臥式車床的數控化改造

【摘要】數控機床是多品種小批量生產的高效自動化的技術群體，它是把多工序加工、切削處理、刀具磨損和測量等各種功能集為一體的自動化機床。我國是世界上機床產量最多的國家，但數控機床的產品競爭力在國際市場中仍處于較低水平，在目前形式下將一大批閑置的普通機床或是舊數控系統的機床進行改造、升級，以較小的投入盡快使這批設備在生產中發揮效能、創造效益，是許多制造業企業正在做的一項工作。

【關鍵詞】數控機床；數控系統；改造

1.引言

近年來我國企業的數控機床占有率逐年上升，在大中企業己有較多的使用，在中小企業甚至個體企業中也普遍開始使用。國內市場對數控機床有大量的需求，目前的現狀是國外機床產品大量充斥著市場，通過生產和進口數控機床并不能滿足我國日益增長的制造業需求，而淘汰大型企業原有的大量普通金屬切削機床不但會造成很大的浪費，而且會因為缺乏資金購買大量的數控機床來填補淘汰普通金屬切削機床后的機床空缺，造成停產。所以，目前數控化改造是適應我國制造業迅猛發展，資金短缺，舊有機床所占比例大的國情所需。進行機床改造可以節省資金、提高生產效率，使機床性能穩定可靠，縮短了生產準備周期，提高企業效益。

機床的數控化改造，主要是對原有機床的結構進行創造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態。本文主要闡述了對普通臥式車床進行的數控化改造。主要做了以下幾方面的工作：第一，對機床存在的故障部分進行診斷并恢復原功能。第二，加數控系統，改造成數控機床。第三，為提高精度、效率和自動化程度，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對電氣控制部分進行重新設計和接線。

2.數控機床概述

數控機床是數字控制機床（Computer num-erical control machine tools）的簡稱，或者說裝備了數控系統的機床。數控機床是機電一體化的典型產品，是集機床、計算機、電動機及控制、電力電子技術、自動控制、PLC、檢測等技術為一體的自動化設備。

數控系統是所有數控機床的核心。數控系統對輸入的加工程序進行數據處理，輸出各種信息和指令，控制主軸、進給軸和其他輔助裝置正確、及時和可靠地執行加工程序所規定的任務。數控系統一般由輸入/輸出裝置，數控裝置，驅動控制裝置，輔助控制裝置四部分組成，機床本體為被控對象。

3.數控系統的選擇

數控系統的選擇應根據改造后要達到的精度，各種性能指標等選用性價比合適，技術先進的數控系統，當然還要考慮售后維修服務的便捷性。數控系統的選擇主要依據是數控化改造后要達到的各種精度，以及驅動電動機的功率和用戶要求。

目前，市場上生產數控系統的廠家很多，比較著名有：國外的如德國的SIEMENS公司，日本的FANUC公司；國內的如武漢華中數控股份有限公司，廣州數控設備廠，北京藍天數控公司。

FANUC數控系統以其高質量、低成本、高性能、較全的功能，適用于各種機床和生產機械等特點，在市場的占有率遠遠超過其他的數控系統。FANUC數控系統將控制單元與LCD集成于一體，具有網絡功能和超高速串行數據通信功能。

4.電氣控制電路設計

在電氣控制系統的改造設計中，應該遵循：在滿足控制要求的前提下，設計方案要簡單、經濟，控制系統操作簡便，使用與維修方便。機床中的主軸電動機，冷卻泵電動機，刀架電動機等控制功能實現系統自動控制。改造過程中更換同一型號的老化電器元件有變壓器，自動斷路器，接觸器等，主要增加的電氣元件包括主軸編碼器，X/Z軸驅動器，電動刀架控制器以及必要的控制開關，繼電器等。改造后拆除原電控箱，原位安裝改造后的電氣柜，最后還需電氣和機修人員共同進行通電調試。

4.1 主軸電路

改造后的數控車床主軸采用變頻器驅動三相交流異步電機實現主軸無級調速，去除機床原有的主軸變速箱，可以獲得更好的操作性能和切削性能。變頻器采用日本三菱公司的D720型通用變頻器。

4.2 伺服驅動控制電路

在普通車床的數控化改造中一般采用步進電動機和交流伺服電機。交流伺服電動機調速方便，體積小，目前廣泛用于數控機床的傳動系統。經全面考慮，選用FANUC公司的交流伺服電動機作進給驅動，組成半閉環控制系統。半閉環控制系統在伺服機構中裝有角位移檢測裝置——旋轉編碼器，通過檢測伺服機構的角位移間接檢測移動部件的直線位移，然后反饋到數控裝置中，與輸入的指令位移值進行比較，用比較后的差值進行控制，直到差值為零。這種伺服機構所能達到的精度、速度和動態特性優于開環伺服機構，一般在大多數中小型數控機床使用。

FANUC伺服驅動部分從硬件結構上分，主要有四個部分：

（1）軸卡：在全數字伺服控制中，將伺服控制的調節方式、數學模型甚至脈寬調制以軟件的形式融入系統軟件中，而硬件支撐采用專用的CPU或DSP等，這些部件最終集成在軸控制卡。軸卡的主要作用是速度控制與位置控制。

（2）放大器：接收軸卡（通過光纜）輸入的光信號轉換為脈寬調制信號，經過前級發達驅動IGBT模塊輸出電機電流。

（3）伺服電機：放大器輸出的驅動電流產生旋轉磁場，驅動轉子旋轉。

（4）反饋裝置：由電機軸直連的脈沖編碼器作為半閉環反饋裝置。

軸卡接口COP10A輸出脈寬調制指令，并通過FSSB（Fanuc Serial Servo Bus發那科串行伺服總線）光纜與伺服放大器接口COP10B相連，伺服放大器整形放大后，通過動力線輸出驅動電流到伺服電機，電機轉動后，同軸的編碼器將速度反饋和位置反饋到FSSB總線上，最終回到軸卡上進行處理，如圖1所示。

4.3 刀架控制

數控車床的刀架是機床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的結構和性能體現了機床的設計和制造技術水平，對刀架的設計和控制要求如下：

（1）轉位準確可靠，工作平穩安全。

（2）按最短路線就近選擇，轉位時間短。

（3）換刀時間短，刀具重復定位精度高，刀具存儲量足夠，結構緊湊及安全可靠等。

（4）防水，防屑，密封性能優良。

（5）夾緊剛度高，適宜重負荷切削，回轉刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受機床在切削加工時的切削抗力。

根據臥式車床的型號和主軸中心高度，選擇自動回轉刀架，拆除原手動刀架后裝上自動回轉刀架，并用墊板來調整其中心高。此刀架可實現多刀夾持、自動轉位、具有重復精度高、剛性好、使用壽命長等特點。

5.結論

該臥式車床改造后，大大提高了加工效率，提高了零件的加工質量，節約了資金，縮短了生產周期，是工廠進行機械設備技術化改造的成功案例。

參考文獻

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