臥式車床的數(shù)控化改造

【摘要】數(shù)控機(jī)床是多品種小批量生產(chǎn)的高效自動(dòng)化的技術(shù)群體，它是把多工序加工、切削處理、刀具磨損和測(cè)量等各種功能集為一體的自動(dòng)化機(jī)床。我國(guó)是世界上機(jī)床產(chǎn)量最多的國(guó)家，但數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力在國(guó)際市場(chǎng)中仍處于較低水平，在目前形式下將一大批閑置的普通機(jī)床或是舊數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床進(jìn)行改造、升級(jí)，以較小的投入盡快使這批設(shè)備在生產(chǎn)中發(fā)揮效能、創(chuàng)造效益，是許多制造業(yè)企業(yè)正在做的一項(xiàng)工作。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控機(jī)床；數(shù)控系統(tǒng)；改造

1.引言

近年來我國(guó)企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)己有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)數(shù)控機(jī)床有大量的需求，目前的現(xiàn)狀是國(guó)外機(jī)床產(chǎn)品大量充斥著市場(chǎng)，通過生產(chǎn)和進(jìn)口數(shù)控機(jī)床并不能滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的制造業(yè)需求，而淘汰大型企業(yè)原有的大量普通金屬切削機(jī)床不但會(huì)造成很大的浪費(fèi)，而且會(huì)因?yàn)槿狈Y金購買大量的數(shù)控機(jī)床來填補(bǔ)淘汰普通金屬切削機(jī)床后的機(jī)床空缺，造成停產(chǎn)。所以，目前數(shù)控化改造是適應(yīng)我國(guó)制造業(yè)迅猛發(fā)展，資金短缺，舊有機(jī)床所占比例大的國(guó)情所需。進(jìn)行機(jī)床改造可以節(jié)省資金、提高生產(chǎn)效率，使機(jī)床性能穩(wěn)定可靠，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，提高企業(yè)效益。

機(jī)床的數(shù)控化改造，主要是對(duì)原有機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，最終使機(jī)床達(dá)到比較理想的狀態(tài)。本文主要闡述了對(duì)普通臥式車床進(jìn)行的數(shù)控化改造。主要做了以下幾方面的工作：第一，對(duì)機(jī)床存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)原功能。第二，加數(shù)控系統(tǒng)，改造成數(shù)控機(jī)床。第三，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對(duì)機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對(duì)電氣控制部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和接線。

2.數(shù)控機(jī)床概述

數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床（Computer num-erical control machine tools）的簡(jiǎn)稱，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電動(dòng)機(jī)及控制、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制、PLC、檢測(cè)等技術(shù)為一體的自動(dòng)化設(shè)備。

數(shù)控系統(tǒng)是所有數(shù)控機(jī)床的核心。數(shù)控系統(tǒng)對(duì)輸入的加工程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出各種信息和指令，控制主軸、進(jìn)給軸和其他輔助裝置正確、及時(shí)和可靠地執(zhí)行加工程序所規(guī)定的任務(wù)。數(shù)控系統(tǒng)一般由輸入/輸出裝置，數(shù)控裝置，驅(qū)動(dòng)控制裝置，輔助控制裝置四部分組成，機(jī)床本體為被控對(duì)象。

3.數(shù)控系統(tǒng)的選擇

數(shù)控系統(tǒng)的選擇應(yīng)根據(jù)改造后要達(dá)到的精度，各種性能指標(biāo)等選用性價(jià)比合適，技術(shù)先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，當(dāng)然還要考慮售后維修服務(wù)的便捷性。數(shù)控系統(tǒng)的選擇主要依據(jù)是數(shù)控化改造后要達(dá)到的各種精度，以及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率和用戶要求。

目前，市場(chǎng)上生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的廠家很多，比較著名有：國(guó)外的如德國(guó)的SIEMENS公司，日本的FANUC公司；國(guó)內(nèi)的如武漢華中數(shù)控股份有限公司，廣州數(shù)控設(shè)備廠，北京藍(lán)天數(shù)控公司。

FANUC數(shù)控系統(tǒng)以其高質(zhì)量、低成本、高性能、較全的功能，適用于各種機(jī)床和生產(chǎn)機(jī)械等特點(diǎn)，在市場(chǎng)的占有率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他的數(shù)控系統(tǒng)。FANUC數(shù)控系統(tǒng)將控制單元與LCD集成于一體，具有網(wǎng)絡(luò)功能和超高速串行數(shù)據(jù)通信功能。

4.電氣控制電路設(shè)計(jì)

在電氣控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)中，應(yīng)該遵循：在滿足控制要求的前提下，設(shè)計(jì)方案要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，使用與維修方便。機(jī)床中的主軸電動(dòng)機(jī)，冷卻泵電動(dòng)機(jī)，刀架電動(dòng)機(jī)等控制功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制。改造過程中更換同一型號(hào)的老化電器元件有變壓器，自動(dòng)斷路器，接觸器等，主要增加的電氣元件包括主軸編碼器，X/Z軸驅(qū)動(dòng)器，電動(dòng)刀架控制器以及必要的控制開關(guān)，繼電器等。改造后拆除原電控箱，原位安裝改造后的電氣柜，最后還需電氣和機(jī)修人員共同進(jìn)行通電調(diào)試。

4.1 主軸電路

改造后的數(shù)控車床主軸采用變頻器驅(qū)動(dòng)三相交流異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)主軸無級(jí)調(diào)速，去除機(jī)床原有的主軸變速箱，可以獲得更好的操作性能和切削性能。變頻器采用日本三菱公司的D720型通用變頻器。

4.2 伺服驅(qū)動(dòng)控制電路

在普通車床的數(shù)控化改造中一般采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和交流伺服電機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速方便，體積小，目前廣泛用于數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)。經(jīng)全面考慮，選用FANUC公司的交流伺服電動(dòng)機(jī)作進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，組成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)在伺服機(jī)構(gòu)中裝有角位移檢測(cè)裝置——旋轉(zhuǎn)編碼器，通過檢測(cè)伺服機(jī)構(gòu)的角位移間接檢測(cè)移動(dòng)部件的直線位移，然后反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移值進(jìn)行比較，用比較后的差值進(jìn)行控制，直到差值為零。這種伺服機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的精度、速度和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，一般在大多數(shù)中小型數(shù)控機(jī)床使用。

FANUC伺服驅(qū)動(dòng)部分從硬件結(jié)構(gòu)上分，主要有四個(gè)部分：

（1）軸卡：在全數(shù)字伺服控制中，將伺服控制的調(diào)節(jié)方式、數(shù)學(xué)模型甚至脈寬調(diào)制以軟件的形式融入系統(tǒng)軟件中，而硬件支撐采用專用的CPU或DSP等，這些部件最終集成在軸控制卡。軸卡的主要作用是速度控制與位置控制。

（2）放大器：接收軸卡（通過光纜）輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過前級(jí)發(fā)達(dá)驅(qū)動(dòng)IGBT模塊輸出電機(jī)電流。

（3）伺服電機(jī)：放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

（4）反饋裝置：由電機(jī)軸直連的脈沖編碼器作為半閉環(huán)反饋裝置。

軸卡接口COP10A輸出脈寬調(diào)制指令，并通過FSSB（Fanuc Serial Servo Bus發(fā)那科串行伺服總線）光纜與伺服放大器接口COP10B相連，伺服放大器整形放大后，通過動(dòng)力線輸出驅(qū)動(dòng)電流到伺服電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，同軸的編碼器將速度反饋和位置反饋到FSSB總線上，最終回到軸卡上進(jìn)行處理，如圖1所示。

4.3 刀架控制

數(shù)控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平，對(duì)刀架的設(shè)計(jì)和控制要求如下：

（1）轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確可靠，工作平穩(wěn)安全。

（2）按最短路線就近選擇，轉(zhuǎn)位時(shí)間短。

（3）換刀時(shí)間短，刀具重復(fù)定位精度高，刀具存儲(chǔ)量足夠，結(jié)構(gòu)緊湊及安全可靠等。

（4）防水，防屑，密封性能優(yōu)良。

（5）夾緊剛度高，適宜重負(fù)荷切削，回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受機(jī)床在切削加工時(shí)的切削抗力。

根據(jù)臥式車床的型號(hào)和主軸中心高度，選擇自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，拆除原手動(dòng)刀架后裝上自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，并用墊板來調(diào)整其中心高。此刀架可實(shí)現(xiàn)多刀夾持、自動(dòng)轉(zhuǎn)位、具有重復(fù)精度高、剛性好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

5.結(jié)論

該臥式車床改造后，大大提高了加工效率，提高了零件的加工質(zhì)量，節(jié)約了資金，縮短了生產(chǎn)周期，是工廠進(jìn)行機(jī)械設(shè)備技術(shù)化改造的成功案例。

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