機床的數控化改造方法

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 對機床數控化的改造及其必要性

在發達國家，工業的發展已經從上世紀的七八十年代就進入了數控工業的發展階段，數控機床的使用也是在那個時候開始發展起來的。本質上就是建立在信息技術發展上的軍、民機械工業的信息化改造。信息化的生產以其獨有的不可超越的優勢占領了工業生產，而信息技術對工業發達的國家的機械工業的改造即信息化的深入，使得其工業技術產生了質的飛躍，因此他們的產品在國際市場上的綜合競爭力大大加強，無論是軍用品還是民用品領域。而對于我國，由于種種原因，在信息化技術的發展上相對落后于國際發達國家，因而，在機械工業的信息化技術改造上也落后了近乎二十年。例如，我國在數控機床的使用上，在1995 年的時候才只占到了整體機床數量比重的1.9%，而同時期的日本，則已經達到了20.8%是我國的十倍。這就是為什么我國每年都會大量的進口機電產品的最主要的原因，機床的數控化改造勢在必行。

2 如何改造

2.1 改造內容

對于機床的數控化改造包括了對機床的改造以及對生產線的改造，主要內容有：首先是恢復原有功能。即首先對機床以及生產線存在的故障進行維修診斷；其次是NC化。即將數顯裝置安裝到普通的機床上，或者是增加數控系統。是機床成為NC 機床或者是CNC 機床；再者，是翻新。因為老舊的機床對于工件的加工的精度以及效率還有自動化的程度都會產生不良影響，因此對機械部分老舊部件應當重新翻新或裝配，恢復精度和更新；最后，是在技術上進行更新和創新。機械性能的提升以及機床新工藝的應用，新技術的推廣都要在原有的工藝和設備基礎上進行，因此在改造的過程中可以進行大規模的革新，以此提高整體的技術水平以及生產檔次。

2.2 數控系統的選擇

數控系統主要有三種類型，改造時應根據具體情況進行選擇。

步進電機拖動的開環系統，如圖1 所示，該系統的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數控系統送 出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執行部件。只要控制指令脈沖的數量、頻率以及通電順序，便可控制執行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環系統，該系統的位移精度主要取決于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節距精度。

異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環數控系統，如圖2 所示。該系統與開環系統的區別是：由光柵、感應同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅動執行機構，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環進給系統在結構上比開環進給系統復雜，成本也高，對環境室溫要求嚴。設計和調試都比開環系統難。但是可以獲得比開環進給系統更高的精度，更快的速度，驅動功率更大的特性指標。

交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環數控系統，圖3 所示。半閉環系統檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執行部件的位置。它只能補償系統環路內部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環系統的精度低，但是它的結構與調試都較閉環系統簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機做成一個整體時，則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。

3 數控改造中主要機械部件改裝探討

一臺新的數控機床，在設計上要達到：有高的靜動態剛度；運動副之間的摩擦系數小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數控改造時應盡量達到上述要求。不能認為將數控裝置與普通機床連接在一起就達到了數控機床的要求，還應對主要部件進行相應的改造使其達到一定的設計要求，才能獲得預期的改造目的。

滑動導軌副。對數控車床來說，導軌除應具有普通車床導向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區。同時要有足夠的剛度，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。

齒輪副。一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高。在結構上要能達到無間隙傳動，因而改造時，機床主要齒輪必須滿足數控機床的要求，以保證機床加工精度。

滑動絲杠與滾珠絲杠。絲杠傳動直接關系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應不低于6 級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。

滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運動時力矩相接近，可以降低電機啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。

安全防護。改造效果必須以安全為前提。在機床改造中要根據實際情況采取相應的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。

[1]進口機床的數控化技術改造.中國科學院沈陽計算技術研究所，2003.

[2]數控系統及機床數控化改造.杭州電子科技大學，2007.