普通車床的數控改造方法及設計

湯波紅

摘 要： 目前機床數控化改造的市場在我國還有很大的發展空間，現在我國機床數控化率不到3%。普通機床加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長的問題，在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業的產品、市場、效益，影響企業的生存和發展，必須大力提高機床的數控化率。本文以車床的數控改造為例，介紹了機床數控改造的方法，包括其結構的改造設計、性能與精度的選擇和最后改造方案的確定。

關鍵詞： 數控 改造 機床

一、機床數控改造的意義

1.節省資金

機床的數控改造同購置新機床相比一般可節省60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進行徹底改造升級只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現有地基。

2.性能穩定可靠

因原機床各基礎件經過長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度。

3.提高生產效率

機床經數控改造后即可實現加工的自動化效率比傳統機床提高3至5倍。對復雜零件而言難度越高功效提高得越多。

二、普通車床的數控化改造設計

機床的數控改造，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。

數控車床是機電一體化的典型代表，其機械結構同普通的機床有諸多相似之處。然而，現代數控機床不是簡單地將傳統機床配備上數控系統即可，也不是在傳統機床的基礎上，僅對局部加以改進而成（那些受資金等條件限制，而將傳統機床改裝成建議數控機床的另當別論）。

傳統機床存在一些弱點，如剛性不足、抗震性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數控機床對加工精度、表面質量、生產率和使用壽命等要求。現代數控技術，特別是加工中心，無論是其支承部件、主傳動系統、進給傳動系統、刀具系統、輔助功能等部件結構，還是整體布局、外部造型等都已經發生了很大變化，已經形成了數控機床的獨特機械結構。因此，我們在對普通機床進行數控改造的過程中，應在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標盡可能地與數控機床相接近。

三、數控車床的性能和精度的選擇

并不是所有舊機床都可以進行數控改造，機床改造主要應具備兩個條件：第一，機床基礎件必須有足夠的剛性。第二，改造的費用要合適，經濟性好。在改裝車床前，要對機床的性能指標做出決定。改裝后的車床能加工工件的最大回轉直徑和最大長度、主電動機功率等一般都不會改變。加工工件的平面度、直線度、圓柱度和粗糙度等基本上仍決定于機床本身原有水平。主要有下述性能和精度的選擇需要在改裝前確定。

軸變速方法、級數、轉速范圍、功率及是否需要數控制動停車等。

進給速度：Z向（通常為8～400mm/min）；X向（通常為2～100mm/min）。

快速移動：Z向（通常為1.2～4m/min）；X向（通常為1.2～3m/min）。

脈沖當量：在0.025～0.005mm內選取，通常Z向為X向的2倍。

加工螺距范圍：包括能加工螺距類型（公制、英制、模數、徑節和錐螺紋等），一般螺距在10mm以內都不難達到。

進給運動驅動方式（一般都選用步進電機驅動）。

進給運動傳動是否需要改裝成滾珠絲杠傳動。

刀架是否需要配置自動轉位刀架，若配置需要確定工位數。

以上是車床數控改造時需要考慮的一些通用性能指標，有的車床改造根據需要還會有些專門要求，如車削大螺距螺紋、在惡劣的環境下工作的防塵干擾、車刀高精度對刀等，應有針對性地專門設計。

四、車床數控改造方案選擇

當數控車床的性能和精度等內容基本選定后，可據此確定改造方案。目前機床數控改造技術已經日趨成熟，專用化的機床數控改造系統所具備的性能和功能一般均能滿足車床的常規加工要求。因此，較典型的車床數控改造方案可選擇為：配置專用車床數控改造系統，更換進給運動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、采用步進電機驅動進給運動、配置脈沖發生器實現螺紋加工功能、配置自動轉位刀架實現自動換刀功能。

目前較典型的經濟型專用車床數控改造系統具有下列基本配置和功能：

1.采用單片微機為主控CPU，具有直線和圓弧插補、代碼編程、刀具補償和間隙補償功能、數碼管二坐標同時顯示、自動轉位刀架控制、螺紋加工等控制功能。

2.配有步進電機驅動系統，脈沖當量或控制精度一般為：Z為0.01mm，X向為0.005mm（要與相應導程的絲杠相配套）。

3.加工程序大多靠面板按鍵輸入，代碼編制，掉電自動保護存儲器存儲；可以對程序進行現場編輯修改和試運行操作。

4.具有單步或連續執行程序、循環執行程序、機械極限位置自動限位、超程報警，以及進給速度程序自動終止等各類數控基本功能。

五、車床數控改造實例

CA6140型普通車床的數控化改造主要采用了一種比較簡單但是較為典型的改裝方案，改造后的車床進給運動由步進電機A和B驅動，它們分別安裝在床頭箱內（或床身尾部）和拖板后方，通過減速齒輪和縱橫向絲杠帶動車床的縱橫進給運動。

為使改造后的車床能充分發揮數控車床的效能，縱橫向絲杠螺母副一般需要調換成滾珠絲杠螺母副。當利用原絲杠螺母副時，為了減少改造工作量，縱向驅動電機及減速箱一般裝在床身尾部，這時連接車床原傳動系統（主軸系統）和縱向絲杠傳動的離合器尚未拆除，工作時應使其處于脫開位置。同理，脫落蝸桿等原橫向自動進給機構若未拆除，工作時也應使其處于空檔位置。改造后的進給脈沖當量的量值靠步進電機步距角、減速齒輪比、絲杠導程三者協調確定。三者之間換算關系可以以下式表示：

（θ/360）×（ac/bd）×T=δ

式中θ——步進電機步聚角（度）；

T——所驅動絲杠導程（mm）；

a，b，c，d——齒輪齒數，當單級減數時，令c、d等于1；

δ——脈沖當量值（mm）。

步進電機的參數根據阻力矩及切屑用量的大小和機床型號來選擇，普通車床（如C6140、C620等）的數控改造中多采用0.08——0.15（N·m）靜力矩的步進電機，如選0.08（N·m）的作為橫向進給電機；選0.15（N·m）的作為縱向進給電機。

六、結語

實踐證明普通機床數控化改造具有一定經濟性、實用性和穩定性。其改造涉及機械、電氣、計算機等領域，是一項理論深、實踐強的系統工程。在進行數控改造時，應該做好改造前的技術準備。改造過程中，機械修理與電氣改造相結合，先易后難，先局部后全局。