普通車床數(shù)控化改造研究與應(yīng)用

孫寶平

摘 要：目前，市場上擁有大量的普通機(jī)床，其自動化程度低，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。作為先進(jìn)加工技術(shù)的標(biāo)志，數(shù)控機(jī)床具有明顯優(yōu)勢，能適應(yīng)現(xiàn)代化加工要求。購買新的數(shù)控機(jī)床成本高，許多企業(yè)在短時間內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)。因此把普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，是一條很好的捷徑。本文通過對CA6132普通車床的數(shù)控化改造研究，較系統(tǒng)地闡述了普通車床數(shù)控改造的技術(shù)方案及要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：自動化；數(shù)控機(jī)床；數(shù)控化改造

0 引言

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

所謂機(jī)床數(shù)控化改造，就是應(yīng)用現(xiàn)有的數(shù)控技術(shù)，在普通機(jī)床上，加裝數(shù)控裝置，并對機(jī)床的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使機(jī)床全部或局部達(dá)到新數(shù)控機(jī)床的水平，具有一定的自動加工能力，以適應(yīng)生產(chǎn)的具體要求。

本課題來源于某公司。該公司屬于老企業(yè)，近年來主要生產(chǎn)發(fā)動機(jī)配件及農(nóng)機(jī)配件，許多老設(shè)備已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)技術(shù)的要求，但若購置新設(shè)備，投資較大，企業(yè)承受不起。想通過對在本公司應(yīng)用最多的CA6132普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，探索出一條設(shè)備功能提升的路子。

通過對設(shè)備的具體分析及對目前我國數(shù)控技術(shù)的的了解，認(rèn)為國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)完全能夠滿足改造要求。具體的改造方案如下：

（1）數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的選擇；從功能性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性方面選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)。

（2）對主運(yùn)動及進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)進(jìn)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(jī)換成變頻調(diào)速電動機(jī)，調(diào)速部分由變頻器控制。將原機(jī)床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機(jī)構(gòu)。通過改造后，機(jī)床的主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動分離，主軸電動機(jī)的作用只是帶動主軸旋轉(zhuǎn)。2）進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造。改造后，伺服電動機(jī)動力經(jīng)一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動后，來驅(qū)動縱向、橫向進(jìn)給。而將原機(jī)床的掛輪機(jī)構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除。

（3）數(shù)控機(jī)床輔助裝置的選擇；

（4）整機(jī)聯(lián)接調(diào)試。

1 數(shù)控系統(tǒng)選擇

數(shù)控系統(tǒng)的選擇主要考慮以下幾點(diǎn)：一是盡量選擇與公司內(nèi)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床同一個型號的數(shù)控系統(tǒng)。以便于管理和維修，二是從經(jīng)濟(jì)方面考慮，數(shù)控機(jī)床改造，能夠滿足要求即可。

針對本課題而言，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)滿足如下功能：縱向、橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)應(yīng)能。獨(dú)立運(yùn)動且能被數(shù)控裝置控制；該系統(tǒng)應(yīng)具有縱向和橫向的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能；能進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工；具有定位功能。

綜合以上因素，進(jìn)口系統(tǒng)雖可靠性好，技術(shù)先進(jìn)，但價格昂貴，用來改造數(shù)控機(jī)床顯然性價比較低。國產(chǎn)系統(tǒng)近年來技術(shù)進(jìn)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(quán)衡，決定采用國產(chǎn)華中世紀(jì)星HNC-21T系統(tǒng)。

2 主運(yùn)動系統(tǒng)改造方案

（1）主軸總體設(shè)計。采用“變頻器+三相異步電動機(jī)”的改造方案，即不用主軸箱，采用皮帶輪將主軸電機(jī)與主軸連接，實(shí)現(xiàn)無級變速。

（2）光電編碼器的安裝。數(shù)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(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動分開，但是為了能加工螺紋，需脈光電碼器把主軸運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動聯(lián)系起來。它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動，發(fā)出主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號輸送到數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)按照所需加工的螺距進(jìn)行計算處理，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確加工螺紋的目的。

脈沖編碼器安裝在主軸箱內(nèi)，通過一對傳動比為1：1的同步齒形帶與主軸聯(lián)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(diǎn)。

工作時，主軸脈沖編碼器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，并將信號傳給數(shù)控裝置，數(shù)控裝置收到主軸轉(zhuǎn)速信號后，控制伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使進(jìn)給運(yùn)動配合主軸轉(zhuǎn)速，保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，螺紋車刀移動一個螺紋導(dǎo)程。同時保證每次進(jìn)給都在工件的同一點(diǎn)切入，防止亂扣。

3 進(jìn)給部分改造

（1）縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造。保留齒輪箱體，以保證調(diào)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(yàn)絲杠與導(dǎo)軌的平行度，拖板與導(dǎo)軌的垂直度，由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進(jìn)給整體剛性略優(yōu)于以前。

（2）橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)改造。保留原有的支撐結(jié)構(gòu)和手動機(jī)構(gòu)，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(yàn)絲杠與導(dǎo)軌的垂直度。

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

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

安裝時，將原機(jī)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(cè)面應(yīng)與車床的縱向、橫向進(jìn)給方向相同。

4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的選擇

經(jīng)過認(rèn)真對進(jìn)給伺服系統(tǒng)性能及經(jīng)濟(jì)性比較，并根據(jù)計算，X軸與Z軸都選用華中數(shù)控有限公司生產(chǎn)的HSV-16-020型全數(shù)字伺服驅(qū)動模塊。

HSV-16是一款全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器該驅(qū)動器。具有結(jié)構(gòu)小巧、使用方便、可靠性高等特點(diǎn)。

5 整機(jī)連線與調(diào)試

根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的手冊進(jìn)行整機(jī)聯(lián)線，就可以進(jìn)入調(diào)試階段。

（1）伺服參數(shù)調(diào)整。根據(jù)實(shí)際加工需求，對伺服參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

（2）機(jī)床誤差補(bǔ)償。1）反向間隙誤差補(bǔ)償；2）螺距誤差補(bǔ)償。螺距誤差補(bǔ)償值=機(jī)床指令坐標(biāo)-機(jī)床實(shí)際測量位置。

進(jìn)過檢測與調(diào)整，能夠達(dá)到預(yù)期要求。

6 結(jié)束語

本文通過對國內(nèi)外機(jī)床數(shù)控改造市場的了解和分析，提出了對普通車床的數(shù)控化改造方法和對進(jìn)口數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的改造方法。

數(shù)控車床的改造在數(shù)控機(jī)床改造中是最容易實(shí)現(xiàn)的，而改造的環(huán)境和條件千差萬別。數(shù)控機(jī)床改造還包括數(shù)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(shù)控機(jī)床改造盡微薄之力。