機床數(shù)控化改造機電設(shè)計和聯(lián)調(diào)

    本文首先介紹了機床數(shù)控化改造的必要性，然后簡單介紹了機床數(shù)控化改造的內(nèi)容及其的優(yōu)缺點，而重點在于介紹如何進行機床數(shù)控化改造，包括數(shù)控改造中對主要機械部件改裝探討、機床數(shù)控改造主要步驟和聯(lián)機調(diào)試要完成的工作。

一、機床數(shù)控化改造的必要性

數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心技術(shù)，它的整體水平標志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的水平和綜合國力的強弱，具有超越其經(jīng)濟價值的戰(zhàn)略物資地位。目前我國企業(yè)機械制造整體水平與發(fā)達國家相比還有很大的差距。由于我國企業(yè)大部分數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)依賴進口，企業(yè)承受不了巨額購置費，且易受國外的控制，另外數(shù)控機械設(shè)備維修力量薄弱，進口的備件維修成本高，設(shè)備完好率低，大部分進口機床數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)崩潰，有的甚至在進口后還沒使用就已因為各方面原因不能使用等等。因此目前我國企業(yè)機床數(shù)控化比例極低，不到5%，各企業(yè)使用的絕大部分為傳統(tǒng)老式機床，很難滿足企業(yè)高技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)需求和生產(chǎn)效率。為節(jié)約成本，進一步發(fā)揮老式傳統(tǒng)機床的功效和潛在價值，將大批傳統(tǒng)老式機床改造為數(shù)控機床是一種必然性和趨勢。

二、機床數(shù)控化改造的分類

機床的數(shù)控化改造可以分為以下幾種：

1、其一是恢復(fù)原功能，對機床存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)；

2、其二是NC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機床、CNC機床；

3、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(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進行更新；

4、其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。

三、機床數(shù)控化改造的內(nèi)容

下面按第三種改造方式以車床數(shù)控化改造為例，結(jié)合我公司在機床改造中的實際操作情況介紹一下其改造的主要內(nèi)容和主要結(jié)構(gòu)形式。

1、進給軸的改造

普通車床的X軸和Z軸均由同一電機驅(qū)動，走刀運動經(jīng)走刀箱傳動絲杠及溜板箱，獲得不同的工件螺距即Z軸運動；走刀運動經(jīng)走刀箱傳動光桿及溜板箱，獲得不同的進刀量即X軸運動。普通車床數(shù)控化改造時一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用進給伺服（或步進）傳動鏈分別代替，具體體現(xiàn)為：

Z軸：縱向電機→減速箱（或聯(lián)軸器）→縱向滾珠絲杠→大拖板，縱向按數(shù)控指令獲得不同的走刀量和螺距。

X軸：橫向電機→減速箱（或聯(lián)軸器）→橫向滾珠絲杠→橫滑板，橫向按數(shù)控指令獲得不同的走刀量。

改造后整個傳動鏈的傳動精度在保證機床剛性的前提下，與滾珠絲杠副的選擇和布置結(jié)構(gòu)形式、機床導(dǎo)軌的精度情況等有很大的關(guān)系。

1）、滾珠絲杠副的選擇和布置結(jié)構(gòu)形式

普通車床大多采用的是T型絲杠等滑動絲杠副，與滾珠絲杠副相比摩擦阻力大、傳動效率低，不能適應(yīng)于高速運動。另外由于磨損快，造成其精度保持性和壽命低等等，在進行普通機床數(shù)控化改造時往往都將其更換為滾珠絲杠副。滾珠絲杠副有以下一些特點：摩擦損失小，傳動效率高，可達0.90～0.96；若使用的絲杠螺母預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高傳動剛度；摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關(guān)，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；磨損小、壽命長、精度保持性好。但應(yīng)注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，因此絲杠立式和傾斜使用時，應(yīng)增加制動裝置或平衡裝置。

滾珠絲杠副根據(jù)其滾珠的回轉(zhuǎn)方式可以分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種，根據(jù)螺母的結(jié)構(gòu)形式又可以分為雙螺母和單螺母。在進行改造時應(yīng)根據(jù)具體情況和結(jié)構(gòu)形式來定，由于外循環(huán)式絲杠副螺母回珠器在螺母外邊，所以很容易損壞而出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，而內(nèi)循環(huán)式的回珠器在螺母副內(nèi)部，不存在卡死和脫落現(xiàn)象。由于雙螺母不僅裝配、預(yù)緊調(diào)整等比單螺母方便，而且其傳動剛性比單螺母也好，所以只要結(jié)構(gòu)和機床空間滿足要求，在普通機床數(shù)控化改造中多選內(nèi)循環(huán)式雙螺母結(jié)構(gòu)。

改造時各軸滾珠絲杠的直徑一般都是與原T型絲杠直徑相近，對有特殊要求的機床還應(yīng)根據(jù)桿系的穩(wěn)定性計算其臨界轉(zhuǎn)速，最終確定滾珠絲杠的直徑。絲杠導(dǎo)程在滿足機床改造后性能的前提下越小，對機床的傳動精度越有利。機床的傳動精度在保證機床剛性的情況下，與絲杠副本身的精度和軸承布置形式有很大的關(guān)系，一般在普通機床改造中絲杠副選P4級即可滿足要求，特殊精密機床選P3級甚至更高。絲杠副軸承常見的布置形式根據(jù)不同的需要可以分為以下幾種，如圖1。

圖1 絲杠副軸承的布置形式

(1).圖1－a中為一端固定，一端懸空的布置方式。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度低，僅適應(yīng)于短絲杠，如數(shù)控機床的調(diào)整環(huán)節(jié)或升降臺式數(shù)控銑床的垂直坐標中。

(2).圖1－b中為一端固定，一端支承的布置方式。這種安裝方式多在絲杠較長，轉(zhuǎn)速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承得數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時多用更經(jīng)濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。

(3).圖1－c和1－d中為兩端固定的布置方式。這種布置方式絲杠副得支承剛性最好，通過軸承的預(yù)緊力預(yù)拉伸絲杠，以減少絲杠熱變形的影響。這種方式多用在絲杠長度不大得情況，但設(shè)計時要注意提高平面球軸承的承載能力、支承剛度以及絲杠裝配時的預(yù)拉伸量，否則會影響軸承壽命，同時也會因為預(yù)加負載得不易控制而增加電機的附加扭矩。

2）、機床導(dǎo)軌

普通車床導(dǎo)軌大多采用的是滑動導(dǎo)軌，其動、靜摩擦系數(shù)大，在使用一段時間后都會有不同程度的磨損，對機床傳動精度和其保持性帶來很大的影響。因此在對其進行數(shù)控化改造的同時必須針對機床導(dǎo)軌狀況進行必要的檢修處理，對于磨損較嚴重的更要進行大修，即進行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時采用合理的潤滑，充分保證其精度。

3）、電機與絲杠的聯(lián)接

在滿足機床要求的前提下，為減少中間環(huán)節(jié)帶來的傳動誤差，我們多將電機與絲杠副通過聯(lián)軸器直接聯(lián)接，這要根據(jù)改造中實際情況來定。一般對于小型車床如C6116型，由于空間尺寸有限，特別是X軸，電機與絲杠副不能直聯(lián)，多采用齒輪副或同步帶論來傳動；對于大型車床如C6150,床身長5米的車床，由于絲杠較長，直徑較大，除了要考慮傳動力的問題，還要考慮其低速性能及加減速慣量匹配的問題，往往電機都要通過幾級減速來傳動。無論是采用齒輪還是同步帶論來傳動，其傳動間隙的消除是比較關(guān)鍵的。齒輪傳動中常用的方法有錯齒消隙法、偏心軸調(diào)整法等等，同步帶論傳動中多采用調(diào)整中心距或張緊輪消隙法。

2、主軸部分的改造

車床主軸帶動工件以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)是車削加工中的主運動，消耗機床大部分動力。普通車床由主電動機經(jīng)皮帶傳動，經(jīng)主軸變速箱帶動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸箱經(jīng)手動或自動變速獲得（9～24）級轉(zhuǎn)速，通過電磁或液壓離合器操縱主軸的變速和正反轉(zhuǎn)；而數(shù)控車床主軸箱由電主軸或傳統(tǒng)機械主軸單元加變頻電機和變頻器組成。普通車床在數(shù)控化改造時大部分情況下保留原主軸箱，不做改動或少做改動。如需改動則要注意以下幾點：

如原主軸含液壓操縱主軸的變速、正反轉(zhuǎn)和潤滑功能，則需對其增裝單獨普通電機加以驅(qū)動，避免液壓系統(tǒng)受到主電機正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速變換而失靈。

如不需要原有機械變速換擋時，則需將主軸箱內(nèi)齒輪組固定在一恒定的速度鏈上，摩擦片也應(yīng)焊死以免因為誤操作出現(xiàn)事故。

機床能否進行螺紋加工是主軸部分數(shù)控化改造的另一重要部分，傳統(tǒng)車床加工螺紋時往往是通過掛輪組來完成，加工不同的螺紋則需不同的掛輪組，操作起來十分麻煩。改造時如圖2，我們通常在主軸末端或掛輪架處增裝一光電編碼器，其轉(zhuǎn)速與主軸轉(zhuǎn)速一致，主軸轉(zhuǎn)一周，光電碼盤轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，通過反饋給系統(tǒng)控制進給軸與主軸的同步性，從而加工出理想螺距的螺紋。根據(jù)其編碼方式的不同，光電碼盤可分為增量式光電碼盤和絕對式光電碼盤，目前國內(nèi)常用的為增量式光電碼盤。根據(jù)光電碼盤上刻線條數(shù)可分為1024線、2048線等，我們常用的為1024線即可滿足要求。

圖2 主軸編碼器安裝圖

3、刀架部分的改造

目前數(shù)控車床刀架基本為電動刀架，其特點是定位更準確、迅速。老式傳統(tǒng)車床刀架多為手動、液壓驅(qū)動或少部分的電動，改造時可以根據(jù)需要對其加以更換。

電動刀架可分為臥式轉(zhuǎn)塔刀架（一般安裝8～12把刀）和立式電動刀架，立式電動刀架有四工位（或六工位），其中每一種刀架又有抬刀刀架（兩端齒盤）和免抬刀刀架（三端齒盤）之分。臥式轉(zhuǎn)塔刀架價格相對較貴，改造中常用立式四工位電動刀架。

4、潤滑部分的改造

老式傳統(tǒng)車床除主軸箱外，導(dǎo)軌、絲杠副、光桿等多用油槍定期注油潤滑和油脂潤滑，這對機床的導(dǎo)軌、絲杠副等的精度保持很不利，在同等驅(qū)動下機床運動的穩(wěn)定性、靈活性也差一些。

圖3 機床的潤滑

在對這些機床改造時一般都要對其潤滑部分進行相應(yīng)的改動，，采用稀油集中定量、定時供油潤滑的方式，可分為手控潤滑和編程自動潤化兩種，在機床導(dǎo)軌、絲杠副布置好油路后可根據(jù)需要任選一種。

絲杠支承軸承一般采用油脂潤滑，如特殊需要和供油充分的條件下也可采用稀油潤滑。

5、機床防護

機床改造后整個防護分局部防護、半防護和全防護三種。

局部防護只對絲杠副、電機、走線等采取防護措施。半防護是在局部防護的基礎(chǔ)上增加切削的保護，即增加擋屑裝置。全防護即在局部防護的基礎(chǔ)上對整個機床加以封閉，此種防護最難處理，考慮的因素也很多如安裝位、防水、美觀等。實際操作起來以前兩種最多，也最易操作。

四、機床數(shù)控化改造的聯(lián)調(diào)

機床安裝、系統(tǒng)各參數(shù)按要求設(shè)置完成之后，在機電聯(lián)調(diào)時還需完成各種動作試驗、功能試驗、空運轉(zhuǎn)、負荷試驗，檢驗機床數(shù)控化改造后是否滿足要求。

1、空運轉(zhuǎn)前的檢查

通電前機床外觀檢查（檢查機床各部位的裝配質(zhì)量，使他們能在通電后正常工作）。

（1）重要固定結(jié)合面應(yīng)緊密貼合，用0.03塞尺檢查時應(yīng)該插不進，滑動導(dǎo)軌面的端部用0.03塞尺檢查深度小于20mm。重要固定結(jié)合面為床頭箱與床身的結(jié)合面，轉(zhuǎn)塔刀架底座與滑板的結(jié)合面，尾座體與尾座底板的結(jié)合面，床身與床身（拼結(jié)床身）的結(jié)合面，鑲鋼導(dǎo)軌與基礎(chǔ)件的結(jié)合面等。

（2）仔細檢查各個箱體及各個運動部件是否按要求加油，箱體中的油平面不得低于油標線以下。冷卻箱中是否有足夠的冷卻液，液壓站、自動間歇潤滑裝置的油是否到油位指示器規(guī)定的油位，電器控制箱中的各開關(guān)及元器件是否正常，各插裝集成電路板是否到位，通電啟動集中潤滑裝置使各潤滑部位及潤滑油路充滿潤滑油。

2、各種動作試驗

（1）手動操作試驗

如車床依靠手動使刀架沿X、Z正負方向運動和單向進給運動。主要是試驗手動操作的準確性，此功能多在加工對刀時要用。

（2）點動試驗

在點動狀態(tài)下使刀架先慢后快運動，并進行倍率變換。

（3）主軸變檔試驗

主軸變擋試驗可按說明書中規(guī)定的變檔指令進行。

（4）超程試驗

各軸做正負兩個方向的超程試驗。機床超程保護有兩種，一是軟件存儲極限保護，另一種硬件保護。超程狀態(tài)表現(xiàn)為控制機報警和屏幕上有顯示，另外液壓站電源切斷。如果超程保護不起作用，將造成機械部件損壞。

3、功能試驗

（1）功能試驗

用按鍵、開關(guān)、人工操縱對機床進行功能試驗。試驗其動作的靈活性、平穩(wěn)性以及功能的可靠性。

（2）任選一種主軸轉(zhuǎn)速做主軸啟動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止（包括制動）的連續(xù)試驗，連續(xù)操作不少于七次。

（3）主軸高、中、低轉(zhuǎn)速變換試驗。轉(zhuǎn)速的指令值與顯示值允差為±5%。

（4）任選一種進給量，將啟動、進給和停止動作連續(xù)操作，在X、Z軸的全部行程上，連續(xù)做工作進給和快速進給試驗?？焖傩谐虘?yīng)大于1/2全行程，正反方向連續(xù)操作不少于七次。

（5）在X、Z軸的全行程上，做低、中、高進給量變換試驗。

（6）轉(zhuǎn)塔刀架進行正反方向轉(zhuǎn)位和各種轉(zhuǎn)位夾緊試驗。

（7）液壓、潤滑、冷卻系統(tǒng)做密封、潤滑、冷卻性能試驗，做到不滲漏。

（8）卡盤做夾緊、松開、靈活性及可靠性試驗。

（9）主軸做正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止及變換主軸轉(zhuǎn)速試驗。

（10）進給機構(gòu)做低、中、高進給量及快速進給的變換試驗。

（11）用數(shù)字控制指令進行機床的功能試驗，試驗動作的靈活性和功能的可靠性。

（12）試驗進給坐標超程、手動數(shù)據(jù)輸入、位置顯示、回基準點，程序序號顯示和檢索、程序暫停、程序刪除、直線插補、直線切削循環(huán)、錐度切削循環(huán)、螺紋切削循環(huán)、圓弧切削循環(huán)、刀具位置補償、螺距補償、間隙補償?shù)裙δ艿目煽啃浴幼黛`活性等。

4、空運轉(zhuǎn)試驗

（1）主運動機構(gòu)運轉(zhuǎn)試驗

在不切削狀態(tài)下，試驗主軸運轉(zhuǎn)時間的溫度變化和空載功率。機床主運動機械由低、中、高三檔轉(zhuǎn)速，有級變速為全部轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時間不少于2分鐘，在最高轉(zhuǎn)速段不得少于1小時，使主軸軸承達到穩(wěn)定溫度。檢查主軸軸承的溫度不超過70℃。

（2）連續(xù)空運轉(zhuǎn)試驗

用數(shù)控程序指令全部功能做（不切削）連續(xù)運動和回轉(zhuǎn)試驗。其運動時間不大于15分鐘。每個循環(huán)終了停車，并模擬松卡工作，停車不超過一分鐘，根據(jù)客戶不同的要求連續(xù)運轉(zhuǎn)48h～72h。

5、試切

在機床各項幾何精度和運動精度滿足要求后，應(yīng)按相應(yīng)標準和自定標準加工工件，以檢測機床數(shù)控化改造后的加工性能。有的除了要進行必要的精加工外，還要進行一定的負荷試驗，以檢查其精度的穩(wěn)定性。

在上述各項試驗滿足要求后，機床數(shù)控化改造后的聯(lián)調(diào)工作也就完成了。