機床數控化改造設計研究

◎葉華欣

機床數控化改造設計研究

◎葉華欣

對舊式機床進行數控化改造，在提高產品的加工精度和生產率的同時，減少了能源的消耗和對環境的污染，而且促進資源節約和再利用，實現舊機床產品的高值化利用。

機床數控化改造的意義

我國是一個機床大國，目前機床的保有量達700多萬臺，然而廢舊機床的數目也相當龐大，這些機床面臨大修提升，甚至功能性報廢或技術性淘汰，同時我國的機床數控化率不足3%，而發達國家已經超過20%。這使我國機械生產效率、精度始終處于一種長期不理想的狀態，從而使我們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，導致在國際市場上缺乏競爭力。大規模的引進國外先進機床，雖然可以提高我國的制造水平，然而這樣就需要大量的資金，且一直處于技術迎進的狀態。而那些老的、廢舊的機床沒有發揮它們應有的價值，造成資源大面積的浪費。而機床數控化改造是突破我國現在制造瓶頸的一種有效且可行的方法。

機床數控化總體改造

機床導軌改造。普通機床的導軌多數采用滑動導軌，這種導軌的缺點是靜摩擦系數大，在低速時易出現爬行現象，直接影響運動部件的平穩性和定位精度。為了克服這一缺點，數控改造時，若把滑動導軌改為滾動導軌或靜壓導軌，要求工藝復雜，許多零部件需要加工或更換，改裝工作量大、費用多、周期長，實現起來較困難，在一般的數控改造中應用較少。常用的改裝方案是采用貼塑導軌，即在原來導軌上粘貼聚四氟乙烯導軌軟帶。這樣能有效防止爬行，具有自潤滑性，延長導軌壽命。且零部件不需要更換，加工部位少，改裝工作量小、周期短、費用低。

拖板的改進。不論是點位控制、直線控制，還是輪廓控制，被加工零件的最終坐標精度都將受到拖板運動精度、靈敏度和穩定性的影響。除拖板及相配件精度要高外。由驅動電機到絲杠間的傳動齒輪也要采用間隙消除結構，以滿足傳動精度和靈敏度的要求。常用的消除間隙的方法有剛度調整法和柔性調整法。剛性調整法傳動剛度較好，結構簡單，但調整起來很費時。柔性調整法一般用彈簧彈力自動消除齒側間隙，傳動剛度較低，傳動平穩性差，結構復雜，改造中可根據機床加工目標選用，具體選用可參考有關資料。

主軸旋轉精度調整與維修。主軸旋轉精度調整與維修包括調整錐形螺紋松緊度、更換主軸軸承及采用電刷鍍技術修復軸承座孔磨損。

保證齒輪精度。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，機床主要齒輪須滿足數控機床要求，以保證機床加工精度。

主傳動機械部分的改進。為了滿足各種加工要求，要使主軸從低到高獲得多種不同轉速。普通機床的主軸一般通過主軸齒輪箱實現多級變速，并且變速時一般還需由手工拉動撥叉進行換擋。一般機械齒輪擋數較多，變速箱結構復雜，體積龐大，在運轉過程中，尤其高速運轉時，振動和噪聲較大，會對零件加工精度產生不良影響。數控機床可以采用交流或直流電動機無級調速，并為擴大輸出扭矩，增加了24擋齒輪減速。對舊機床進行數控改造，可考慮采用交流變頻調速，即仍然利用原主軸交流電動機，再配備上相應的變頻器。而對于原主軸齒輪箱部分，應根據齒輪箱的結構和機械磨損程度，考慮改進或保留主軸齒輪箱，由于采用無級變速，可減少變換擋數，對于手動換擋應考慮采用電氣自動換擋。

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。一般情況下滑動絲杠應不低于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零件的加工。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，可降低電機啟動力矩，因此可滿足較高精度零件加工要求。

縮短傳動鏈：進給系統的改進主要是減少進給箱內的齒輪對數。縮短進給傳動鏈，由伺服電機直接驅動絲杠或只有一級變速裝置，這樣可大大減少傳動鏈各級之間的誤差傳遞，同時增加傳動元件，消除間隙裝置，提高反向精度。普通機床在數控化改造時，往往是取消原進給箱，換成僅一級減速的進給箱或同步帶傳動。傳遞元件要有消除或減小間隙的裝置并由伺服電機直接驅動。目前，我國自行研制的經濟型數控系統，大多采用步進電機作為伺服系統，其步進脈沖當量多為0.0lmm，實際加工出的零件，綜合誤差可小于0.05mm，其控制精度要比目前手工操作高很多。提升系統控制精度的主要工作是選擇合適性價比的數控系統及相應的伺服系統。

數控系統的選擇。在實際工程中，數控系統的選擇存在以下問題：①功能選擇不合理，或是所選系統的功能遠多于改造后機床的功能，或是一些必需的系統功能沒有購買。前者會造成成本浪費，后者會造成功能的短缺，影響其他功能的使用而造成損失。②系統檔次與機床檔次不匹配。造成了系統功能的浪費或機床的優良性能發揮不出來。③數控系統、電機及驅動器的品種和牌號太雜，在連接各部件時會出現輸入／輸出信號不匹配及在傳送中信號產生滯后。這些問題的解決關鍵在于要根據機床本身的精度、結構、性能要求和價位，恰當選擇數控系統，一般遵循下列原則：①根據數控機床的類型選擇，如車、銑、磨等類型。②根據數控機床的性能指標選擇。如：支持的最小移動單位、刀補數量等。盡量選擇既能滿足性能指標要求，性價比又較高的系統。③基本功能和選擇功能的選取。如果基本功能能夠滿足，盡量不購買選擇功能。但功能要一次訂全，避免裝機后因不能增補一些功能而造成整體功能降低。④優先考慮能成套提供進給伺服系統和主軸驅動器的廠家及內置PLC的系統。

進給伺服系統的選擇及伺服驅動裝置的確定。伺服系統按照控制方式可分為開環、閉環、半閉環伺服系統。閉環伺服系統能夠及時地把運動部件的位置、速度等信息反饋給伺服系統，伺服系統在與實際信息進行比較后及時發出補償控制命令，從而減少了誤差的可能性，提高了精度。所以，當要求定位誤差范圍內時，可采用閉環控制系統。這樣各種影響定位精度的因素都可以得以補償。但是，考慮到閉環系統的調試和維修困難的缺點，選擇伺服系統時要綜合考慮系統的穩定性、成本及機床規格大小等因素。

目前大多數伺服驅動裝置都已經形成系列，所以在設計過程中可以根據需要合理選擇。步進電機驅動系統可以把輸入的數字指令信號轉換為相應的角位移，通過電機定子的換相次數(脈沖數)來決定步進電機的轉角，通過換相的頻率決定電機的轉速，而電機的轉向則由通電順序決定。由于步進電機成較低，又易于實現計算機控制，故被廣泛應用在開環數控系統中。而在閉環或半閉環系統中多采用響應速度快、精度和效率高、調速范圍較寬、負載能力較大、控制特性優良的直流伺服電動機。

機床再制造不是一般人所理解的對廢舊機床進行翻新和恢復性能的過程。舊機床的改造有較大的經濟效益和社會效益，要想實現機床的高精度、高速度等性能，只有更全面地考慮各方面因素，才能改造出高質量的數控機床，才能更好的提高我們現階段的制造水平。

（作者單位：龍巖出入境檢驗檢疫局）