普通車床的數(shù)控改造方法及設(shè)計(jì)

杭州機(jī)床維修

一、機(jī)床數(shù)控改造的意義
, W& z: `2 V# R3 N' d' u    1、節(jié)省資金
3 l) D1 A) K. W9 g    機(jī)床的數(shù)控改造同購置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60%左右的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購置費(fèi)的1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級也只需花費(fèi)購買新機(jī)床60%的費(fèi)用，并可以利用現(xiàn)有地基。
    2、性能穩(wěn)定可靠
    因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時(shí)效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。
; A! W1 c4 }9 A- V6 o  o6 V* D    3、提高生產(chǎn)效率
. _  I' o8 Q1 e- w9 f    機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3至5倍。對復(fù)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(jié)約了費(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。
二、普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
) |. E$ u0 Q1 C7 k' E  {7 |    機(jī)床的數(shù)控改造，主要是對原有機(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)。數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型代表，其機(jī)械結(jié)構(gòu)同普通的機(jī)床有諸多相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床不是簡單地將傳統(tǒng)機(jī)床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上，僅對局部加以改進(jìn)而成（那些受資金等條件限制，而將傳統(tǒng)機(jī)床改裝成建議數(shù)控機(jī)床的另當(dāng)別論）。傳統(tǒng)機(jī)床存在著一些弱點(diǎn)，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動(dòng)面的摩擦阻力大及傳動(dòng)元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機(jī)床對加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)率以及使用壽命等要求�，F(xiàn)代的數(shù)控技術(shù)，特別是加工中心，無論是其支承部件、主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、輔助功能等部件結(jié)構(gòu)，還是整體布局、外部造型等都已經(jīng)發(fā)生了很大變化，已經(jīng)形成了數(shù)控機(jī)床的獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，我們在對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造的過程中，應(yīng)在考慮各種情況下，使普通機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)盡可能地與數(shù)控機(jī)床相接近。
+ g1 @, ^/ `! J( s2 a9 i三、數(shù)控車床的性能和精度的選擇
    并不是所有的舊機(jī)床都可以進(jìn)行數(shù)控改造，機(jī)床的改造主要應(yīng)具備兩個(gè)條件：第一，機(jī)床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛性。第二，改造的費(fèi)用要合適，經(jīng)濟(jì)性好。在改裝車床前，要對機(jī)床的性能指標(biāo)做出決定。改裝后的車床能加工工件的最大回轉(zhuǎn)直徑以及最大長度、主電動(dòng)機(jī)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(jī)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。
) H: `4 @3 E) i1 `    1、軸變速方法、級數(shù)、轉(zhuǎn)速范圍、功率以及是否需要數(shù)控制動(dòng)停車等。
    2、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)
    進(jìn)給速度：Z向（通常為8～400mm/min）；X向（通常為2～100 mm/min）。
    快速移動(dòng)：Z向（通常為1.2～4m/min）；X向（通常為1.2～3m/min）。
1 }2 _/ M9 d* I/ \" G    脈沖當(dāng)量：在0.025～0.005mm內(nèi)選取，通常Z向?yàn)閄向的2倍。
    加工螺距范圍：包括能加工螺距類型（公制、英制、模數(shù)、徑節(jié)和錐螺紋等），一般螺距在10mm以內(nèi)都不難達(dá)到。
    3、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式（一般都選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)）。
+ }1 n- R  o7 G: Q: V    4、給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)是否需要改裝成滾珠絲杠傳動(dòng)。
    5、刀架是否需要配置自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，若配置需要確定工位數(shù)。
0 c8 n2 l1 O' z6 l! p1 ~5 w6 o    6、其他性能指標(biāo)選擇
! _; h) C" k; t& b* {  m8 N    插補(bǔ)功能：車床加工需具備直線和圓弧插補(bǔ)功能。
6 k) p* b( H7 {* s9 }$ s0 A    刀具補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償：為了保證一定的加工精度，一般需考慮設(shè)置刀補(bǔ)和間隙補(bǔ)償功能。  
% d8 u* i+ j) }    顯示：采用數(shù)碼管還是液晶或者顯示器顯示，顯示的位數(shù)多少等問題要根據(jù)車床加工功能實(shí)際需要確定，一般來說，顯示越簡單成本越低，也容易實(shí)現(xiàn)。
    診斷功能：為防止操作者輸入的程序有錯(cuò)和隨之出現(xiàn)的錯(cuò)誤動(dòng)作，可在數(shù)控改造系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)加入必要的器件和軟件，使其能指示出機(jī)床出現(xiàn)故障或者功能失效的部分等，實(shí)現(xiàn)有限的診斷功能。
    以上是車床數(shù)控改造時(shí)需要考慮的一些通用性能指標(biāo)，有的車床改造根據(jù)需要還會有些專門的要求，如車削大螺距螺紋、在惡劣的環(huán)境下工作的防塵干擾、車刀高精度對刀等，這個(gè)時(shí)候應(yīng)有針對性的專門設(shè)計(jì)。
四、車床數(shù)控改造方案選擇
  k5 C3 p$ b2 I# F! R, p    當(dāng)數(shù)控車床的性能和精度等內(nèi)容基本選定后，可根據(jù)此來確定改造方案。目前機(jī)床數(shù)控改造技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，專用化的機(jī)床數(shù)控改造系統(tǒng)所具備的性能和功能一般均能滿足車床的常規(guī)加工要求。因此，較典型的車床數(shù)控改造方案可選擇為：配置專用車床數(shù)控改造系統(tǒng)，更換進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)絲杠傳動(dòng)為滾珠絲杠傳動(dòng)、采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、配置脈沖發(fā)生器實(shí)現(xiàn)螺紋加工功能、配置自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀功能。
: c  W8 V" D; {$ L" D( R) ~    目前較典型的經(jīng)濟(jì)型專用車床數(shù)控改造系統(tǒng)具有下列基本配置和功能：
    1、采用單片微機(jī)為主控CPU，具有直線和圓弧插補(bǔ)、代碼編程、刀具補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償功能、數(shù)碼管二坐標(biāo)同時(shí)顯示、自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架控制、螺紋加工等控制功能。
" o2 f2 w$ B- Z1 Y    2、配有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，脈沖當(dāng)量或控制精度一般為：Z為0.01mm，X向?yàn)?.005mm（要與相應(yīng)導(dǎo)程的絲杠相配套）。
$ x, [: X4 B4 g! w# b- T( x    3、加工程序大多靠面板按鍵輸入，代碼編制，掉電自動(dòng)保護(hù)存儲器存儲；可以對程序進(jìn)行現(xiàn)場編輯修改和試運(yùn)行操作。
2 q1 C$ d! ]* {* R    4、具有單步或連續(xù)執(zhí)行程序、循環(huán)執(zhí)行程序、機(jī)械極限位置自動(dòng)限位、超程報(bào)警，以及進(jìn)給速度程序自動(dòng)終止等各類數(shù)控基本功能。
9 [6 v2 ~; G2 b7 r6 u& P五、車床數(shù)控改造實(shí)例
6 u2 _* _! b( V+ {8 a; G- Y  x    以CA6140型普通車床數(shù)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)A和B驅(qū)動(dòng)，它們分別安裝在床頭箱內(nèi)（或床身尾部）和拖板后方，通過減速齒輪和縱橫向絲杠帶動(dòng)車床的縱橫進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。     為使改造后的車床能充分發(fā)揮數(shù)控車床的效能，縱橫向絲杠螺母副一般需要調(diào)換成滾珠絲杠螺母副。當(dāng)利用原絲杠螺母副時(shí)，為了減少改造工作量，縱向驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速箱一般裝在床身尾部，這時(shí)連接車床原傳動(dòng)系統(tǒng)（主軸系統(tǒng)）和縱向絲杠傳動(dòng)的離合器尚未拆除，工作時(shí)應(yīng)使處于脫開位置。同理，脫落蝸桿等原橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)若未拆除，工作時(shí)也應(yīng)使其處于空檔（空擋）位置。改造后的進(jìn)給脈沖當(dāng)量的量值靠步進(jìn)電機(jī)步距角、減速齒輪比、絲杠導(dǎo)程三者協(xié)調(diào)確定。三者之間換算關(guān)系可以以下式表示：  
$ v3 q: ~2 }8 a  d6 i- [    （θ/360）×（ac/bd）×T=δ  
    式中θ——步進(jìn)電機(jī)步聚角（度）；  
4 z) e. b" n2 r, i( V8 d    T——所驅(qū)動(dòng)絲杠導(dǎo)程（mm）;  
& K4 P5 U: L" Y, i& y    a,b,c,d——齒輪齒數(shù)，當(dāng)單級減數(shù)時(shí)，令c、d等于1；  
    δ——脈沖當(dāng)量值（mm）。
0 C  e/ V$ k- {9 T* O    步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)根據(jù)阻力矩及切屑用量的大小和機(jī)床型號來選擇，普通車床（如C6140、C620等）的數(shù)控改造中多采用0.08——0.15（N·m）靜力矩的步進(jìn)電機(jī)，如選0.08（N·m）的作為橫向進(jìn)給電機(jī)；選0.15（N·m）的作為縱向進(jìn)給電機(jī)。
) u4 A: l# t1 k9 c) y  f6 Q    若需要，可將原刀架換成自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，則可以用程序數(shù)控轉(zhuǎn)換刀具進(jìn)行切屑加工。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀信號時(shí)，首先繼電器K1動(dòng)作，換刀電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，使上刀體上升。當(dāng)上刀體上升到一定的高度時(shí)，離合轉(zhuǎn)盤起作用，帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn)進(jìn)行選刀。刀架上方的發(fā)信盤中對應(yīng)每個(gè)刀位都安有一個(gè)傳感器，當(dāng)上刀體旋轉(zhuǎn)到某個(gè)刀位時(shí)，該刀位的傳感器向數(shù)控系統(tǒng)輸出信號，數(shù)控系統(tǒng)將刀位信號與指令刀位信號進(jìn)行比較，當(dāng)兩信號相同時(shí)，說明上刀體已旋轉(zhuǎn)到所選刀位。此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)控制繼電器K1釋放，繼電器K2吸合，換刀電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，活動(dòng)銷在反靠盤上初定位。在活動(dòng)銷反靠的作用下，螺桿帶動(dòng)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(shí)數(shù)控系統(tǒng)控制繼電器K2釋放，換刀電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，完成換刀動(dòng)作。也可以保留原刀架仍采用手動(dòng)轉(zhuǎn)換刀具，但在換刀時(shí)必須設(shè)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(dāng)部位裝上一個(gè)脈沖發(fā)生器C，用它發(fā)出脈沖使步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相應(yīng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程。
    上述改造方案中，不更換絲杠方法當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，仍可以加工，但滑動(dòng)絲杠螺母副容易磨損故需要經(jīng)常檢修，而且功率和加工精度均不如滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)方式。另外，拖板與床身的導(dǎo)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(dǎo)軌間存在平行度誤差等問題均會使驅(qū)動(dòng)阻力增加。為了減阻力以提高步進(jìn)電機(jī)的力矩有效率和加工精度。
    機(jī)床改造完畢后，還應(yīng)該對其進(jìn)行安裝調(diào)試及驗(yàn)收。一般來說，應(yīng)特別注意安裝的位置和基礎(chǔ)，使機(jī)床處于良好穩(wěn)定的工作環(huán)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(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的連接。當(dāng)完成數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)整，具備了機(jī)床聯(lián)機(jī)通電試車的條件，可切斷數(shù)控系統(tǒng)的電源，連接電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力線，恢復(fù)報(bào)警設(shè)定，準(zhǔn)備通電試車。試車的目的是考核機(jī)床的安裝是否穩(wěn)固，各傳動(dòng)、操縱、控制、潤滑、液壓、氣動(dòng)等系統(tǒng)是否正常和靈敏可靠。改造后的數(shù)控機(jī)床的驗(yàn)收是和安裝調(diào)試工作同步進(jìn)行的。一臺機(jī)床數(shù)控改造完好后的檢測驗(yàn)收工作是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，其試驗(yàn)檢測手段及技術(shù)要求也很高，它需要使用各種高精度的儀器，對機(jī)床的機(jī)、電、液、氣各部分及整機(jī)進(jìn)行單項(xiàng)性能綜合性能檢測，包括運(yùn)行剛度和熱變形等一系列試驗(yàn)，其中應(yīng)特別注意機(jī)床數(shù)控功能的檢驗(yàn)，最后得出該機(jī)床的綜合評價(jià)。
六、結(jié)論
    經(jīng)過大量實(shí)踐證明普通機(jī)床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性。其改造涉及到機(jī)械、電氣、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。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，機(jī)械修理與電氣改造相結(jié)合，先易后難、先局部后全局。