談機(jī)床的數(shù)控化改造

畢長(zhǎng)有

摘要：從中、小企業(yè)設(shè)備的實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)在普通機(jī)床的數(shù)控化改造中，如何對(duì)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)進(jìn)行選擇，如何對(duì)其機(jī)械部分進(jìn)行改造等問(wèn)題進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：普通機(jī)床；數(shù)控化；數(shù)控機(jī)床；改造

現(xiàn)在，機(jī)床的改造，特別是把普通機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，已經(jīng)成為了我國(guó)廣大企業(yè)設(shè)備投資的重要組成部分?，F(xiàn)將機(jī)床改造中要考慮的主要問(wèn)題介紹如下：

1 伺服系統(tǒng)的選擇

伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它既是數(shù)控系統(tǒng)CNC系統(tǒng)與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)。它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。例如，數(shù)控機(jī)床的最高移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標(biāo)均取決于伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。伺服系統(tǒng)按控制方式分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)三類。在普通機(jī)床的數(shù)控化改造中，一般選用價(jià)格較低的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的執(zhí)行元件——伺服電機(jī)，通常采用步進(jìn)電機(jī)或永磁式交流伺服電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)是采用脈沖數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制的，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)步距誤差自動(dòng)變?yōu)榱?，易于控制，價(jià)格最低。其選擇的關(guān)鍵是對(duì)參數(shù)進(jìn)行確定。確定參數(shù)的具體方法是：先計(jì)算電機(jī)的步距角，其次確定其步距精度，然后再對(duì)它的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行選擇，最后選定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

永磁式交流伺服電機(jī)常用于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，它容量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，效率高，但啟動(dòng)特性欠佳。其選擇方法是：先確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，其次選擇其負(fù)載慣量，然后再確定它的額定轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行電機(jī)預(yù)選，最后通過(guò)進(jìn)一步的速度、加減速轉(zhuǎn)矩及連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩的驗(yàn)算確定預(yù)選電機(jī)是否符合要求。

2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的中樞，是其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。目前，市場(chǎng)上數(shù)控系統(tǒng)的類型較多，選擇時(shí)要保證能購(gòu)得最適合的系統(tǒng)，就必須要充分考慮改造中各方面的因素。

首先，要考慮被改造機(jī)床的功能要求。根據(jù)機(jī)床的功能要求選擇數(shù)控系統(tǒng)，以使數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能要與準(zhǔn)備改造的機(jī)床所能達(dá)到的功能相匹配。既要避免因偏面追求數(shù)控系統(tǒng)的高性能指標(biāo)，而選擇了功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于改造機(jī)床功能的系統(tǒng)，造成功能過(guò)剩、資金浪費(fèi)，且在一定程度上還可能潛伏下由于數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加而帶來(lái)故障率升高的隱患。又要保證所選數(shù)控系統(tǒng)能滿足機(jī)床全部功能要求，不要出現(xiàn)一些因必須的系統(tǒng)功能短缺，影響其它功能的使用，使機(jī)床的優(yōu)良性能發(fā)揮不出來(lái)。

其次，要考慮數(shù)控系統(tǒng)的制造廠商。老牌著名跨國(guó)公司主要有德國(guó)的西門子、日本的發(fā)那科和三菱、法國(guó)的NVM等，國(guó)內(nèi)公司主要有中華數(shù)控、中國(guó)珠峰、北京航天等。目前，進(jìn)口系統(tǒng)的性能尚優(yōu)于國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)，但價(jià)格也較高，因此適用于大型高精度機(jī)床。國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)功能較簡(jiǎn)單，性能較穩(wěn)定，價(jià)格便宜，對(duì)一般車床、銑床已能可靠使用，且近幾年國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)也有長(zhǎng)足進(jìn)步，與世界先進(jìn)技術(shù)的差距越來(lái)越小。 第三，要考慮數(shù)控系統(tǒng)與其它配件的匹配。如果數(shù)控系統(tǒng)、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的品種、牌號(hào)太雜，在連接各部件時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)輸入與輸出信號(hào)的不匹配及在傳送中信號(hào)產(chǎn)生滯后等現(xiàn)象。因此，選擇時(shí)要優(yōu)先考慮能提供進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)的廠家的數(shù)控系統(tǒng)。

另外，在資金允許的條件下，盡量向著名廠家型號(hào)系列靠攏。一般著名廠商此類系統(tǒng)零件篩選更嚴(yán)格，制造工藝更規(guī)范可靠，性能穩(wěn)定，能更好地預(yù)防電器元件的故障或提前失效引起的設(shè)備故障，也有利于維修。

3 機(jī)床機(jī)械部件的改造

數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部分在剛度、精度、速度、摩擦磨損等方面較普通機(jī)床有更高的要求。因此，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了機(jī)床數(shù)控改造的目的。而是應(yīng)該從機(jī)床自身的價(jià)值考慮，分析改造要達(dá)到的目標(biāo)和所需投入。從該機(jī)床在本單位產(chǎn)品制造中的地位和重要程度來(lái)分析改造價(jià)值。對(duì)被改造機(jī)床的結(jié)構(gòu)、性能、精度等技術(shù)現(xiàn)狀作全面分析。其中包括機(jī)床原來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合改造要求，部件結(jié)構(gòu)是否仍然完好，各坐標(biāo)軸的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌副的形式等是否適用，各項(xiàng)精度是否滿足要求，機(jī)床在加工中是否存在故障和歷史上有無(wú)出現(xiàn)過(guò)重大故障。從該機(jī)床的投入產(chǎn)出率估算，確定最終改造方案。

3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造

在對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，一般應(yīng)盡量保留原主軸箱齒輪變速換檔機(jī)構(gòu)，只把主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)由原來(lái)的機(jī)械控制改變?yōu)橛蓴?shù)控系統(tǒng)控制。當(dāng)然，如果為了擴(kuò)大變速范圍，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中的自動(dòng)變速，也可以將原來(lái)的單速電機(jī)更換為多速電機(jī)，這樣可以使機(jī)床性能更好。但多速電機(jī)的功率是隨轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以電機(jī)功率要大，且還要增加一套電機(jī)變速系統(tǒng)，改裝比較麻煩。對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行簡(jiǎn)易數(shù)控改造時(shí)，最好不要用這種方法。另外，為了使改裝后的機(jī)床主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)保持必然的聯(lián)系，要在主軸箱內(nèi)安裝一個(gè)與主軸同步旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器。如普通車床改裝為數(shù)控車床時(shí)，在主軸箱內(nèi)裝主軸脈沖編碼器，以保證改造后的車床具備螺紋加工的功能。

3.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造

在對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，一般都應(yīng)該把原來(lái)的進(jìn)給變速傳動(dòng)裝置及操縱機(jī)構(gòu)全部拆除。而每個(gè)方向的進(jìn)給傳動(dòng)都改由各自獨(dú)立的功率步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)減速齒輪直接與帶動(dòng)滑板移動(dòng)的絲杠連接，分別實(shí)現(xiàn)各坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行各坐標(biāo)的控制。例如普通機(jī)床的簡(jiǎn)易化數(shù)控改裝，通常都是把原來(lái)由主軸箱到進(jìn)給箱的傳動(dòng)路線切斷，且將溜板箱拆除，直接把齒輪減速箱和功率步進(jìn)電機(jī)安裝在縱向絲杠的右端和橫向絲杠的外端。

在對(duì)機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)改裝的同時(shí)，也要對(duì)此傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)裝置元件進(jìn)行相應(yīng)的改造。具體如下：

絲杠。絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。改造時(shí)，為了滿足數(shù)控機(jī)床上較高精度零件的加工要求，應(yīng)該用滾珠絲杠螺母副替換原普通機(jī)床上的梯形絲杠螺母副。滾珠絲杠螺母副把傳動(dòng)絲杠與螺母之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)榱藵L動(dòng)摩擦，使摩擦損失減小，精度保持性、傳動(dòng)平穩(wěn)性、傳動(dòng)效率等都得以提高。其傳動(dòng)效率可達(dá)到92%～98%，是普通絲杠螺母副的3～4倍。

拖板。拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對(duì)象。不論是點(diǎn)位控制、直線控制，還是輪廓控制，被加工零件的最終坐標(biāo)精度都將受到拖板運(yùn)動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。除拖板及相配件精度要高外，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)到絲杠間的傳動(dòng)齒輪也要采用間隙消除結(jié)構(gòu)。以滿足傳動(dòng)精度和靈敏度的要求。常用的消隙方法有剛度調(diào)整法和柔性調(diào)整法兩種。剛性調(diào)整法傳動(dòng)剛度較好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但調(diào)整起來(lái)很費(fèi)時(shí)；柔性調(diào)整法，一般用彈簧彈力自動(dòng)消除齒側(cè)間隙，傳動(dòng)剛度較低，傳動(dòng)平穩(wěn)性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。改造中，可根據(jù)機(jī)床加工目標(biāo)選用。具體選用可參考有關(guān)資料。

機(jī)床導(dǎo)軌。為了使改造后的機(jī)床有較高的開(kāi)動(dòng)率和精度保持性，應(yīng)充分考慮機(jī)床導(dǎo)軌的耐磨性。當(dāng)前國(guó)內(nèi)普通機(jī)床床身等大件多采用普通鑄鐵，其摩擦系數(shù)較大。改造中，在對(duì)達(dá)不到預(yù)定要求的原機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行修磨、刮研后，要在上面貼上耐磨、吸振的聚四氟飛烯軟帶。

4 刀架的改造

刀架是否需要進(jìn)行改造，要根據(jù)改造后機(jī)床主要加工對(duì)象來(lái)確定。若采用一把刀即可完成本機(jī)床上的加工，就沒(méi)有必要對(duì)刀架進(jìn)行改造。若需采用多把刀，如普通車床改裝后需要三、四把刀才能完成全部車工工序，就必須對(duì)刀架部件進(jìn)行改造。即拆掉原手動(dòng)刀架，裝上電氣或液壓驅(qū)動(dòng)，由數(shù)控裝置控制的自動(dòng)刀架。

機(jī)床的數(shù)控化改造要考慮的因素很多。除了上面提到的主要內(nèi)容外，由于機(jī)床控制方式的改變，還要對(duì)其進(jìn)行電氣部分的重新設(shè)計(jì)，機(jī)械部分的大修和專項(xiàng)修理，解決調(diào)試、安裝等多方面存在的問(wèn)題。總之，在改造過(guò)程中，一定要全面綜合地考慮問(wèn)題。只有這樣才能改造出性能價(jià)格比最優(yōu)的機(jī)床。

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