rèn)為，普通機(jī)床的數(shù)控化改造，應(yīng)采用先進(jìn)的工藝裝備，從機(jī)械傳動鏈的改造和電氣控制系統(tǒng)的配置等多方面考慮，目標(biāo)是改造成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。

1 數(shù)控機(jī)床的性能指標(biāo)的選擇

機(jī)床的改造主要應(yīng)具備機(jī)床基礎(chǔ)件必須有改造的費(fèi)用要合適及經(jīng)濟(jì)性好和足夠的剛性這幾個(gè)條件，也就是說，并不是所有的舊機(jī)床都可以進(jìn)行數(shù)控改造。在車床改裝前，要對機(jī)床的性能指標(biāo)做出決定。如下表格1中的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。

性能指標(biāo)細(xì)項(xiàng)、主體因素

數(shù)控制動停車級數(shù)軸變速方法功率轉(zhuǎn)速范圍

進(jìn)給運(yùn)動進(jìn)給速度快速移動脈沖當(dāng)量加工螺距范圍

進(jìn)給運(yùn)動驅(qū)動方式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動非步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動

給運(yùn)動傳動滾珠絲杠傳動非滾珠絲杠傳動

刀架自動轉(zhuǎn)位刀架（位數(shù)）非自動轉(zhuǎn)位刀架

其他插補(bǔ)功能刀具補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償顯示診斷功能

改裝后的車床一般都保持原有的加工工件的平面度、直線度、圓柱度以及粗糙度等性能，不會改變加工工件的最大回轉(zhuǎn)直徑以及最大長度、主電動機(jī)功率等。

2 改造方案的整體內(nèi)容

機(jī)床改造手段的主要手段和方法是對原有的舊機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，但不是在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上對局部加以改進(jìn)即可，也不是簡單地給傳統(tǒng)機(jī)床安裝上數(shù)控系統(tǒng)就成?，F(xiàn)代的數(shù)控技術(shù)已經(jīng)形成了數(shù)控機(jī)床的獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)，特別是整體布局、外部造型，還有加工中心，包括其支承部件、輔助功能、主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)等部件結(jié)構(gòu)都已經(jīng)發(fā)生了很大變化。所以說，考慮新機(jī)床的各項(xiàng)指標(biāo)與舊數(shù)控機(jī)床相接近是改造的主要出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，主要是在控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等四個(gè)方面對舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造。這四個(gè)方面的組成框圖如下圖所示：

從上圖1可以看出，舊機(jī)床的數(shù)控改造的四個(gè)內(nèi)容構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)整體，其詳細(xì)環(huán)節(jié)主要有：

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)改造具體途徑及案例剖析

本節(jié)例舉C6136普通臥式車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床來說明普通臥式車床數(shù)控化改造的方案。舊車床的數(shù)控化改造重點(diǎn)解決控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等四個(gè)方面的問題。

3.1 數(shù)控系統(tǒng)選型

為維護(hù)和管理，數(shù)控系統(tǒng)的選擇應(yīng)盡量靠攏同一制造商生產(chǎn)的車型系列，也有利于備件的購買，可以考慮改造的數(shù)控設(shè)備相似的特征。數(shù)控系統(tǒng)模型的選擇要考慮的是適用于所有類型的機(jī)械及工業(yè)裝置的單件，小批量的加工精度可達(dá)IT7級，C6136車床加工復(fù)雜零件，所以數(shù)控系統(tǒng)選擇連續(xù)型數(shù)控系統(tǒng)。國內(nèi)機(jī)床如廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK980TA一般用于經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床，其數(shù)控系統(tǒng)為兩軸聯(lián)動，功能較多，性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，一般的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床等。

3.2 改造機(jī)械結(jié)構(gòu)

（1）傳動鏈。為增大輸出轉(zhuǎn)矩，克服由電動機(jī)軸和絲杠不平行而引起的失步現(xiàn)象，要從縱向、橫向的傳動鏈方面來進(jìn)行C6136臥式車床數(shù)控化改造，使用滾珠絲杠取代了原來的縱向進(jìn)給傳動鏈中的絲杠和光桿。

（2）主傳動。采用手動掛擋變速的方法保留原機(jī)床的主軸傳動鏈。在主軸末端安裝主軸脈沖編碼器，拆卸交換齒輪，以進(jìn)行螺紋切削。

（3）刀架。原手動四方刀架被LD4系列電動刀架所取代。四個(gè)霍爾開關(guān)分別為四個(gè)刀位的位置，當(dāng)?shù)杜_旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動磁鐵一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)定刀位時(shí)，通過霍爾開關(guān)輸出到位信號。刀架定軸上端四個(gè)霍爾開關(guān)和永久磁鐵檢測獲得刀架的到位信號。刀架的定位過程是：系統(tǒng)發(fā)出換刀信號→刀架電動機(jī)正轉(zhuǎn)→刀臺上升并轉(zhuǎn)位→刀架到位發(fā)出信號→刀架電動機(jī)反轉(zhuǎn)→初定位→精定位夾緊→刀架電動機(jī)停轉(zhuǎn)→換刀應(yīng)答。

3.3 改造設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)

在普通機(jī)床的數(shù)控化改造中一般采用交流伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)。選用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)作為在C6136的數(shù)控化改造中的縱向和橫向的進(jìn)給驅(qū)動較為合適。交流伺服電動機(jī)體積小、調(diào)速方便。與步進(jìn)電動機(jī)相比，目前廣泛用于數(shù)控機(jī)床的傳動系統(tǒng)，價(jià)格昂貴，雖然精度高，但出于經(jīng)濟(jì)型改造，一般選用步進(jìn)電動機(jī)作為驅(qū)動裝置，車床步進(jìn)電動機(jī)采用脈沖數(shù)字信號進(jìn)行控制，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)步距誤差自動清零，能方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)速與定位，通過改變各相繞組的接通次序即可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，數(shù)控車床上大多使用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。如運(yùn)作流程如下圖。

3.4 選用和安裝編碼盤

主軸部分?jǐn)?shù)控化改造是機(jī)床能否進(jìn)行螺紋加工的最重要的部分。要實(shí)現(xiàn)自動加工螺紋的目的，需要這部分改造在原來車床上需加裝一個(gè)脈沖編碼器。配置經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床處理線程或螺桿的脈沖發(fā)生器，該編碼盤的車床主軸位置信號作為反饋元件，以便它發(fā)出到主軸的角位置的改變信號，同步旋轉(zhuǎn)的車床主軸，并輸送到NC系統(tǒng)。按照所需的加工節(jié)距處理計(jì)算，數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)器的垂直或水平的步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)的車床加工螺紋的目的。所以，決定在進(jìn)行C6132的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)時(shí)在主傳動系統(tǒng)中加裝一個(gè)光電碼盤。

3.5 設(shè)計(jì)自動回轉(zhuǎn)刀架

自動換刀裝置具有不同的形式，主要是因數(shù)控車床的工藝范圍、刀具的種類與數(shù)量不同。帶刀庫的自動換刀裝置和自動回轉(zhuǎn)刀架是目前的常用裝置。自動回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床上最常用、最簡單的一種自動換刀裝置，也稱為轉(zhuǎn)塔式刀架，實(shí)現(xiàn)車床的自動換刀動作主要是依靠回轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)分度定位。由數(shù)控系統(tǒng)控制的自動回轉(zhuǎn)刀架效率高，具有相當(dāng)可靠的工藝性能。在改造C6132車床數(shù)控中，采用四方自動回轉(zhuǎn)刀架，拆除原刀架和小滑板，用自動回轉(zhuǎn)刀架替換原機(jī)床的普車床通手動回轉(zhuǎn)刀架，換上LD4口CK6132l～t2E位自動回轉(zhuǎn)刀架即可。

3.6 清潔與維護(hù)液壓系統(tǒng)

在車床數(shù)控化改造中，對機(jī)床原來的切削液系統(tǒng)進(jìn)行改造往往是沒有必要的，只需要通過CNC控制用數(shù)控系統(tǒng)上的切削液接口與液壓系統(tǒng)的電路進(jìn)行有效地連接，達(dá)到切削液的自動開關(guān)的目的。此外，對液壓元件和液壓系統(tǒng)的平穩(wěn)準(zhǔn)確運(yùn)行來說，液壓系統(tǒng)的清潔程度有著非常重要的影響。因此還要在C6132車床進(jìn)行數(shù)控化改造對液壓元件進(jìn)行仔細(xì)地檢查，如果發(fā)現(xiàn)老化的元件，或者出現(xiàn)磨損等異?，F(xiàn)象，則需要更換加工中心，從而保證整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)能正常運(yùn)作，以確保液壓元件能正常工作。

3.7 改造設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)

對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，加工中心在滿足控制要求的前提下，不宜盲目追求自動化和高指標(biāo)，應(yīng)力求設(shè)計(jì)方案簡單、經(jīng)濟(jì)，力求車床使用與維修方便、控制系統(tǒng)操作簡單。冷卻泵電動機(jī)刀架電動機(jī)、機(jī)床中的主軸電動機(jī)等均離不開系統(tǒng)自動控制。由電源電路、主電路、控制電路和CNC控制回路等構(gòu)成的C6132車床改造后的電氣控制線路改造時(shí)更換同一型號的老化電器元件，比如變壓器自動斷路器、接觸器等，同時(shí)增加的電器元件主要包括主軸編碼盤、電動刀架控制器、軸驅(qū)動器、控制開關(guān)以及必要的繼電器等，改造后拆除原位安裝改造后的電控柜、原電控箱，最后通電調(diào)試數(shù)控機(jī)床中電氣控制系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

文章運(yùn)用C6136型普通車床進(jìn)行改造案例，說明普通機(jī)床數(shù)控化改造涉及到電氣、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，是一項(xiàng)理論深、實(shí)踐強(qiáng)的系統(tǒng)工程，需要遵循一定的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，其改造在進(jìn)行數(shù)控改造時(shí)，應(yīng)該做好改造前的技術(shù)準(zhǔn)備，改造過程中，分改造前、改造中、機(jī)械維修，與電氣改造相結(jié)合，先易后難，先本地情況的技術(shù)準(zhǔn)備工作。事實(shí)也證明，普通機(jī)床，數(shù)控機(jī)床升級用較少的資金，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鋼.數(shù)控機(jī)床調(diào)試、使用與維護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]胡明星.教學(xué)用數(shù)控機(jī)床的管理與維修[J].職業(yè)，2011，20.

[3]歐陽全會，李英.C616車床數(shù)控化改造思路[J].武漢交通職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，2.

[4]度國旭，陳珩.普通車床的數(shù)控化改造[J].科技信息，2011，20.

[作者簡介]林常劼（1983.3-），男，福建省福州市人，單位：國際汽車底盤公司（雷諾汽車的子公司），研究方向：生產(chǎn)優(yōu)化，老舊生產(chǎn)線的更新和再利用。