淺談車床數控化改造的必要性及特點

摘 要：采用先進的數控車床，已經成為當今世界制造業的發展趨勢。把臥式車床改裝成數控車床，是一條提高機床數控化率的具有可行性和經濟性的途徑。

關鍵詞：傳統機床 數控化改造 必要性 特點 步驟

隨著制造業現代化水平的不斷提高，機床數控化率相應提高。利用電子技術和計算機技術對車床進行數控化改造，對提高生產效率、保證加工質量、進一步提高車床設備的先進性，不僅具有可行性，還具有經濟性。本文就車床的數控化改造談幾點看法。

一、車床數控化改造的必要性

數控機床與傳統機床相比有以下突出的優越性，而且這些優越性均與計算機有關。

一是數控機床可以加工出傳統機床不能加工的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。

二是數控機床可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，相比傳統機床效率提高了3～7倍。計算機有記憶和存儲功能，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規定的順序自動去執行，從而實現自動化。數控機床只要更改一個程序，就可以實現另一個工件加工的自動化，從而使單件和小批量生產得以自動化，故被稱作實現了“柔性自動化”。

三是數控機床加工的零件精度高，尺寸分散度小，裝配容易，不再需要修配。

四是數控機床可實現多工序的集中，減小零件在機床間的搬運頻率。

五是數控機床擁有自動報警、自動監控、自動補償等多種自律功能，因而加工可實現長時間無人看管。

由于數控機床具有以上五大優越性，因此大大降低了工人的勞動強度，節省了勞動力，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應。此外，機床數控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統）以及CIMS（計算機集成制造系統）等企業信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業自動化的核心技術和基礎技術。

從宏觀上看，大規模應用數控機床的本質是，采用信息技術對傳統產業（包括軍、民機械工業）進行技術改造。除在制造過程中采用數控機床、FMC、FMS外，還在產品中開發CAD、CAE、虛擬制造，在生產管理中推行MIS（管理系統）、CIMS等，在生產的產品中增加信息技術包括人工智能等，最終使得產品在國際軍品和民品市場上的競爭力大為增強。我國機床擁有量中數控機床的比例（數控化率）還比較低，因此每年都需進口大量機電產品。這也就從宏觀上再次說明了機床數控化改造的必要性。

二、車床數控化改造的特點

與發達國家相比，目前我國車床主要是臥式車床，型號陳舊，技術水平落后，嚴重制約了生產的發展。采用先進的數控車床，已經成為當今世界制造業的發展趨勢。鑒于國內制造業中普通機床的占有率較高，提高車床數控化率有兩個可行的途徑，一是購置新的數控車床，二是把臥式車床改裝成數控車床。

花大量的資金更換全新的數控車床，給企業造成的經濟負擔較大，同時報廢大量的普通車床也是很大的浪費。因此，各個企業可根據自身的情況，酌情提高車床的數控化率，可以購置一批精度高、性能強的數控車床，或數控化改造一批尚有一定精度的臥式車床。

1.臥式車床數控化改造的特點

（1）車床改造針對性強，能滿足生產的要求。因為車床的改造方案是根據原機床中存在的問題提出的，要改哪些地方、改到什么程度都要有的放矢，能與生產結合，可以直接將科學技術轉化為生產力，企業有積極性。

（2）車床改造可以充分利用原車床的絕大部分零、部件，大大節約原材料和資金，見效快，改造周期短，可滿足生產急需。因為舊車床數控化改造中，大部分床身、立柱等基礎件和許多傳動部分都不需更換，費用只有購買新車床費用的l/15～1/10，工期大大縮短，節約了成本。

（3）改造后的車床性能穩定可靠，車床應用范圍得到擴大，能適應多品種、小批量零件的生產。因為車床的大型構件一般是鑄鐵制成的，而鑄鐵件年代越久時效越充分，精度比新鑄件更加穩定。改造不需要改變支撐類大型構件，只需修復或更換中小型部件就可以獲得與新車床類似的效果。改造后的車床功能有較大的提高，除了保有原有功能外，還可以滿足各種復雜型面類零件的加工要求，擴大了車床的應用范圍。

（4）經過數控化改造，可以有效提高工件加工精度和生產效率。改造依據了生產技術的發展要求，及時提高了生產設備的自動化水平和效率，提高了設備質量。

（5）可以充分發揮企業現有技術力量的作用，調動技術人員的積極性，同時對工人技術水平的要求也不會太高。

（6）在改造期間，通過拆解舊車床、裝配新的零部件等改造過程，間接培養了數控人才，讓其對機床的特性有更詳細的了解，從而縮短了操作使用和維護方面的培訓時間，見效快。

2.車床數控化改造的成效

通過車床數控化改造，可以使其具有如下優點：可以加工出臥式車床加工不了的曲線、曲面等復雜零件；可以實現加工柔性自動化，效率比靠凸輪或擋塊等實現模擬自動化的機床高3.7倍；加工精度高，尺寸分散度小，易于裝配；可實現多工序集中加工，提高了加工精度，同時減小了被加工零件在機床間的搬運頻率；擁有自動補償等多種功能，簡化了傳統機床加工工藝中的工序，機床利用率得以大幅提高；若購置一臺新的數控機床，國產數控機床價格也要10萬元，進口設備的價格更高，而對臥式車床進行數控化改造也能滿足實際生產的需要，改造的成本只要2萬～3萬元；由于采用了自動化加工技術，可以大大降低操作者的勞動強度，減少廢品率，提高工作效率。

三、車床數控化改造的基本步驟

1.設計總體改造方案

數控機床由機床、數控系統和外圍設備三部分組成。臥式車床改造的目的是利用數控系統控制原有車床自動完成機械加工任務，提高車床的加工精度和生產率。

在考慮經濟型數控機床改造的具體方案時，所遵循的原則是，在滿足需要的前提下，對原有車床盡可能減少改動量，以降低改造成本。改造中需要解決的問題是：增加數控裝置，設計微機控制裝置或選用經濟型的數控系統；將現有機械傳動的進給控制裝置改造成數控控制的無級自動變速的進給系統；將絲杠換成滾珠絲杠，提高傳動精度；把手動控制的刀架轉位裝置改造成數控裝置控制的自動轉位刀架；加裝脈沖編碼器，實現螺紋的自動切削。若對改造后機床的要求較高，則要改造主軸，重新設計主軸箱，使用主軸伺服電動機或電主軸。

2.數控化改造項目

（1）控制系統的選定。目前市場上數控系統的類型比較多，選擇前首先應對擬改造的臥式車床的功能有一個充分的了解，可按照價格合理、技術先進、服務方便的原則選擇微機系統式數控系統。若選擇微機系統，需要完成軟、硬件的設計，即要完成X軸、Z軸的進給控制。分別完成X、Z向的插補運動，可實現車削端面、外圓、任意錐度圓弧面、球面等加工。為了能夠加工螺紋，配用主軸同步脈沖傳感器，可加工導程在6mm以下的螺紋工件。整個系統屬于開環控制，結構簡單，驅動力大，成本較低，抗干擾性能強，能很好地滿足生產的需要，但是設計工作量大，系統穩定性不高。

另外，還可以根據實際情況選擇經濟型車床的數控系統，調制、安裝簡單，可靠性較高，價格較貴。

（2）機械部分的改造。

①滑動導軌副。對數控車床來說，導軌除了應該具有臥式車床導軌的精度和工藝性外，還要有良好的耐磨性，并減少因摩擦力而致死區。同時還要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響，要有合理的導軌防護和潤滑。一般臥式車床的導軌材料為HT200，機床改造時可在原床鞍下滑面經機械加工后貼一層聚四氟乙烯軟帶。聚四氟乙烯軟帶與鑄鐵配合時，具有良好的減磨性能，動摩擦因數約為鑄鐵的1/8～1/3，能有效地防止機床的爬行。此外，床鞍與床身、中滑板與小滑板應接觸均勻，接觸面積不應小于70%，接觸點數不應小于10點/cm2，這是保證加工精度和尺寸一致性的關鍵之一。

②絲杠傳動副。一般數控車床或數控系統要求采用滾珠絲杠副傳動，目的是為了提高機床的進給精度，減小傳動副的摩擦阻力。根據JB/T 2886—2008絲杠精度標準可知，滾珠絲杠分為九級。臥式車床使用的是7級精度的滑動絲杠。將3級精度的滾珠絲杠與7級精度的滑動絲杠比較，從精度來講，二者的差異并不大，因此建議選用3級滾珠絲杠來替換原有絲杠。這樣的好處是傳動速度快，反向靈敏，精度較高，所需轉矩小。

③拖板系統。拖板的運動是數控系統直接控制的對象，不論是點位控制還是連續控制。被加工零件的最后坐標精度將受拖板運動精度、靈敏度和穩定性的影響，尤其是用步進電動機作為拖動元件的開環系統更是如此。因為數控系統發出的指令僅使拖板運動，而沒有位置檢測和反饋，故實際移動值和系統指令值的差別造成加工誤差。因此，除了床鞍、中滑板（小滑板已被取消）配合精度要求較高外，在傳動裝置的布局上還應采用減速齒輪箱來提高傳動轉矩和傳動精度（分辨率為0.01mm）。

④主軸同步傳感器。主軸同步傳感器的作用就是傳遞信息給數控裝置，保持主軸的速度和刀架進給量一致。安裝時要求機床主軸轉一圈，傳感器也要轉一圈，這樣才能保證發給數控裝置的信號準確，車削螺紋時不亂扣。

⑤車刀刀架的改造。將原來的小滑板拆掉，改用四刀位的自動回轉刀架或盤式回轉刀架，數控系統最多能控制4～12把車刀，可順時針連續換刀。

（作者單位：河南省職業技術培訓教研室）