机床数控化改造机电设计和联调

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本文首先介绍了机床数控化改造的必要性，然后简单介绍了机床数控化改造的内容及其的优缺点，而重点在于介绍如何进行机床数控化改造，包括数控改造中对主要机械部件改装探讨、机床数控改造主要步骤和联机调试要完成的工作。
一、机床数控化改造的必要性
数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业现代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。因此目前我国企业机床数控化比例极低，不到5%，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。
二、机床数控化改造的分类
机床的数控化改造可以分为以下几种：
) n, O# }: q, |4 @9 t+ \1、其一是恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复；
# r" o. x& z9 B2、其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；
3、其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；
6 y" ~0 v4 x7 c4、其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。
, F4 J3 A  l" W( Z6 j$ P" E三、机床数控化改造的内容
下面按第三种改造方式以车床数控化改造为例，结合我公司在机床改造中的实际操作情况介绍一下其改造的主要内容和主要结构形式。
3 E6 b# c5 i" X  }( K4 W/ K1、进给轴的改造
) S$ }$ x. g& Z( z% P普通车床的X轴和Z轴均由同一电机驱动，走刀运动经走刀箱传动丝杠及溜板箱，获得不同的工件螺距即Z轴运动；走刀运动经走刀箱传动光杆及溜板箱，获得不同的进刀量即X轴运动。普通车床数控化改造时一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用进给伺服（或步进）传动链分别代替，具体体现为：
# F" V3 f1 w' ]  h9 G& W+ S: dZ轴：纵向电机→减速箱（或联轴器）→纵向滚珠丝杠→大拖板，纵向按数控指令获得不同的走刀量和螺距。
X轴：横向电机→减速箱（或联轴器）→横向滚珠丝杠→横滑板，横向按数控指令获得不同的走刀量。
改造后整个传动链的传动精度在保证机床刚性的前提下，与滚珠丝杠副的选择和布置结构形式、机床导轨的精度情况等有很大的关系。
1）、滚珠丝杠副的选择和布置结构形式
( [6 }6 Z2 \4 N7 q1 t2 S普通车床大多采用的是T型丝杠等滑动丝杠副，与滚珠丝杠副相比摩擦阻力大、传动效率低，不能适应于高速运动。另外由于磨损快，造成其精度保持性和寿命低等等，在进行普通机床数控化改造时往往都将其更换为滚珠丝杠副。滚珠丝杠副有以下一些特点：摩擦损失小，传动效率高，可达0.90～0.96；若使用的丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；磨损小、寿命长、精度保持性好。但应注意，由于滚珠丝杠副不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动，因此丝杠立式和倾斜使用时，应增加制动装置或平衡装置。
滚珠丝杠副根据其滚珠的回转方式可以分为外循环和内循环两种，根据螺母的结构形式又可以分为双螺母和单螺母。在进行改造时应根据具体情况和结构形式来定，由于外循环式丝杠副螺母回珠器在螺母外边，所以很容易损坏而出现卡死现象，而内循环式的回珠器在螺母副内部，不存在卡死和脱落现象。由于双螺母不仅装配、预紧调整等比单螺母方便，而且其传动刚性比单螺母也好，所以只要结构和机床空间满足要求，在普通机床数控化改造中多选内循环式双螺母结构。
改造时各轴滚珠丝杠的直径一般都是与原T型丝杠直径相近，对有特殊要求的机床还应根据杆系的稳定性计算其临界转速，最终确定滚珠丝杠的直径。丝杠导程在满足机床改造后性能的前提下越小，对机床的传动精度越有利。机床的传动精度在保证机床刚性的情况下，与丝杠副本身的精度和轴承布置形式有很大的关系，一般在普通机床改造中丝杠副选P4级即可满足要求，特殊精密机床选P3级甚至更高。丝杠副轴承常见的布置形式根据不同的需要可以分为以下几种，如图1。

' ^8 L6 B5 _) o9 m3 G& J0 M图1 丝杠副轴承的布置形式
, c4 H  w& K% @/ e(1).图1－a中为一端固定，一端悬空的布置方式。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。
3 V" O5 c! Q+ d( A8 p$ ~% ](2).图1－b中为一端固定，一端支承的布置方式。这种安装方式多在丝杠较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承得数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。
/ y# K, g9 @# H  T2 C5 ]( n* ?6 k(3).图1－c和1－d中为两端固定的布置方式。这种布置方式丝杠副得支承刚性最好，通过轴承的预紧力预拉伸丝杠，以减少丝杠热变形的影响。这种方式多用在丝杠长度不大得情况，但设计时要注意提高平面球轴承的承载能力、支承刚度以及丝杠装配时的预拉伸量，否则会影响轴承寿命，同时也会因为预加负载得不易控制而增加电机的附加扭矩。
/ Z; e, T6 ?. b% B' H2 z5 Q2）、机床导轨
普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床传动精度和其保持性带来很大的影响。因此在对其进行数控化改造的同时必须针对机床导轨状况进行必要的检修处理，对于磨损较严重的更要进行大修，即进行磨削、淬火、贴塑、配刮等处理，同时采用合理的润滑，充分保证其精度。
3）、电机与丝杠的联接
在满足机床要求的前提下，为减少中间环节带来的传动误差，我们多将电机与丝杠副通过联轴器直接联接，这要根据改造中实际情况来定。一般对于小型车床如C6116型，由于空间尺寸有限，特别是X轴，电机与丝杠副不能直联，多采用齿轮副或同步带论来传动；对于大型车床如C6150,床身长5米的车床，由于丝杠较长，直径较大，除了要考虑传动力的问题，还要考虑其低速性能及加减速惯量匹配的问题，往往电机都要通过几级减速来传动。无论是采用齿轮还是同步带论来传动，其传动间隙的消除是比较关键的。齿轮传动中常用的方法有错齿消隙法、偏心轴调整法等等，同步带论传动中多采用调整中心距或张紧轮消隙法。
* f2 x, X1 P" G! r0 F+ n, d2、主轴部分的改造
车床主轴带动工件以不同转速旋转是车削加工中的主运动，消耗机床大部分动力。普通车床由主电动机经皮带传动，经主轴变速箱带动主轴旋转，主轴箱经手动或自动变速获得（9～24）级转速，通过电磁或液压离合器操纵主轴的变速和正反转；而数控车床主轴箱由电主轴或传统机械主轴单元加变频电机和变频器组成。普通车床在数控化改造时大部分情况下保留原主轴箱，不做改动或少做改动。如需改动则要注意以下几点：
如原主轴含液压操纵主轴的变速、正反转和润滑功能，则需对其增装单独普通电机加以驱动，避免液压系统受到主电机正反转或转速变换而失灵。
/ v' W& z) z! K; J如不需要原有机械变速换挡时，则需将主轴箱内齿轮组固定在一恒定的速度链上，摩擦片也应焊死以免因为误操作出现事故。
& P3 w- j3 _8 d% B2 G+ X机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的另一重要部分，传统车床加工螺纹时往往是通过挂轮组来完成，加工不同的螺纹则需不同的挂轮组，操作起来十分麻烦。改造时如图2，我们通常在主轴末端或挂轮架处增装一光电编码器，其转速与主轴转速一致，主轴转一周，光电码盘转一转，通过反馈给系统控制进给轴与主轴的同步性，从而加工出理想螺距的螺纹。根据其编码方式的不同，光电码盘可分为增量式光电码盘和绝对式光电码盘，目前国内常用的为增量式光电码盘。根据光电码盘上刻线条数可分为1024线、2048线等，我们常用的为1024线即可满足要求。

图2 主轴编码器安装图
3、刀架部分的改造
% Y/ T& b1 k3 s; H5 ~* g% G目前数控车床刀架基本为电动刀架，其特点是定位更准确、迅速。老式传统车床刀架多为手动、液压驱动或少部分的电动，改造时可以根据需要对其加以更换。
电动刀架可分为卧式转塔刀架（一般安装8～12把刀）和立式电动刀架，立式电动刀架有四工位（或六工位），其中每一种刀架又有抬刀刀架（两端齿盘）和免抬刀刀架（三端齿盘）之分。卧式转塔刀架价格相对较贵，改造中常用立式四工位电动刀架。
1 ^. Z3 B1 o) S/ ]4、润滑部分的改造
- D( K% h- H' x老式传统车床除主轴箱外，导轨、丝杠副、光杆等多用油枪定期注油润滑和油脂润滑，这对机床的导轨、丝杠副等的精度保持很不利，在同等驱动下机床运动的稳定性、灵活性也差一些。

3 [8 L5 J) V2 p7 U7 {图3 机床的润滑
$ e8 F6 e: f  I. z7 j- Z; L6 S- B在对这些机床改造时一般都要对其润滑部分进行相应的改动，，采用稀油集中定量、定时供油润滑的方式，可分为手控润滑和编程自动润化两种，在机床导轨、丝杠副布置好油路后可根据需要任选一种。
丝杠支承轴承一般采用油脂润滑，如特殊需要和供油充分的条件下也可采用稀油润滑。
6 T7 W/ i. }4 e/ Y! [' D5、机床防护
机床改造后整个防护分局部防护、半防护和全防护三种。
局部防护只对丝杠副、电机、走线等采取防护措施。半防护是在局部防护的基础上增加切削的保护，即增加挡屑装置。全防护即在局部防护的基础上对整个机床加以封闭，此种防护最难处理，考虑的因素也很多如安装位、防水、美观等。实际操作起来以前两种最多，也最易操作。
四、机床数控化改造的联调
9 Y9 j' [3 y. `机床安装、系统各参数按要求设置完成之后，在机电联调时还需完成各种动作试验、功能试验、空运转、负荷试验，检验机床数控化改造后是否满足要求。
1、空运转前的检查
通电前机床外观检查（检查机床各部位的装配质量，使他们能在通电后正常工作）。
（1）重要固定结合面应紧密贴合，用0.03塞尺检查时应该插不进，滑动导轨面的端部用0.03塞尺检查深度小于20mm。重要固定结合面为床头箱与床身的结合面，转塔刀架底座与滑板的结合面，尾座体与尾座底板的结合面，床身与床身（拼结床身）的结合面，镶钢导轨与基础件的结合面等。
- |) \2 _# [/ |5 ?3 G& j/ {（2）仔细检查各个箱体及各个运动部件是否按要求加油，箱体中的油平面不得低于油标线以下。冷却箱中是否有足够的冷却液，液压站、自动间歇润滑装置的油是否到油位指示器规定的油位，电器控制箱中的各开关及元器件是否正常，各插装集成电路板是否到位，通电启动集中润滑装置使各润滑部位及润滑油路充满润滑油。
. O7 E/ Y* o8 I8 q2、各种动作试验
（1）手动操作试验
% i9 {3 N+ C- Y$ L) L# G如车床依靠手动使刀架沿X、Z正负方向运动和单向进给运动。主要是试验手动操作的准确性，此功能多在加工对刀时要用。
（2）点动试验
( w) P, ]/ p3 G2 p/ D( L; i5 l在点动状态下使刀架先慢后快运动，并进行倍率变换。
" S# Q; P. r% v( v; @" B) J* `/ Z（3）主轴变档试验
主轴变挡试验可按说明书中规定的变档指令进行。
4 Z" |+ N. D- }, g& O2 b（4）超程试验
各轴做正负两个方向的超程试验。机床超程保护有两种，一是软件存储极限保护，另一种硬件保护。超程状态表现为控制机报警和屏幕上有显示，另外液压站电源切断。如果超程保护不起作用，将造成机械部件损坏。
3、功能试验
  ?  L7 f1 m" L/ d$ M（1）功能试验
用按键、开关、人工操纵对机床进行功能试验。试验其动作的灵活性、平稳性以及功能的可靠性。
: ]% {1 {0 K  w) T（2）任选一种主轴转速做主轴启动、正转、反转、停止（包括制动）的连续试验，连续操作不少于七次。
（3）主轴高、中、低转速变换试验。转速的指令值与显示值允差为±5%。
" u% K% Z6 k& Y+ F! z3 d! a（4）任选一种进给量，将启动、进给和停止动作连续操作，在X、Z轴的全部行程上，连续做工作进给和快速进给试验。快速行程应大于1/2全行程，正反方向连续操作不少于七次。
（5）在X、Z轴的全行程上，做低、中、高进给量变换试验。
（6）转塔刀架进行正反方向转位和各种转位夹紧试验。
（7）液压、润滑、冷却系统做密封、润滑、冷却性能试验，做到不渗漏。
( T1 T* H" |1 \4 I+ h（8）卡盘做夹紧、松开、灵活性及可靠性试验。
（9）主轴做正转、反转、停止及变换主轴转速试验。
（10）进给机构做低、中、高进给量及快速进给的变换试验。
& N+ B8 g0 [) {6 A; V; w（11）用数字控制指令进行机床的功能试验，试验动作的灵活性和功能的可靠性。
9 b, E; |& D6 T1 Q* q. u( ~+ E（12）试验进给坐标超程、手动数据输入、位置显示、回基准点，程序序号显示和检索、程序暂停、程序删除、直线插补、直线切削循环、锥度切削循环、螺纹切削循环、圆弧切削循环、刀具位置补偿、螺距补偿、间隙补偿等功能的可靠性、动作灵活性等。
+ Q( V& E- E( F9 g+ \+ z, p9 L4、空运转试验
4 Z2 l4 L* ~# w6 G+ W7 I, U' Z（1）主运动机构运转试验
( W) B3 T# _7 [+ I& j在不切削状态下，试验主轴运转时间的温度变化和空载功率。机床主运动机械由低、中、高三档转速，有级变速为全部转速运转时间不少于2分钟，在最高转速段不得少于1小时，使主轴轴承达到稳定温度。检查主轴轴承的温度不超过70℃。
7 K  C2 J) H/ O* @（2）连续空运转试验
用数控程序指令全部功能做（不切削）连续运动和回转试验。其运动时间不大于15分钟。每个循环终了停车，并模拟松卡工作，停车不超过一分钟，根据客户不同的要求连续运转48h～72h。
5、试切
在机床各项几何精度和运动精度满足要求后，应按相应标准和自定标准加工工件，以检测机床数控化改造后的加工性能。有的除了要进行必要的精加工外，还要进行一定的负荷试验，以检查其精度的稳定性。
% f8 l2 n' S- V/ F# N在上述各项试验满足要求后，机床数控化改造后的联调工作也就完成了。
4 {3 t7 l9 \+ B- _: {文章关键词： 机床数控化