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普通車(chē)床的數控改造方法及設計

日期：2014-08-21 10:06:29 作者： 來(lái)源： 瀏覽次數：0
    目前機床數控化改造的市場(chǎng)在我國還有很大的發(fā)展空間，現在我國機床數控化率不到3％。用普通機床加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長(cháng)，從而在國際、國內市場(chǎng)上缺乏競爭力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機床的數控化率。本文以車(chē)床的數控改造為例，介紹了機床數控改造的方法，包括其結構的改造設計，性能與精度的選擇以及最后改造方案的確定。
    機床數控改造的意義
    1）節省資金。 機床的數控改造同購置新機床相比一般可節省60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進(jìn)行徹底改造升級也只需花費購買(mǎi)新機床60%的費用，并可以利用現有地基。
    2）性能穩定可靠。因原機床各基礎件經(jīng)過(guò)長(cháng)期時(shí)效，幾乎不會(huì )產(chǎn)生應力變形而影響精度。
    3） 提高生產(chǎn)效率。 機床經(jīng)數控改造后即可實(shí)現加工的自動(dòng)化效率可比傳統機床提高 3至5倍。對復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，不僅節約了費用而且可以縮短生產(chǎn)準備周期。
    1 普通車(chē)床的數控化改造設計
    機床的數控改造，主要是對原有機床的結構進(jìn)行創(chuàng )造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。數控車(chē)床是機電一體化的典型代表，其機械結構同普通的機床有諸多相似之處。然而，現代的數控機床不是簡(jiǎn)單地將傳統機床配備上數控系統即可，也不是在傳統機床的基礎上，僅對局部加以改進(jìn)而成（那些受資金等條件限制，而將傳統機床改裝成建議數控機床的另當別論）。傳統機床存在著(zhù)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代的數控技術(shù)，特別是加工中心，無(wú)論是其支承部件、主傳動(dòng)系統、進(jìn)給傳動(dòng)系統、刀具系統、輔助功能等部件結構，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)形成了數控機床的獨特機械結構。因此，我們在對普通機床進(jìn)行數控改造的過(guò)程中，應在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標盡可能地與數控機床相接近。
    2 數控車(chē)床的性能和精度的選擇
    并不是所有的舊機床都可以進(jìn)行數控改造，機床的改造主要應具備兩個(gè)條件：第一，機床基礎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(chē)床前，要對機床的性能指標做出決定。改裝后的車(chē)床能加工工件的最大回轉直徑以及最大長(cháng)度、主電動(dòng)機功率等一般都不會(huì )改變。加工工件的平面度、直線(xiàn)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、轉速范圍、功率以及是否需要數控制動(dòng)停車(chē)等。
    2）進(jìn)給運動(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）。
    脈沖當量：在0.025～0.005mm內選取，通常Z向為X向的2倍。
    加工螺距范圍：包括能加工螺距類(lèi)型（公制、英制、模數、徑節和錐螺紋等），一般螺距在10mm以?xún)榷疾浑y達到。
    3）進(jìn)給運動(dòng)驅動(dòng)方式（一般都選用步進(jìn)電機驅動(dòng)）。
    4）給運動(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)轉位刀架，若配置需要確定工位數。
    6）其他性能指標選擇：
    插補功能：車(chē)床加工需具備直線(xiàn)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，一般需考慮設置刀補和間隙補償功能。
    顯示：采用數碼管還是液晶或者顯示器顯示，顯示的位數多少等問(wèn)題要根據車(chē)床加工功能實(shí)際需要確定，一般來(lái)說(shuō)，顯示越簡(jiǎn)單成本越低，也容易實(shí)現。
    診斷功能：為防止操作者輸入的程序有錯和隨之出現的錯誤動(dòng)作，可在數控改造系統設計時(shí)加入必要的器件和軟件，使其能指示出機床出現故障或者功能失效的部分等，實(shí)現有限的診斷功能。
    以上是車(chē)床數控改造時(shí)需要考慮的一些通用性能指標，有的車(chē)床改造根據需要還會(huì )有些專(zhuān)門(mén)的要求，如車(chē)削大螺距螺紋、在惡劣的環(huán)境下工作的防塵干擾、車(chē)刀高精度對刀等，這個(gè)時(shí)候應有針對性的專(zhuān)門(mén)設計。
    3 車(chē)床數控改造方案選擇
    當數控車(chē)床的性能和精度等內容基本選定后，可根據此來(lái)確定改造方案。目前機床數控改造技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，專(zhuān)用化的機床數控改造系統所具備的性能和功能一般均能滿(mǎn)足車(chē)床的常規加工要求。因此，較典型的車(chē)床數控改造方案可選擇為：配置專(zhuān)用車(chē)床數控改造系統，更換進(jìn)給運動(dòng)的滑動(dòng)絲杠傳動(dòng)為滾珠絲杠傳動(dòng)、采用步進(jìn)電機驅動(dòng)進(jìn)給運動(dòng)、配置脈沖發(fā)生器實(shí)現螺紋加工功能、配置自動(dòng)轉位刀架實(shí)現自動(dòng)換刀功能。
    目前較典型的經(jīng)濟型專(zhuān)用車(chē)床數控改造系統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(xiàn)和圓弧插補、代碼編程、刀具補償和間隙補償功能、數碼管二坐標同時(shí)顯示、自動(dòng)轉位刀架控制、螺紋加工等控制功能。
    2） 配有步進(jìn)電機驅動(dòng)系統，脈沖當量或控制精度一般為：Z為0.01mm，X向為0.005mm（要與相應導程的絲杠相配套）。
    3）加工程序大多靠面板按鍵輸入，代碼編制，掉電自動(dòng)保護存儲器存儲；可以對程序進(jìn)行現場(chǎng)編輯修改和試運行操作。
    4）具有單步或連續執行程序、循環(huán)執行程序、機械極限位置自動(dòng)限位、超程報警，以及進(jìn)給速度程序自動(dòng)終止等各類(lèi)數控基本功能。
    4 車(chē)床數控改造實(shí)例
    如圖1-1所示為CA6140型普通車(chē)床數控化改造例，它采用了一種比較簡(jiǎn)單但是較為典型的改裝方案，改造后的車(chē)床進(jìn)給運動(dòng)由步進(jìn)電機A和B驅動(dòng)，它們分別安裝在床頭箱內（或床身尾部）和拖板后方，通過(guò)減速齒輪和縱橫向絲杠帶動(dòng)車(chē)床的縱橫進(jìn)給運動(dòng)。（插圖1-1）
    為使改造后的車(chē)床能充分發(fā)揮數控車(chē)床的效能，縱橫向絲杠螺母副一般需要調換成滾珠絲杠螺母副。當利用原絲杠螺母副時(shí)，為了減少改造工作量，縱向驅動(dòng)電機及減速箱一般裝在床身尾部，這時(shí)連接車(chē)床原傳動(dòng)系統（主軸系統）和縱向絲杠傳動(dòng)的離合器尚未拆除，工作時(shí)應使處于脫開(kāi)位置。同理，脫落蝸桿等原橫向自動(dòng)進(jìn)給機構若未拆除，工作時(shí)也應使其處于空檔（空擋）位置。改造后的進(jìn)給脈沖當量的量值靠步進(jìn)電機步距角、減速齒輪比、絲杠導程三者協(xié)調確定。三者之間換算關(guān)系可以以下式表示：
    （θ/360）×（ac/bd）×T=δ
    式中θ——步進(jìn)電機步聚角（度）；
    T——所驅動(dòng)絲杠導程（mm）;
    a,b,c,d——齒輪齒數，當單級減數時(shí)，令c、d等于1；
    δ——脈沖當量值（mm）。
    步進(jìn)電機的參數根據阻力矩及切屑用量的大小和機床型號來(lái)選擇，普通車(chē)床（如C6140、C620等）的數控改造中多采用0.08——0.15（N·m）靜力矩的步進(jìn)電機，如選0.08（N·m）的作為橫向進(jìn)給電機；選0.15（N·m）的作為縱向進(jìn)給電機。
    若需要，可將原刀架換成自動(dòng)轉位刀架，則可以用程序數控轉換刀具進(jìn)行切屑加工。當數控系統發(fā)出換刀信號時(shí)，首先繼電器K1動(dòng)作，換刀電動(dòng)機正轉驅動(dòng)蝸輪蝸桿機構，使上刀體上升。當上刀體上升到一定的高度時(shí)，離合轉盤(pán)起作用，帶動(dòng)上刀體旋轉進(jìn)行選刀。刀架上方的發(fā)信盤(pán)中對應每個(gè)刀位都安有一個(gè)傳感器，當上刀體旋轉到某個(gè)刀位時(shí)，該刀位的傳感器向數控系統輸出信號，數控系統將刀位信號與指令刀位信號進(jìn)行比較，當兩信號相同時(shí)，說(shuō)明上刀體已旋轉到所選刀位。此時(shí)數控系統控制繼電器K1釋放，繼電器K2吸合，換刀電動(dòng)機反轉，活動(dòng)銷(xiāo)在反靠盤(pán)上初定位。在活動(dòng)銷(xiāo)反靠的作用下，螺桿帶動(dòng)上刀體下降，直到齒牙盤(pán)咬合，完成精定位，并通過(guò)蝸輪蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固。此時(shí)數控系統控制繼電器K2釋放，換刀電動(dòng)機停轉，完成換刀動(dòng)作。也可以保留原刀架仍采用手動(dòng)轉換刀具，但在換刀時(shí)必須設置程序暫停。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)電機準確地配合主軸的旋轉而產(chǎn)生相應的進(jìn)給運動(dòng)，即保證主軸每轉一轉，車(chē)刀移動(dòng)一個(gè)導程。
    上述改造方案中，不更換絲杠方法當數控系統出現故障時(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動(dòng)方式。另外，拖板與床身的導軌不夠平行或垂直，以及兩者之間摩擦力過(guò)大，絲杠軸線(xiàn)與導軌間存在平行度誤差等問(wèn)題均會(huì )使驅動(dòng)阻力增加。為了減阻力以提高步進(jìn)電機的力矩有效率和加工精度.
    機床改造完畢后，還應該對其進(jìn)行安裝調試及驗收。一般來(lái)說(shuō)，應特別注意安裝的位置和基礎，使機床處于良好穩定的工作環(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)行數控系統的連接。當完成數控系統的調整，具備了機床聯(lián)機通電試車(chē)的條件，可切斷數控系統的電源，連接電動(dòng)機的動(dòng)力線(xiàn)，恢復報警設定，準備通電試車(chē)。試車(chē)的目的是考核機床的安裝是否穩固，各傳動(dòng)、操縱、控制、潤滑、液壓、氣動(dòng)等系統是否正常和靈敏可靠。改造后的數控機床的驗收是和安裝調試工作同步進(jìn)行的。一臺機床數控改造完好后的檢測驗收工作是一項復雜的工作，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(jìn)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，其中應特別注意機床數控功能的檢驗，最后得出該機床的綜合評價(jià)。
    5 結論
    經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證明普通機床數控化改造具有一定經(jīng)濟性、實(shí)用性和穩定性。其改造涉及到機械、電氣、計算機等領(lǐng)域，是一項理論深、實(shí)踐強的系統工程。在進(jìn)行數控改造時(shí)，應該做好改造前的技術(shù)準備。改造過(guò)程中，機械修理與電氣改造相結合，先易后難、先局部后全局。
    關(guān)鍵詞：車(chē)床數控方法

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