普通车床的数控化改造

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1、普通车床的数控化改造方旺 【摘 要】随着科学技术的发展,普通机床越来越不能满足市场的需求,其劳动强度大, 危险性高,且不能满足现代科学的批量生产需要,越来越多的企业将普通机床逐渐转 向数控化,因为数控机床可弥补普通机床的许多缺点,可实现加工精度高,多工序的集 中化,自动报警,自动补偿及自动监控的功能.以车床的数控改造为例,介绍了机床数控 改造的方法,包括其结构的改造设计,性能与精度的选择以及最后改造方案的确定.期刊名称】机电工程技术年(卷),期】2010(039)008【总页数】3页(P180-182) 【关键词】 数控机床;改造;主轴【作 者】 方旺【作者单位】 广州机床厂有限公司,广东广州

2、,511430【正文语种】 中 文【中图分类】 TG511 引言我国目前的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且很多是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等问题，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力， 直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提 高机床的数控化率。2 普通车床的数控化改造设计 机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比 较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸 多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统

3、机床配备上数控系统即可， 也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点， 如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙 等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代 的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、 刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变 化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，在对普通机床进行数控改造的过 程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接 近。数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体

4、等四部分组成，其组成 框图如图 1 所示。图1 数控机床的系统组成框图3 数控车床的性能和精度的选择并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一 机床基础件必须有足够的刚性；第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床 前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及 最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度 以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需 要在改装前确定。（1）轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。（2）进给运动：进给速度：Z向（通常为8400m

5、m/min）;X向（通常为2100mm/ min）。快速移动：Z向（通常为1.24m/min）;X向（通常为1.23m/min）。脉冲当量：在0.025 -0.005mm内选取，通常Z向为X向的2倍。加工螺距范围：包括能加工螺距类型 （公制、英制、模数、径节和锥螺纹等），般螺距在10mm以内都不难达到。（3）进给运动驱动方式 （一般都选用步进电机驱动）。（4）给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。（5）刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。（6）其他性能指标选择如下。1）插补功能：车床加工需具备直线和圆弧插补功能。2）刀具补偿和间隙补偿：为了保证定的加工精度，般需考虑设置刀补和间

6、隙 补偿功能。3）显示：采用数码管还是液晶或者显示器显示，显示的位数多少等问题要根据车 床加工功能实际需要确定，般来说，显示越简单成本越低，也容易实现。4）诊断功能：为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作，可在数控改 造系统设计时加入必要的器件和软件，使其能指示出机床出现故障或者功能失效的 部分等，实现有限的诊断功能。4 车床数控改造方案选择当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可据此来确定改造方案。目前机床数 控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能般均 能满足车床的常规加工要求。因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专 用车床数控改造系统，更换进给

7、运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电 机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动 换刀功能。目前较典型的经济型专用车床数控改造系统具有下列基本配置和功能。（1）采用单片微机为主控CPU,具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间 隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。（2 ）配有步进电机驱动系统，脉冲当量或控制精度一般为：Z向为0.01mm，X 向为0.005mm （要与相应导程的丝杠相配套）。（3）加工程序大多靠面板按键输入，代码编制，掉电自动保护存储器存储；可以 对程序进行现场编辑修改和试运行操作。（4）具有单步或连续

8、执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程报 警，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。5 车床数控改造实例图2为C6132车床，该车床的改造属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系 统进行数控化改造，利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采 用步进电动机，车床通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。改造后的机床，能对纵向 横向进给运动进行数字控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01mm /脉冲， 横向最小运动单位0.005mm/脉冲，刀架为自动转位刀架，经改造后的机床能实 现加工外圆、锥度螺纹、端面等的自动控制。图2 C6132普通车床C6132车床总体改造方案为：增配

9、车床数控系统，更换进给运动的滑动丝杠传动 为滚珠丝杠传动，采用步进电动机驱动进给轴运动，加装编码器，配置自动回转刀 架实现自动换刀功能，电气系统数控化改造，以及液压部分的维护。下面就从各个 部分来具体阐述设计方案。（1）数控系统的选型在选择数控系统的型号时，要考虑C6132机床适用于各类机械工厂的单件、中小 批量生产使用，加工精度可达IT7级，且要求C6132车床加工复杂零件，所以数 控系统选择连续型数控系统。国产机床如广州数控设备厂的 GSK980TA 数控系统， 其为两轴联动，功能比较齐全，性能稳定，价格便宜，一般用于经济型的数控机床。 选择数控系统时应该尽量向同一个厂家的型号系列靠拢，这

10、样既有利于维修和管理， 也有利于备件的购买。在改造中可以考虑有类似特点的数控装置。（2）伺服系统的改造设计在普通机床的数控化改造中一般采用步进电动机和交流伺服电动机。交流伺服电动机调速方便，体积小，目前广泛用于数控机床的传动系统。与步进电动机相比，其精度高、价格昂贵，考虑到改造本身是经济型改造，因此一般选用步进电动机作为驱动装置。车床步进电动机采用脉冲数字信号进行控制，每转一转步距误差自动变 为零，能方便地实现调速以及定位，改变各相绕组的接通次序即可实现正反转，数 控车床上大多使用反应式步进电动机。经过全面考虑，在C6132的数控化改造中，选用反应式步进电动机作为纵向和横向的进给驱动。理由是：

11、该系统控制方便，由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱 动电路控制和功率放大后，使步进电动机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行 部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可以控制执行部件运动的 位移量、速度和运动方向。该系统结构简单，易维修，性价比高；考虑改造后的C6132机床精度要求（数控化改造后纵向精度为0.01mm /步，横向精度为0.005mm /步）,加工精度要求不算太高，为了简化结构、降低成本，故选择步 进电动机驱动的开环控制系统。（3）机械结构的改造设计在机械结构的改造设计中，主要针对原车床的进给系统进行数控化改造，主传动系统中保留C6132车床的主轴机械部分和三相交流电动

12、机，车床只是在与主轴同步旋转的轴上，加装一个脉冲编码器，实现螺纹的数控加工。 在进给传动系统中，数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，加工中心驱动元 件采用步进电动机。进给传动机构，纵向和横向均采用步进电动机减速齿轮 滚珠丝杠螺母副床鞍（或中滑板）的传动方式。分别在X轴和Z轴的 步进电动机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，通过减速器齿轮传 动，由滚珠丝杠副把动力传给床鞍，从而带动拖板的移动。为实现机床所需要的分辨率，采用步进电动机经齿轮减速再传动丝杠，同时为保证 一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。改装时先拆除 原机床的进给箱、溜板箱、光杠和丝杠，再换上滚

13、珠丝杠（安装在原丝杠的部位） 在本设计中滚珠丝杠采用循环插管式加工中心、双螺母垫片预紧、导珠管埋人式、 精度等级为3级，型号为JC$-CDM系列滚珠丝杠副。此外，为提高传动刚度和 消除车床间隙，齿轮传动要采用消除齿侧间隙的结构。（4）自动回转刀架的选择设计 自动换刀装置因数控车床的形式、工艺范围和刀具的种类与数量不同而具有不同的 形式。目前常用的有自动回转刀架和带刀库的自动换刀装置。自动回转刀架也称为 转塔式刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的一种自动换刀装置，通过回转 头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。自动回转刀架由数控系统控制，效 率高，工艺性能可靠。根据所加工零件的工艺要求及

14、机床控制方式，在本改造中， 采用四方自动回转刀架。在C6132车床数控改造中，将原机床的普车床通手动回转刀架替换成自动回转刀 架，拆除原刀架和小滑板，换上由常州宏达机床数控设备厂生产的LD4 口 CK6132 lt2E位自动回转刀架。（5）编码盘的选用和安装机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的重加工中心要部分，所以在原来车 床上需加装一个脉冲编码器，才能实现自动加工螺纹的目的。在经济型数控车床上加工螺纹或丝杠时，需要配置主轴脉冲发生器，即编码盘作为 车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信 号，输送到数控系统，数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理，从而控

15、制机床 纵向或横向步进电动机，车床实现加工螺纹的目的。所以进行 C6132 的数控化改 造设计时，决定在主传动系统中加装一个光电码盘。结合脉冲编码器每转进给脉冲数 （即分辨率）对螺纹的加工范围，再结合环境特 性，并根据机床主轴转速不允许超过主轴脉冲发生器的最高许用转速的原则，初步 选择长春三峰传感技术有限公司生产的常规型实心轴光电编码器 PIE 系列编码器。 该系列编码器经济实用，力矩小，规格多，适用于多种数控设备，其最高许用转速 为5000r / min，远大于车床主轴最高转速2000r / min。（6）电气控制系统的改造设计 在电气控制系统的改造设计中，应该遵循：加工中心在满足控制要求的

16、前提下，设 计方案力求简单、经济，不宜盲目追求自动化和高指标，力求控制系统操作简单、 车床使用与维修方便。机床中的主轴电动机、冷却泵电动机、刀架电动机等均需系 统自动控制。C6132车床改造后的电气控制线路由电源电路、主电路、控制电路 和 CNC 控制回路等构成。改造时更换同一型号的老化电器元件有变压器、自动断 路器、接触器等，主要增加的电器元件包括主轴编码盘、X/Z轴驱动器、电动刀 架控制器以及必要的控制开关、继电器等。改造后拆除原电控箱，原位安装改造后 的电控柜，最后还需电气、机修人员共同进行通电调试。数控机床中电气控制系统除了对机床辅助运动和辅助动作控制外，还包括对保护开 关、各种行程、

17、极限开关的控制，以及在操作盘上所有按键、操作指示灯等的控制 改造后的电气控制系统，不仅保留了车床传统控制系统的优点，加工中心同时具有 体积小、功能强、通用性和灵活性强、使用维护方便等特点。（7）液压系统的清洁与维护 在车床数控化改造中一般不需要对机床原来的切削液系统进行改造。用数控系统上 的切削液接口与液压系统的电路连接，通过 CNC 控制，实现切削液的自动开关。 此外，液压系统的清洁程度对液压元件和液压系统的平稳、准确运行有着非常重要 的影响。对 C6132 车床进行数控化改造后，还要仔细检查液压元件，如果发现有已经磨损 老化的元件，如过滤器、空气滤清器、密封圈等，则需要更换，加工中心要确保液 压元件能正常工作，从而保证整个机床系统能正常运作，实现数控车床的性能和加 工特点。在检查、更换、维护后对液压系统循环过滤，清洗整个系统。6 结论经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定的经济性、实用性和稳定性。其改 造涉及到机械、电气、计算机等领域，是一项理论深、实践强的系统工程。在进行 数控改造时，应该做好改造前的技术准备。改造过程中，机械修理与电气改造相结 合，先易后难、先局部后全局。事实也证明：用较少的资金，将普通机床改造升级 为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。