普通車床的數(shù)控改造方法及設(shè)計

杭州機床維修

一、機床數(shù)控改造的意義
    1、節(jié)省資金
    機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結(jié)構(gòu)進行徹底改造升級也只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。
3 R& f' ^" J/ |% c% A8 |1 c/ g    2、性能穩(wěn)定可靠
    因原機床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。
    3、提高生產(chǎn)效率
+ ^+ p9 e, |2 Y- G( x    機床經(jīng)數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高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
    機床的數(shù)控改造，主要是對原有機床的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)造性的設(shè)計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機電一體化的典型代表，其機械結(jié)構(gòu)同普通的機床有諸多相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機床不是簡單地將傳統(tǒng)機床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機床的基礎(chǔ)上，僅對局部加以改進而成（那些受資金等條件限制，而將傳統(tǒng)機床改裝成建議數(shù)控機床的另當(dāng)別論）。傳統(tǒng)機床存在著一些弱點，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機床對加工精度、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、主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(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)控機床的獨特機械結(jié)構(gòu)。因此，我們在對普通機床進行數(shù)控改造的過程中，應(yīng)在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標(biāo)盡可能地與數(shù)控機床相接近。
  X+ I" o- n4 ?5 S  j三、數(shù)控車床的性能和精度的選擇
    并不是所有的舊機床都可以進行數(shù)控改造，機床的改造主要應(yīng)具備兩個條件：第一，機床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛性。第二，改造的費用要合適，經(jīng)濟性好。在改裝車床前，要對機床的性能指標(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、主電動機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。
    1、軸變速方法、級數(shù)、轉(zhuǎn)速范圍、功率以及是否需要數(shù)控制動停車等。
    2、進給運動
% E, o3 s4 m7 F( d, r    進給速度：Z向（通常為8～400mm/min）；X向（通常為2～100 mm/min）。
8 M% T8 ~  k" O+ p2 Y' ?' b    快速移動：Z向（通常為1.2～4m/min）；X向（通常為1.2～3m/min）。
    脈沖當(dāng)量：在0.025～0.005mm內(nèi)選取，通常Z向為X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)都不難達到。
    3、進給運動驅(qū)動方式（一般都選用步進電機驅(qū)動）。
" j  {% B$ L  o. y    4、給運動傳動是否需要改裝成滾珠絲杠傳動。
  I4 d8 \6 b  A" _. a2 ]    5、刀架是否需要配置自動轉(zhuǎn)位刀架，若配置需要確定工位數(shù)。
+ u( ^' m7 j7 A6 ^0 O2 [' P    6、其他性能指標(biāo)選擇
    插補功能：車床加工需具備直線和圓弧插補功能。
    刀具補償和間隙補償：為了保證一定的加工精度，一般需考慮設(shè)置刀補和間隙補償功能。  
    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)車床加工功能實際需要確定，一般來說，顯示越簡單成本越低，也容易實現(xiàn)。
/ f$ l7 \% p$ k, e% w, H    診斷功能：為防止操作者輸入的程序有錯和隨之出現(xiàn)的錯誤動作，可在數(shù)控改造系統(tǒng)設(shè)計時加入必要的器件和軟件，使其能指示出機床出現(xiàn)故障或者功能失效的部分等，實現(xiàn)有限的診斷功能。
    以上是車床數(shù)控改造時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，這個時候應(yīng)有針對性的專門設(shè)計。
* s0 e4 Q) p# V9 L! V0 s四、車床數(shù)控改造方案選擇
, w) L; v7 P  a" z+ ^! o    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。目前機床數(shù)控改造技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，專用化的機床數(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。
! n3 b  Q) S, v4 m& t( C    目前較典型的經(jīng)濟型專用車床數(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、數(shù)碼管二坐標(biāo)同時顯示、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)量或控制精度一般為：Z為0.01mm，X向為0.005mm（要與相應(yīng)導(dǎo)程的絲杠相配套）。
    3、加工程序大多靠面板按鍵輸入，代碼編制，掉電自動保護存儲器存儲；可以對程序進行現(xiàn)場編輯修改和試運行操作。
% u4 ~0 O- S4 ?" X5 m$ T( @5 i    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、超程報警，以及進給速度程序自動終止等各類數(shù)控基本功能。
) E* s) d, ]2 O五、車床數(shù)控改造實例
    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，改造后的車床進給運動由步進電機A和B驅(qū)動，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車床的縱橫進給運動。     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，為了減少改造工作量，縱向驅(qū)動電機及減速箱一般裝在床身尾部，這時連接車床原傳動系統(tǒng)（主軸系統(tǒng)）和縱向絲杠傳動的離合器尚未拆除，工作時應(yīng)使處于脫開位置。同理，脫落蝸桿等原橫向自動進給機構(gòu)若未拆除，工作時也應(yīng)使其處于空檔（空擋）位置。改造后的進給脈沖當(dāng)量的量值靠步進電機步距角、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：  
    （θ/360）×（ac/bd）×T=δ  
" \) |4 q2 X) Z7 X, \    式中θ——步進電機步聚角（度）；  
* ]! }5 S& y0 h8 o% k- h8 Y    T——所驅(qū)動絲杠導(dǎo)程（mm）;  
    a,b,c,d——齒輪齒數(shù)，當(dāng)單級減數(shù)時，令c、d等于1；  
# z8 o: d2 z( \+ S' R2 S4 j" l0 M    δ——脈沖當(dāng)量值（mm）。
4 l& h) v; {/ K' f0 H+ r/ J1 o    步進電機的參數(shù)根據(jù)阻力矩及切屑用量的大小和機床型號來選擇，普通車床（如C6140、C620等）的數(shù)控改造中多采用0.08——0.15（N·m）靜力矩的步進電機，如選0.08（N·m）的作為橫向進給電機；選0.15（N·m）的作為縱向進給電機。
6 O" v/ N, R3 C; O, X    若需要，可將原刀架換成自動轉(zhuǎn)位刀架，則可以用程序數(shù)控轉(zhuǎn)換刀具進行切屑加工。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀信號時，首先繼電器K1動作，換刀電動機正轉(zhuǎn)驅(qū)動蝸輪蝸桿機構(gòu)，使上刀體上升。當(dāng)上刀體上升到一定的高度時，離合轉(zhuǎn)盤起作用，帶動上刀體旋轉(zhuǎn)進行選刀。刀架上方的發(fā)信盤中對應(yīng)每個刀位都安有一個傳感器，當(dāng)上刀體旋轉(zhuǎn)到某個刀位時，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行比較，當(dāng)兩信號相同時，說明上刀體已旋轉(zhuǎn)到所選刀位。此時數(shù)控系統(tǒng)控制繼電器K1釋放，繼電器K2吸合，換刀電動機反轉(zhuǎn)，活動銷在反靠盤上初定位。在活動銷反靠的作用下，螺桿帶動上刀體下降，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。此時數(shù)控系統(tǒng)控制繼電器K2釋放，換刀電動機停轉(zhuǎn)，完成換刀動作。也可以保留原刀架仍采用手動轉(zhuǎn)換刀具，但在換刀時必須設(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)部位裝上一個脈沖發(fā)生器C，用它發(fā)出脈沖使步進電機準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相應(yīng)的進給運動，即保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀移動一個導(dǎo)程。
' v/ t3 b% `4 J1 {+ F    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，仍可以加工，但滑動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)動阻力增加。為了減阻力以提高步進電機的力矩有效率和加工精度。
    機床改造完畢后，還應(yīng)該對其進行安裝調(diào)試及驗收。一般來說，應(yīng)特別注意安裝的位置和基礎(chǔ)，使機床處于良好穩(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，具備了機床聯(lián)機通電試車的條件，可切斷數(shù)控系統(tǒng)的電源，連接電動機的動力線，恢復(fù)報警設(shè)定，準(zhǔn)備通電試車。試車的目的是考核機床的安裝是否穩(wěn)固，各傳動、操縱、控制、潤滑、液壓、氣動等系統(tǒng)是否正常和靈敏可靠。改造后的數(shù)控機床的驗收是和安裝調(diào)試工作同步進行的。一臺機床數(shù)控改造完好后的檢測驗收工作是一項復(fù)雜的工作，其試驗檢測手段及技術(shù)要求也很高，它需要使用各種高精度的儀器，對機床的機、電、液、氣各部分及整機進行單項性能綜合性能檢測，包括運行剛度和熱變形等一系列試驗，其中應(yīng)特別注意機床數(shù)控功能的檢驗，最后得出該機床的綜合評價。
  B1 I) J5 I& P. ]7 `六、結(jié)論
    經(jīng)過大量實踐證明普通機床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟性、實用性和穩(wěn)定性。其改造涉及到機械、電氣、計算機等領(lǐng)域，是一項理論深、實踐強的系統(tǒng)工程。在進行數(shù)控改造時，應(yīng)該做好改造前的技術(shù)準(zhǔn)備。改造過程中，機械修理與電氣改造相結(jié)合，先易后難、先局部后全局。