機(jī)床的數(shù)控化改造方法

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 對機(jī)床數(shù)控化的改造及其必要性

在發(fā)達(dá)國家，工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)從上世紀(jì)的七八十年代就進(jìn)入了數(shù)控工業(yè)的發(fā)展階段，數(shù)控機(jī)床的使用也是在那個時候開始發(fā)展起來的。本質(zhì)上就是建立在信息技術(shù)發(fā)展上的軍、民機(jī)械工業(yè)的信息化改造。信息化的生產(chǎn)以其獨(dú)有的不可超越的優(yōu)勢占領(lǐng)了工業(yè)生產(chǎn)，而信息技術(shù)對工業(yè)發(fā)達(dá)的國家的機(jī)械工業(yè)的改造即信息化的深入，使得其工業(yè)技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，因此他們的產(chǎn)品在國際市場上的綜合競爭力大大加強(qiáng)，無論是軍用品還是民用品領(lǐng)域。而對于我國，由于種種原因，在信息化技術(shù)的發(fā)展上相對落后于國際發(fā)達(dá)國家，因而，在機(jī)械工業(yè)的信息化技術(shù)改造上也落后了近乎二十年。例如，我國在數(shù)控機(jī)床的使用上，在1995 年的時候才只占到了整體機(jī)床數(shù)量比重的1.9%，而同時期的日本，則已經(jīng)達(dá)到了20.8%是我國的十倍。這就是為什么我國每年都會大量的進(jìn)口機(jī)電產(chǎn)品的最主要的原因，機(jī)床的數(shù)控化改造勢在必行。

2 如何改造

2.1 改造內(nèi)容

對于機(jī)床的數(shù)控化改造包括了對機(jī)床的改造以及對生產(chǎn)線的改造，主要內(nèi)容有：首先是恢復(fù)原有功能。即首先對機(jī)床以及生產(chǎn)線存在的故障進(jìn)行維修診斷；其次是NC化。即將數(shù)顯裝置安裝到普通的機(jī)床上，或者是增加數(shù)控系統(tǒng)。是機(jī)床成為NC 機(jī)床或者是CNC 機(jī)床；再者，是翻新。因?yàn)槔吓f的機(jī)床對于工件的加工的精度以及效率還有自動化的程度都會產(chǎn)生不良影響，因此對機(jī)械部分老舊部件應(yīng)當(dāng)重新翻新或裝配，恢復(fù)精度和更新；最后，是在技術(shù)上進(jìn)行更新和創(chuàng)新。機(jī)械性能的提升以及機(jī)床新工藝的應(yīng)用，新技術(shù)的推廣都要在原有的工藝和設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此在改造的過程中可以進(jìn)行大規(guī)模的革新，以此提高整體的技術(shù)水平以及生產(chǎn)檔次。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

步進(jìn)電機(jī)拖動的開環(huán)系統(tǒng)，如圖1 所示，該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送 出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運(yùn)動的位移量、速度和運(yùn)動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要取決于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度。

異步電動機(jī)或直流電機(jī)拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，如圖2 所示。該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實(shí)際位置反饋信號，隨時與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動，直到給定位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴(yán)。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)。

交/直流伺服電機(jī)拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，圖3 所示。半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機(jī)做成一個整體時，則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。

3 數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝探討

一臺新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計上要達(dá)到：有高的靜動態(tài)剛度；運(yùn)動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達(dá)到上述要求。不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。

滑動導(dǎo)軌副。對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。

齒輪副。一般機(jī)床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無間隙傳動，因而改造時，機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求，以保證機(jī)床加工精度。

滑動絲杠與滾珠絲杠。絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于6 級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。

滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運(yùn)動時力矩相接近，可以降低電機(jī)啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。

安全防護(hù)。改造效果必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動面損傷導(dǎo)軌。

[1]進(jìn)口機(jī)床的數(shù)控化技術(shù)改造.中國科學(xué)院沈陽計算技術(shù)研究所，2003.

[2]數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床數(shù)控化改造.杭州電子科技大學(xué)，2007.