淺談車床數(shù)控化改造的必要性及特點

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

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)機床 數(shù)控化改造 必要性 特點 步驟

隨著制造業(yè)現(xiàn)代化水平的不斷提高，機床數(shù)控化率相應提高。利用電子技術(shù)和計算機技術(shù)對車床進行數(shù)控化改造，對提高生產(chǎn)效率、保證加工質(zhì)量、進一步提高車床設(shè)備的先進性，不僅具有可行性，還具有經(jīng)濟性。本文就車床的數(shù)控化改造談幾點看法。

一、車床數(shù)控化改造的必要性

數(shù)控機床與傳統(tǒng)機床相比有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均與計算機有關(guān)。

一是數(shù)控機床可以加工出傳統(tǒng)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(shù)控機床可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，相比傳統(tǒng)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(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更改一個程序，就可以實現(xiàn)另一個工件加工的自動化，從而使單件和小批量生產(chǎn)得以自動化，故被稱作實現(xiàn)了“柔性自動化”。

三是數(shù)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(shù)控機床可實現(xiàn)多工序的集中，減小零件在機床間的搬運頻率。

五是數(shù)控機床擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而加工可實現(xiàn)長時間無人看管。

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

從宏觀上看，大規(guī)模應用數(shù)控機床的本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還在產(chǎn)品中開發(fā)CAD、CAE、虛擬制造，在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理系統(tǒng)）、CIMS等，在生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)包括人工智能等，最終使得產(chǎn)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(shù)控機床的比例（數(shù)控化率）還比較低，因此每年都需進口大量機電產(chǎn)品。這也就從宏觀上再次說明了機床數(shù)控化改造的必要性。

二、車床數(shù)控化改造的特點

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

花大量的資金更換全新的數(shù)控車床，給企業(yè)造成的經(jīng)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(yè)可根據(jù)自身的情況，酌情提高車床的數(shù)控化率，可以購置一批精度高、性能強的數(shù)控車床，或數(shù)控化改造一批尚有一定精度的臥式車床。

1.臥式車床數(shù)控化改造的特點

（1）車床改造針對性強，能滿足生產(chǎn)的要求。因為車床的改造方案是根據(jù)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(chǎn)結(jié)合，可以直接將科學技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，企業(yè)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(jié)約原材料和資金，見效快，改造周期短，可滿足生產(chǎn)急需。因為舊車床數(shù)控化改造中，大部分床身、立柱等基礎(chǔ)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(jié)約了成本。

（3）改造后的車床性能穩(wěn)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(chǎn)。因為車床的大型構(gòu)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(wěn)定。改造不需要改變支撐類大型構(gòu)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(jīng)過數(shù)控化改造，可以有效提高工件加工精度和生產(chǎn)效率。改造依據(jù)了生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展要求，及時提高了生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高了設(shè)備質(zhì)量。

（5）可以充分發(fā)揮企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)力量的作用，調(diào)動技術(shù)人員的積極性，同時對工人技術(shù)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(yǎng)了數(shù)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(shù)控化改造的成效

通過車床數(shù)控化改造，可以使其具有如下優(yōu)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(xiàn)加工柔性自動化，效率比靠凸輪或擋塊等實現(xiàn)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(xiàn)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?shù)榷喾N功能，簡化了傳統(tǒng)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(shù)控機床，國產(chǎn)數(shù)控機床價格也要10萬元，進口設(shè)備的價格更高，而對臥式車床進行數(shù)控化改造也能滿足實際生產(chǎn)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(shù)，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(shù)控化改造的基本步驟

1.設(shè)計總體改造方案

數(shù)控機床由機床、數(shù)控系統(tǒng)和外圍設(shè)備三部分組成。臥式車床改造的目的是利用數(shù)控系統(tǒng)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(chǎn)率。

在考慮經(jīng)濟型數(shù)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(shù)控裝置，設(shè)計微機控制裝置或選用經(jīng)濟型的數(shù)控系統(tǒng)；將現(xiàn)有機械傳動的進給控制裝置改造成數(shù)控控制的無級自動變速的進給系統(tǒng)；將絲杠換成滾珠絲杠，提高傳動精度；把手動控制的刀架轉(zhuǎn)位裝置改造成數(shù)控裝置控制的自動轉(zhuǎn)位刀架；加裝脈沖編碼器，實現(xiàn)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(shè)計主軸箱，使用主軸伺服電動機或電主軸。

2.數(shù)控化改造項目

（1）控制系統(tǒng)的選定。目前市場上數(shù)控系統(tǒng)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(shù)先進、服務方便的原則選擇微機系統(tǒng)式數(shù)控系統(tǒng)。若選擇微機系統(tǒng)，需要完成軟、硬件的設(shè)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(xiàn)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(tǒng)屬于開環(huán)控制，結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動力大，成本較低，抗干擾性能強，能很好地滿足生產(chǎn)的需要，但是設(shè)計工作量大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高。

另外，還可以根據(jù)實際情況選擇經(jīng)濟型車床的數(shù)控系統(tǒng)，調(diào)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(shù)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(qū)。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(jīng)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(shù)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(shù)不應小于10點/cm2，這是保證加工精度和尺寸一致性的關(guān)鍵之一。

②絲杠傳動副。一般數(shù)控車床或數(shù)控系統(tǒng)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(jù)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(zhuǎn)矩小。

③拖板系統(tǒng)。拖板的運動是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對象，不論是點位控制還是連續(xù)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(wěn)定性的影響，尤其是用步進電動機作為拖動元件的開環(huán)系統(tǒng)更是如此。因為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)一圈，傳感器也要轉(zhuǎn)一圈，這樣才能保證發(fā)給數(shù)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(zhuǎn)刀架或盤式回轉(zhuǎn)刀架，數(shù)控系統(tǒng)最多能控制4～12把車刀，可順時針連續(xù)換刀。

（作者單位：河南省職業(yè)技術(shù)培訓教研室）