普通車床數控化改造研究與應用

孫寶平

摘 要：目前，市場上擁有大量的普通機床，其自動化程度低，已遠遠不能適應現代生產的需要。作為先進加工技術的標志，數控機床具有明顯優勢，能適應現代化加工要求。購買新的數控機床成本高，許多企業在短時間內無法實現。因此把普通機床進行數控化改造，是一條很好的捷徑。本文通過對CA6132普通車床的數控化改造研究，較系統地闡述了普通車床數控改造的技術方案及要點。

關鍵詞：自動化；數控機床；數控化改造

0 引言

數控機床一般由由輸入/輸出裝置、數控裝置（CNC）、伺服驅動及位置檢測裝置、輔助控制裝置、機床本體等幾部分組成。

所謂機床數控化改造，就是應用現有的數控技術，在普通機床上，加裝數控裝置，并對機床的局部結構進行改造，使機床全部或局部達到新數控機床的水平，具有一定的自動加工能力，以適應生產的具體要求。

本課題來源于某公司。該公司屬于老企業，近年來主要生產發動機配件及農機配件，許多老設備已經不能滿足生產技術的要求，但若購置新設備，投資較大，企業承受不起。想通過對在本公司應用最多的CA6132普通機床進行數控改造，探索出一條設備功能提升的路子。

通過對設備的具體分析及對目前我國數控技術的的了解，認為國產數控系統完全能夠滿足改造要求。具體的改造方案如下：

（1）數控系統和伺服系統的選擇；從功能性、經濟性、可靠性方面選擇合適的數控系統。

（2）對主運動及進給運動系統進行改造；1）主傳動部分的改造。主要是主軸動力的改造。方法是：將主軸電動機換成變頻調速電動機，調速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構。通過改造后，機床的主運動和進給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉。2）進給機構的改造。改造后，伺服電動機動力經一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動后，來驅動縱向、橫向進給。而將原機床的掛輪機構、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除。

（3）數控機床輔助裝置的選擇；

（4）整機聯接調試。

1 數控系統選擇

數控系統的選擇主要考慮以下幾點：一是盡量選擇與公司內現有數控機床同一個型號的數控系統。以便于管理和維修，二是從經濟方面考慮，數控機床改造，能夠滿足要求即可。

針對本課題而言，數控系統應滿足如下功能：縱向、橫向進給伺服系統應能。獨立運動且能被數控裝置控制；該系統應具有縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能；能進行循環加工和螺紋加工；具有定位功能。

綜合以上因素，進口系統雖可靠性好，技術先進，但價格昂貴，用來改造數控機床顯然性價比較低。國產系統近年來技術進步很快，可靠性也有了大幅提高，因此，本次改造，通過各方面權衡，決定采用國產華中世紀星HNC-21T系統。

2 主運動系統改造方案

（1）主軸總體設計。采用“變頻器+三相異步電動機”的改造方案，即不用主軸箱，采用皮帶輪將主軸電機與主軸連接，實現無級變速。

（2）光電編碼器的安裝。數控車床上要加工螺紋或絲杠，需要配置光電編碼器。普通車床加工螺紋時，是通過掛輪來完成的，加工不同的螺紋則需不同的掛輪，改造后的車床將主運動和進給運動分開，但是為了能加工螺紋，需脈光電碼器把主軸運動和進給運動聯系起來。它與車床主軸同步轉動，發出主軸轉角位置變化信號輸送到數控系統，數控系統按照所需加工的螺距進行計算處理，實現準確加工螺紋的目的。

脈沖編碼器安裝在主軸箱內，通過一對傳動比為1：1的同步齒形帶與主軸聯系起來，即異軸安裝。這樣，克服了同軸安裝不能加工傳出車床主軸孔的零件的缺點。

工作時，主軸脈沖編碼器與主軸同步旋轉，并將信號傳給數控裝置，數控裝置收到主軸轉速信號后，控制伺服電動機的轉速，使進給運動配合主軸轉速，保證主軸每轉一轉，螺紋車刀移動一個螺紋導程。同時保證每次進給都在工件的同一點切入，防止亂扣。

3 進給部分改造

（1）縱向進給機構的改造。保留齒輪箱體，以保證調速和足夠的動力，采用滾珠絲杠替代原絲杠，滾珠絲杠兩端采用原固定方式，仍安裝在原絲杠的位置。安裝時注意用百分表校驗絲杠與導軌的平行度，拖板與導軌的垂直度，由于滾珠絲杠的摩擦系數小于原絲杠，從而使縱向進給整體剛性略優于以前。

（2）橫向進給機構改造。保留原有的支撐結構和手動機構，將原來的絲杠換成滾珠絲杠，滾珠絲杠仍然安裝在原絲杠位置，兩端采用原來的安裝方式，安裝時注意用百分表校驗絲杠與導軌的垂直度。

齒輪箱體與伺服電機安裝在中拖板的后側，縱、橫向伺服電機都采用一級齒輪減速器（1：1）與滾珠絲杠連接。

（3）自動回轉刀架的安裝。自動換刀功能，是數控機床的基本功能，在數控機床改造中，大都使用四方、五方或六方自動轉位刀架。本設計中采用LD4型系列四工位自動螺旋式轉位刀架。其由數控裝置中的內置PLC來控制。

安裝時，將原機床小滑板，安裝在中滑板上即可。在安裝時，注意刀架刀臺的兩側面應與車床的縱向、橫向進給方向相同。

4 進給伺服系統的選擇

經過認真對進給伺服系統性能及經濟性比較，并根據計算，X軸與Z軸都選用華中數控有限公司生產的HSV-16-020型全數字伺服驅動模塊。

HSV-16是一款全數字交流伺服驅動器該驅動器。具有結構小巧、使用方便、可靠性高等特點。

5 整機連線與調試

根據數控系統和進給系統的手冊進行整機聯線，就可以進入調試階段。

（1）伺服參數調整。根據實際加工需求，對伺服參數進行調整。

（2）機床誤差補償。1）反向間隙誤差補償；2）螺距誤差補償。螺距誤差補償值=機床指令坐標-機床實際測量位置。

進過檢測與調整，能夠達到預期要求。

6 結束語

本文通過對國內外機床數控改造市場的了解和分析，提出了對普通車床的數控化改造方法和對進口數控機床數控系統的改造方法。

數控車床的改造在數控機床改造中是最容易實現的，而改造的環境和條件千差萬別。數控機床改造還包括數控銑床、加工中心等。今后需要在這些方面深入研究下去，為數控機床改造盡微薄之力。