談機床的數控化改造

畢長有

摘要：從中、小企業設備的實際情況出發，對在普通機床的數控化改造中，如何對數控系統、伺服系統進行選擇，如何對其機械部分進行改造等問題進行了介紹。

關鍵詞：普通機床；數控化；數控機床；改造

現在，機床的改造，特別是把普通機床改造成經濟型數控機床，已經成為了我國廣大企業設備投資的重要組成部分。現將機床改造中要考慮的主要問題介紹如下：

1 伺服系統的選擇

伺服系統是數控機床的重要組成部分，它既是數控系統CNC系統與刀具、主軸間的信息傳遞環節，又是能量放大與傳遞的環節。它的性能在很大程度上決定了數控機床的性能。例如，數控機床的最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標均取決于伺服系統的動態和靜態性能。伺服系統按控制方式分為開環控制系統、半閉環控制系統和閉環控制系統三類。在普通機床的數控化改造中，一般選用價格較低的開環控制系統。該系統的執行元件——伺服電機，通常采用步進電機或永磁式交流伺服電機。

步進電機是采用脈沖數字信號進行控制的，每轉一轉步距誤差自動變為零，易于控制，價格最低。其選擇的關鍵是對參數進行確定。確定參數的具體方法是：先計算電機的步距角，其次確定其步距精度，然后再對它的轉矩進行選擇，最后選定步進電機驅動器。

永磁式交流伺服電機常用于進給驅動系統中，它容量大，結構簡單，運行可靠，效率高，但啟動特性欠佳。其選擇方法是：先確定電機的額定轉速，其次選擇其負載慣量，然后再確定它的額定轉矩，進行電機預選，最后通過進一步的速度、加減速轉矩及連續工作轉矩的驗算確定預選電機是否符合要求。

2 數控系統的選擇

數控系統是數控機床的中樞，是其中最關鍵的環節。目前，市場上數控系統的類型較多，選擇時要保證能購得最適合的系統，就必須要充分考慮改造中各方面的因素。

首先，要考慮被改造機床的功能要求。根據機床的功能要求選擇數控系統，以使數控系統所具有的功能要與準備改造的機床所能達到的功能相匹配。既要避免因偏面追求數控系統的高性能指標，而選擇了功能遠遠多于改造機床功能的系統，造成功能過剩、資金浪費，且在一定程度上還可能潛伏下由于數控系統復雜程度的增加而帶來故障率升高的隱患。又要保證所選數控系統能滿足機床全部功能要求，不要出現一些因必須的系統功能短缺，影響其它功能的使用，使機床的優良性能發揮不出來。

其次，要考慮數控系統的制造廠商。老牌著名跨國公司主要有德國的西門子、日本的發那科和三菱、法國的NVM等，國內公司主要有中華數控、中國珠峰、北京航天等。目前，進口系統的性能尚優于國產系統，但價格也較高，因此適用于大型高精度機床。國產系統功能較簡單，性能較穩定，價格便宜，對一般車床、銑床已能可靠使用，且近幾年國產系統也有長足進步，與世界先進技術的差距越來越小。 第三，要考慮數控系統與其它配件的匹配。如果數控系統、電機及驅動器的品種、牌號太雜，在連接各部件時，就可能會出現輸入與輸出信號的不匹配及在傳送中信號產生滯后等現象。因此，選擇時要優先考慮能提供進給伺服系統和主軸驅動的廠家的數控系統。

另外，在資金允許的條件下，盡量向著名廠家型號系列靠攏。一般著名廠商此類系統零件篩選更嚴格，制造工藝更規范可靠，性能穩定，能更好地預防電器元件的故障或提前失效引起的設備故障，也有利于維修。

3 機床機械部件的改造

數控機床的機械部分在剛度、精度、速度、摩擦磨損等方面較普通機床有更高的要求。因此，不能簡單地認為將數控裝置與普通機床連接在一起就達到了機床數控改造的目的。而是應該從機床自身的價值考慮，分析改造要達到的目標和所需投入。從該機床在本單位產品制造中的地位和重要程度來分析改造價值。對被改造機床的結構、性能、精度等技術現狀作全面分析。其中包括機床原來的結構設計是否符合改造要求，部件結構是否仍然完好，各坐標軸的機械傳動結構及導軌副的形式等是否適用，各項精度是否滿足要求，機床在加工中是否存在故障和歷史上有無出現過重大故障。從該機床的投入產出率估算，確定最終改造方案。

3.1 主傳動系統的改造

在對主傳動系統進行改造時，一般應盡量保留原主軸箱齒輪變速換檔機構，只把主軸的正轉、反轉和停轉由原來的機械控制改變為由數控系統控制。當然，如果為了擴大變速范圍，實現加工過程中的自動變速，也可以將原來的單速電機更換為多速電機，這樣可以使機床性能更好。但多速電機的功率是隨轉速的變化而變化的，所以電機功率要大，且還要增加一套電機變速系統，改裝比較麻煩。對普通機床進行簡易數控改造時，最好不要用這種方法。另外，為了使改裝后的機床主傳動和進給傳動保持必然的聯系，要在主軸箱內安裝一個與主軸同步旋轉的旋轉脈沖編碼器。如普通車床改裝為數控車床時，在主軸箱內裝主軸脈沖編碼器，以保證改造后的車床具備螺紋加工的功能。

3.2 進給傳動系統的改造

在對進給傳動系統進行改造時，一般都應該把原來的進給變速傳動裝置及操縱機構全部拆除。而每個方向的進給傳動都改由各自獨立的功率步進電機，經減速齒輪直接與帶動滑板移動的絲杠連接，分別實現各坐標方向的運動，進行各坐標的控制。例如普通機床的簡易化數控改裝，通常都是把原來由主軸箱到進給箱的傳動路線切斷，且將溜板箱拆除，直接把齒輪減速箱和功率步進電機安裝在縱向絲杠的右端和橫向絲杠的外端。

在對機床進給傳動系統改裝的同時，也要對此傳動系統中的傳動裝置元件進行相應的改造。具體如下：

絲杠。絲杠是將回轉運動轉換為直線運動的傳動裝置。改造時，為了滿足數控機床上較高精度零件的加工要求，應該用滾珠絲杠螺母副替換原普通機床上的梯形絲杠螺母副。滾珠絲杠螺母副把傳動絲杠與螺母之間的滑動摩擦變為了滾動摩擦，使摩擦損失減小，精度保持性、傳動平穩性、傳動效率等都得以提高。其傳動效率可達到92%～98%，是普通絲杠螺母副的3～4倍。

拖板。拖板是數控系統直接控制的對象。不論是點位控制、直線控制，還是輪廓控制，被加工零件的最終坐標精度都將受到拖板運動精度、靈敏度和穩定性的影響。除拖板及相配件精度要高外，由驅動電機到絲杠間的傳動齒輪也要采用間隙消除結構。以滿足傳動精度和靈敏度的要求。常用的消隙方法有剛度調整法和柔性調整法兩種。剛性調整法傳動剛度較好，結構簡單，但調整起來很費時；柔性調整法，一般用彈簧彈力自動消除齒側間隙，傳動剛度較低，傳動平穩性差，結構復雜。改造中，可根據機床加工目標選用。具體選用可參考有關資料。

機床導軌。為了使改造后的機床有較高的開動率和精度保持性，應充分考慮機床導軌的耐磨性。當前國內普通機床床身等大件多采用普通鑄鐵，其摩擦系數較大。改造中，在對達不到預定要求的原機床導軌進行修磨、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

刀架是否需要進行改造，要根據改造后機床主要加工對象來確定。若采用一把刀即可完成本機床上的加工，就沒有必要對刀架進行改造。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，就必須對刀架部件進行改造。即拆掉原手動刀架，裝上電氣或液壓驅動，由數控裝置控制的自動刀架。

機床的數控化改造要考慮的因素很多。除了上面提到的主要內容外，由于機床控制方式的改變，還要對其進行電氣部分的重新設計，機械部分的大修和專項修理，解決調試、安裝等多方面存在的問題。總之，在改造過程中，一定要全面綜合地考慮問題。只有這樣才能改造出性能價格比最優的機床。

參考文獻

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