淺談普通機床的數控化改造

摘要：本文主要分析機床的數控化改造的必要性及其普通機床數控改造的幾大關鍵點，從而分析數控改造機床的優缺點。

關鍵詞：數控機床；數控系統；數控化改造；

1.機床數控化改造的必要性

從微觀上看，數控機床比傳統機床有以下突出的優越性，而且這些優越性均來自數控系統所包含的計算機的威力：可以加工出傳統機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件；可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統機床提高3～7倍；加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要\"修配\"；可實現多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運；擁有自動報警、自動監控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間無人看管加工。

從宏觀上看，工業發達國家的軍、民機械工業，在70年代末、80年代初已開始大規模應用數控機床。其本質是，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。

2.數控化改造的內容

機床與生產線的數控化改造主要內容有以下幾點：其一是恢復原功能，對機床、生產線存在的故障部分進行診斷并恢復；其二是NC化，在普通機床上加數顯裝置，或加數控系統，改造成NC機床、CNC機床；其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度，對其不滿足生產要求的CNC系統以最新CNC進行更新；其四是技術更新或技術創新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規模的技術更新或技術創新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。

3.數控化改造的優缺

其一是減少投資額、交貨期短。同購置新機床相比，一般可以節省60%～80%的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯；其二是機械性能穩定可靠，結構受限。所利用的床身、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造構件，而不是那種焊接構件，改造后的機床性能高、質量好，可以作為新設備繼續使用多年。但是受到原來機械結構的限制，不宜做突破性的改造；其三是熟悉了解設備、便于操作維修。購買新設備時，不了解新設備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機床的加工能力；其四是可充分利用現有的條件。可以充分利用現有地基，不必像購入新設備時那樣需重新構筑地基；其五是可以采用最新的控制技術。可根據技術革新的發展速度，及時地提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。

4.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。

4.1.步進電機拖動的開環系統

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。該系統結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。

4.2.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

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。

4.3.交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環數控系統

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。

5.數控改造中主要機械部件改裝探討

5.1.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。

5.2.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。

5.3.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。

5.4.安全防護

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。

6.數控改造實例

6.1.用SIEMENS 810M改造X53銑床

2001年，用德國西門子810M數控系統、611A交流伺服驅動系統對公司的一臺型號為X53的銑床進行X、Y、Z三軸數控改造；保留了原有的主軸系統和冷卻系統；改造的三軸在機械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、PLC程序的編制與調試、機床大修，最后是整機的安裝和調試。銑床改造后，加工有效行程X/Y/Z軸分別為880/270/280 mm；最大速度X/Y/Z軸分別為5000/1500/800 mm/min；手動速度X/Y/Z軸分別為3000/1000/500 mm/min；機床加工精度達到±0.001mm。機床的三坐標聯動可完成各種復雜曲線或曲面的加工。

參考文獻：

[1] 王愛玲.數控機床結構及應用[M].北京：機械工業出版社，2005.