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
    1,、節(jié)省資金
    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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。
    3,、提高生產(chǎn)效率
. p) U" o; K3 x3 b! u! ~    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,。
8 J* `" J! N  _9 [: ]# X二、普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
    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,。
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(huì)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,。
    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,。
. l2 [8 C% V, {/ i2 w    2,、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)
! e+ K& n' `! _2 u  @    進(jìn)給速度：Z向（通常為8～400mm/min）；X向（通常為2～100 mm/min）,。
! @* ?3 c' p* \2 O6 @3 o' t    快速移動(dòng)：Z向（通常為1.2～4m/min）,；X向（通常為1.2～3m/min）。
/ }! e! k6 u, }& J    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)）,。
    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),。
' R/ F& s$ W! o9 q6 U    6,、其他性能指標(biāo)選擇
    插補(bǔ)功能：車床加工需具備直線和圓弧插補(bǔ)功能。
    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,。  
    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),。
& x4 |  K* x, Q, j  ^    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,。
* w& \( `0 f  @% I: N, o    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(huì)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
* g9 B* X7 ~# Y2 ^2 B9 f: U    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,。
; X; N& c4 O& q    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。
% i/ G: f- _3 q/ d0 K1 r    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）,。
    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(chǔ)器存儲(chǔ),；可以對程序進(jìn)行現(xiàn)場編輯修改和試運(yùn)行操作。
    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。
五,、車床數(shù)控改造實(shí)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(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：  
& `+ m2 g& |0 ~- T( E( j6 C0 |    （θ/360）×（ac/bd）×T=δ  
    式中θ——步進(jìn)電機(jī)步聚角（度）,；  
6 o" g7 i+ V* W6 Z    T——所驅(qū)動(dòng)絲杠導(dǎo)程（mm）;  
. e3 K  x; Q6 q' u$ U9 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）。
3 g' \8 r3 T9 P    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(hào)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),。
    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(hào)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(hào)，數(shù)控系統(tǒng)將刀位信號(hào)與指令刀位信號(hào)進(jìn)行比較,，當(dāng)兩信號(hào)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,。
% M' g% r5 g& O$ G( \0 u    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(huì)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。
3 i8 D6 ~* f+ c5 z    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(tái)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
/ \# N" B8 I5 d7 k    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,。