普通機(jī)床數(shù)控化改造研究

李紹友

(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000)

1 普通機(jī)床數(shù)控化改造的必要性

1.1 機(jī)械加工企業(yè)謀求生存的主要路徑

針對當(dāng)前我國機(jī)械加工市場，伴隨著中小型企業(yè)的不斷涌現(xiàn)，市場競爭進(jìn)一步增大，因此企業(yè)為了謀求發(fā)展，就必須不斷就自身技術(shù)能力進(jìn)行增強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)普通機(jī)床已經(jīng)不再適應(yīng)當(dāng)前機(jī)械加工市場對于機(jī)械產(chǎn)品的多品種、小批量加工要求，取而代之的則是融合微電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)以及自動檢測技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)為一體的數(shù)控機(jī)床。其中，在應(yīng)用數(shù)控機(jī)床后，企業(yè)不僅能夠有針對性地就各種高精度、生產(chǎn)周期要求短的機(jī)械零件進(jìn)行生產(chǎn)，同時還能進(jìn)一步搶占機(jī)械加工市場，并促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 機(jī)械加工領(lǐng)域創(chuàng)新進(jìn)步的重要渠道

對于以往機(jī)械加工行業(yè)來說，提升加工效率是大多數(shù)企業(yè)的主要發(fā)展目標(biāo)，而面對當(dāng)前要求更高的機(jī)械加工市場，僅提升加工效率已經(jīng)不足以滿足客戶的切實需求。相反，當(dāng)前機(jī)械加工領(lǐng)域更加強(qiáng)調(diào)技術(shù)創(chuàng)新，多通過結(jié)合計算機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的全自動生產(chǎn)[1]。在此背景下，數(shù)控機(jī)床以其加工范圍廣、加工效率高等特點逐漸成為了機(jī)械加工領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢，尤其是其依托于計算機(jī)技術(shù)所擁有的記憶和存儲能力，不僅可最大限度減少機(jī)械加工所用的人力物力，同時也能有效規(guī)避各種機(jī)械生產(chǎn)事故，有助于促進(jìn)機(jī)械加工領(lǐng)域的創(chuàng)新進(jìn)步。

2 普通機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)點

2.1 技術(shù)條件充足

對于當(dāng)前機(jī)械加工領(lǐng)域來說，由于技術(shù)升級速度相對較快，因此企業(yè)并不具備足夠資金來始終確保自身設(shè)備的技術(shù)水平[2]。在此背景下，對已有機(jī)床進(jìn)行實時更新，不僅擁有較為充足的技術(shù)條件，同時還可根據(jù)市場需求及時調(diào)整優(yōu)化方案，進(jìn)而在有限的資金條件下發(fā)揮普通機(jī)床的最大應(yīng)用效益。其中，數(shù)據(jù)顯示，相比于直接購置新機(jī)床，就普通機(jī)床進(jìn)行更新一般可節(jié)省70%左右的費用，再加上升級時間相對較短，符合企業(yè)的快節(jié)奏生產(chǎn)需求。

2.2 維修操作方便

對于數(shù)控機(jī)床來說，雖然一些機(jī)床設(shè)備已經(jīng)擁有了足夠高的技術(shù)水準(zhǔn)，但礙于缺乏專業(yè)的技術(shù)操作人員，很多企業(yè)在引入數(shù)控機(jī)床后整體的應(yīng)用效果并不突出。而對于普通機(jī)床來說，在長期使用過程中，企業(yè)技術(shù)人員已經(jīng)對其具備了足夠的了解和認(rèn)知，因此在機(jī)床改造過程中，企業(yè)能夠?qū)崟r就相應(yīng)的技術(shù)人員進(jìn)行培訓(xùn)教育，不僅技術(shù)人員能夠快速掌握升級后機(jī)床的使用技巧，同時也能大幅縮短更換設(shè)備所用的誤工時間，有助于保障企業(yè)機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行。

3 普通機(jī)床數(shù)控化改造的具體方法

3.1 總體方案設(shè)計

基于普通機(jī)床數(shù)控化改造，我們圍繞C6140機(jī)床進(jìn)行改造，其中，首先借助計算機(jī)技術(shù)對機(jī)床數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并在I/O接口基礎(chǔ)上輸出步進(jìn)脈沖，進(jìn)而在設(shè)置齒輪減速和優(yōu)化滾珠絲杠轉(zhuǎn)動的過程中保障機(jī)床的縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動，具體過程如圖1所示。

圖1 C6140機(jī)床數(shù)控化改造總體方案示意圖

3.2 主體機(jī)械改造

針對C6140機(jī)床數(shù)控化改造，就其主傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動分離是整個改造作業(yè)的關(guān)鍵所在。其中，由于主軸電機(jī)是C6140機(jī)床主傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的主要動力來源，因此應(yīng)在分離后將其主要動力分別歸為單獨的步進(jìn)電機(jī)。同時，考慮到兩個系統(tǒng)需建立一定的運(yùn)動聯(lián)系，因此應(yīng)于主軸上設(shè)置一個脈沖發(fā)生器，并采用滾珠絲杠代替光杠的方式來提升機(jī)床的整體精度和使用效率。此外，應(yīng)就進(jìn)給箱、溜板箱、縱向小拖板等數(shù)控機(jī)床無需使用的零部件進(jìn)行拆除，并以滾珠絲杠來代替橫向拖板上的絲杠，進(jìn)而通過步進(jìn)電機(jī)控制來保障機(jī)床的正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。最后，由于使用滑動導(dǎo)軌的普通機(jī)床其摩擦系數(shù)會隨著速度變化而發(fā)生變化，且很容易出現(xiàn)低速爬行問題，因此需在改造過程中將滑動導(dǎo)軌優(yōu)化為靜壓導(dǎo)軌，并適當(dāng)于導(dǎo)軌處設(shè)置一定的粘接軟帶，進(jìn)而在降低導(dǎo)軌摩擦力的基礎(chǔ)上減少機(jī)床的摩擦力損失。

3.3 刀架改造

對于C6140機(jī)床來說，其采用手動換刀，換刀時間相對較長，且很容易發(fā)生定位不準(zhǔn)的問題，因此，需就機(jī)床刀架進(jìn)行改造，使其滿足現(xiàn)代機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)的高效生產(chǎn)需求。其中，針對非切削時間，將其控制在最低水準(zhǔn)是提升數(shù)控機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)效率的主要路徑，因此，應(yīng)在原有刀架基礎(chǔ)上采用以控制系統(tǒng)直接控制刀架的方式來改善其使用精度，并借助計算機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)刀架抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降等動作的自動化完成。例如，可將刀架改造為圖2的六方刀架，進(jìn)而滿足包括刀架定位、刀架夾緊在內(nèi)的刀架動作需求。

圖2 自動轉(zhuǎn)位六方刀架示意圖

3.4 主軸脈沖發(fā)生器設(shè)計

通過研究我們發(fā)現(xiàn)，C6140機(jī)床的主傳動系統(tǒng)并非不能滿足數(shù)控機(jī)床的精度要求，因此我們?yōu)楣?jié)省改造成本需就原有主傳動系統(tǒng)進(jìn)行保留。但是，考慮到車螺紋等作業(yè)所需主運(yùn)動與進(jìn)給運(yùn)動間的聯(lián)系，需在機(jī)床上設(shè)計一個用于控制主軸系統(tǒng)與進(jìn)給系統(tǒng)動作配合的脈沖發(fā)生器，進(jìn)而滿足車削螺紋等作業(yè)操作的具體需求。其中，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時，車刀會在進(jìn)給系統(tǒng)的控制之下完成螺距的自動進(jìn)給，并按照圖3的電路控制系統(tǒng)實現(xiàn)整個作業(yè)過程。

圖3 車螺紋控制電路示意圖

3.5 傳動裝置設(shè)計

對于數(shù)控機(jī)床來說，傳動裝置是其改造升級的關(guān)鍵所在。其中，考慮到直線運(yùn)動是數(shù)控機(jī)床傳動裝置的主要表現(xiàn)形式，因此將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行優(yōu)化，并配以專門的機(jī)械傳動鏈，是完成數(shù)控化機(jī)床控制的具體原理[4]。同時，針對數(shù)控機(jī)床傳動裝置，由于包括齒輪減速器、絲杠螺母副、導(dǎo)軌、工作臺在內(nèi)的精密部件很容易受到損壞，因此除了應(yīng)保障機(jī)床系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性外，還應(yīng)進(jìn)一步就其定位精度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并確保系統(tǒng)對于跟蹤指令信號的響應(yīng)速度。例如，針對傳動裝置的摩擦力控制，除了可選用滾動絲杠來減少摩擦力外，還應(yīng)就整個傳動裝置進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而從根本上避免各種因摩擦力過大所致的設(shè)備問題。此外，應(yīng)在選擇最佳降速比的基礎(chǔ)上盡可能消除傳動裝置所存在的傳動間隙，最終以此規(guī)避機(jī)床的反向死區(qū)誤差，并確保數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。

3.6 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

針對數(shù)控機(jī)床，如果說軟件設(shè)計是其核心所在，那么硬件設(shè)計便是整個改造過程的關(guān)鍵基礎(chǔ)。其中，針對C6140普通機(jī)床，一般可采用如下措施進(jìn)行硬件升級：首先，針對中央處理單元CPU，考慮到其是整個數(shù)控系統(tǒng)的主要控制動力，因此應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)優(yōu)化其數(shù)據(jù)處理能力和電路協(xié)調(diào)能力，進(jìn)而以此保障數(shù)據(jù)處理單元和各電路間的協(xié)調(diào)作業(yè)；其次，針對包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線在內(nèi)的總線，由于其負(fù)責(zé)連接CPU與機(jī)床存貯器，因此應(yīng)注意就其數(shù)據(jù)傳輸能力進(jìn)行優(yōu)化，盡可能采用較好的連接材料以保障其數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性；再次，針對存貯器，其主要用于存儲數(shù)控機(jī)床的各種數(shù)據(jù)，因此除了需基于軟件優(yōu)化措施更新其存放的各種系統(tǒng)軟件外，還應(yīng)適當(dāng)結(jié)合企業(yè)自身的產(chǎn)品生產(chǎn)需求來就系統(tǒng)功能進(jìn)行拓展，最終借此滿足企業(yè)的發(fā)展要求；最后，針對I/O接口電路，其主要負(fù)責(zé)整個數(shù)控系統(tǒng)與外界信息的交互，因此應(yīng)注重對其人機(jī)交互功能進(jìn)行優(yōu)化，尤其是應(yīng)配以專門的可視化讀寫屏幕來保障技術(shù)人員的便捷操作，由此來使得系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計更加科學(xué)合理。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文圍繞普通機(jī)床數(shù)控化改造，以常見機(jī)床C6140為例進(jìn)行了具體分析，其中，基于近年來日益發(fā)展的機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)，機(jī)械加工企業(yè)需進(jìn)一步予以機(jī)床改造更高重視，并結(jié)合自身生產(chǎn)需求和當(dāng)前技術(shù)環(huán)境選用最佳的改造方案，進(jìn)而以此滿足現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展要求，并促進(jìn)整合機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)進(jìn)步。希望本文的以上內(nèi)容能夠為相關(guān)工作人員提供有效的指導(dǎo)幫助，從而促進(jìn)我國普通機(jī)床數(shù)控化的進(jìn)一步發(fā)展。