普通機床的數(shù)控改造系統(tǒng)設(shè)計

黃義彩

【摘 要】本方案針對普通車床進行數(shù)控化改造，通過配置專用車床數(shù)控改造系統(tǒng)、更換進給運動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、進給箱改造、導(dǎo)軌副改造、采用步進電機驅(qū)動等方式彌補了原有普通機床的局限性，改造之后設(shè)備的穩(wěn)定性與實用性大大加強，效率、精度。實用性方面都得到較大提高。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控；滾珠絲杠傳動；導(dǎo)軌副；進給箱；改造

一、引言

隨著零件加工要求的精度不斷提高，普通機床的已經(jīng)難以滿足要求，迫切需要進行數(shù)控改造，數(shù)控車床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"?？梢运矔r準確地計算出每個坐標軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面對零件的適應(yīng)性強，更具有精度高、成本低， 加工的零件尺寸一致性好的特點， 適合現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。

二、設(shè)計方案

（一）數(shù)控改造系統(tǒng)總體方案設(shè)計

一臺新的數(shù)控機床，在設(shè)計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度；運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。機床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達到上述要求。基于以上準則，對普通機床進行數(shù)控化改造的具體方案如下：（1）配置專用車床數(shù)控改造系統(tǒng)，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(qū)動進給運動、配置脈沖發(fā)生器實現(xiàn)螺紋加工功能、配置自動轉(zhuǎn)位刀架實現(xiàn)自動換刀功能。根據(jù)方案，整體控制簡圖如下：縱向、橫向均采用步進電動機→減速齒輪→滾珠絲杠螺母→溜板的傳動方式（圖1）。

（二）數(shù)控改造系統(tǒng)配置

考慮到經(jīng)濟型、實用性以及改造需要達到的目標車床數(shù)控改造系統(tǒng)應(yīng)該具有下列基本配置和功能：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、自動轉(zhuǎn)位刀架控制、螺紋加工等控制功能。2）配有步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，脈沖當(dāng)量或控制精度要與相應(yīng)導(dǎo)程的絲杠相配套。3）面板按鍵輸入，代碼編制，掉電自動保護存儲器存儲；4）具有單步或連續(xù)執(zhí)行程序、循環(huán)執(zhí)行程序、機械極限位置自動限位，以及進給速度程序自動終止等各類數(shù)控基本功能。

（三）關(guān)鍵部件改造

數(shù)控改造要對主要部件進行相應(yīng)的改造使其達到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。例如（1）滑動導(dǎo)軌除導(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，要有合理的導(dǎo)軌防護和潤滑。（2）數(shù)控機床上通常使用的高精度等級齒輪。（3）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。一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于6級。

1.進給箱改造

齒輪箱傳動鏈長，反向間隙累積增大，大大降低了傳動精度。進給箱部分的改造就是要取消原齒輪箱，并換為一級減速機構(gòu)，傳動元件要有消隙裝置，以減小傳動間隙，提高精度。現(xiàn)用雙片齒輪錯齒法消除間隙，雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙，因為彈簧的彈力很難適應(yīng)負載的變化情況。當(dāng)負載較大時，彈簧彈力顯得小，無法自動消除間隙；當(dāng)負載較小時，彈簧彈力又顯得大，則加速齒輪的磨損。為此采用人工定期調(diào)整螺釘緊固的辦法來消除間隙。

2.導(dǎo)軌副改造

普通機床的導(dǎo)軌多采用鑄鐵或淬火鋼滑動導(dǎo)軌，其靜摩擦系數(shù)大，動靜摩擦系數(shù)相差較大，低速時易出現(xiàn)爬行，影響運動的平穩(wěn)性和定位精度，力矩損失大。采用在原導(dǎo)軌上粘接聚四氟乙烯軟帶的方法，實現(xiàn)比較方便，而且費用低、動靜摩擦系數(shù)相差小、耐磨性強，具有良好的自潤滑性和抗振性，進給運動無爬行、運行平穩(wěn)。

3.滾珠絲杠副改造

普通機床常采用普通滑動絲杠副；而數(shù)控機床要求移動部件靈敏度、精度高、反應(yīng)快、無爬行，采用滾珠絲杠副可滿足上述要求。在機床數(shù)控化改裝中，凡希望角位移和實現(xiàn)位移精確轉(zhuǎn)換的場合大多是用滾珠絲杠副。其特點為傳動效率高、定位精度高、傳動可逆性、使用壽命長、同步性能好。在滾珠絲杠副中，自由滾動的滾珠將力與運動在絲杠與螺母之間傳遞。因而以極小滾動摩擦代替了傳統(tǒng)絲杠的滑動摩擦。使?jié)L珠絲杠副傳動效率達到90%以上，整個傳動副的驅(qū)動力矩減少至滑動絲杠的1/3左右，發(fā)熱率也因此得以大幅降低。其發(fā)熱率低，溫升小以及在加工過程中對絲杠采取預(yù)拉伸并預(yù)緊消除軸向間隙等措施，使絲杠副具有高的定位精度和重復(fù)定位精度。滾珠絲杠螺母副的滾珠循環(huán)方式一般分外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種（圖2）。

三、改造效果

普通機床的數(shù)控化改造之后，優(yōu)勢明顯：（1）可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。（2）實現(xiàn)柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。（3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。（4）可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。（5）由以上四條派生的好處。如：降低勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝等。

四、結(jié)論

本方案針對普通車床進行數(shù)控化改造，通過配置專用車床數(shù)控改造系統(tǒng)、更換進給運動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、進給箱改造、導(dǎo)軌副改造、采用步進電機驅(qū)動等方式彌補了原有普通機床的局限性，改造之后設(shè)備的穩(wěn)定性與實用性大大加強，效率、精度。實用性方面都得到較大提高。

【參考文獻】

[1]胡占齊，楊莉主編.機床數(shù)控技術(shù).[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002

[2]王愛玲主編.現(xiàn)代數(shù)控機床.[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003