普通車床數控化機械部分的改造設計

張金龍 周楷京

沈陽機床股份有限公司沈一車床廠

普通車床數控化機械部分的改造設計

張金龍 周楷京

沈陽機床股份有限公司沈一車床廠

普通車床進行數控化改造后，大大提高了原有機床的自動化程度和生產率，其改造成本僅為同功能數控機床的30%左右。為了能夠大幅度地提高數控機床改造后的性能，在改造過程中，首先要對各種機械結構進行改造，然后要對數控系統進行設計，確保數控車床工作的穩定性與連續性。基于此本文分析了普通車床數控化機械部分的改造設計。

普通車床；數控化；機械部分；改造設計

1、普通車床機械結構數控化改造的優勢

對普通車床機械結構進行數控化改造，可以全面提升車床的工作效率。具體表現有幾個方面：第一，提高生產精度，經過數控化改造之后可以提高車床的加工精度，使得各種工件更加精細化。第二，可以提高生產效率，通過對普通車床進行數控化改造之后，對車床進行控制的電機是相對獨立的，則可以通過不同的電機對車床的控制來實現對車床的聯動控制，可以生產出一些造型比較復雜的零件，擴大了車床的生產范圍。第三，提高加工速度。普通車床機械結構經過數控化改造之后，增加了自動換刀的功能，在加工工件的過程中縮短了換刀時間，因此提高了工件生產的速度。第四，減輕工人強度。經過數控化改造之后，車床的操作變得更加智能化，一般由系統自動完成，使得操作人員的工作強度得以減輕，一個操作人員可以對多個數控車床進行控制，從而提高了生產效率。

2、總體設計方案的論證

2.1 機床本身

條件機床能否進行數控化改造主要取決于本身的條件，如機床的磨損程度、剛度等以及機床的技術壽命。

普通機床結構上的不足之處有剛度低、抗振性能差、滑動摩擦阻力較大以及傳動元件之間存在較大間隙等。應有針對性地對其中部分結構進行改造，以滿足數控機床最基本的要求。數控機床的數控裝置(CNC)技術壽命一般為3～4年。對原機床進行數控化改造也能延長其技術壽命。

2.2 加工對象

零件的幾何形狀決定了所選數控系統應具備的功能，公差范圍決定了數控系統的控制精度、脈沖當量。改造后的數控車床具有切削螺紋功能，縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能，系統分辨率為縱向0.01mm，橫向0.005mm。現在市場上出售的一般經濟型數控系統其脈沖當量為(0.005～0.01)mm，能夠滿足上述加工要求。

2.3 經濟性

在機床數控化改造中，不僅要考慮數控機床的技術先進性，同時還必須考慮它的經濟效益和社會效益。機床的數控化改造是廣義上的設備更新的一種方法，因此，機床數控化改造的方案應與機床大修以及機床更新作對比，以確定最佳方案。普通機床還可通過數控化改造來延長其經濟壽命。

3、機床機械部分改造方案

3.1 主傳動系統的改造設計

為了擴大變速范圍，實現加工過程中的自動變速，將原來的單速電機更換為多速電機，使機床性能更好。但由于多速電機的功率是隨轉速的變化而變化的，因此電機功率要大，而且還要增加一套電機變速系統。下面介紹改造設計的方法和步驟：

拆除主軸傳動鏈、掛輪，通過對主電動機的變頻調速實現機床主軸的無級調速。經濟型數控車床上加工螺紋或絲杠，必須在主軸末端安裝主軸脈沖編碼器作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉動，把主軸轉角位置變化信號送到數控系統。數控系統按照所需加工的螺距進行計算處理，對機床進行縱向或橫向的控制運轉，實現加工螺紋的目的。

主軸脈沖編碼器的安裝，通常采用同軸安裝和異軸安裝兩種方式。脈沖編碼器也可以裝在床頭箱內或床頭箱的后端上，采用傳動比為1：1的齒輪或同步齒形帶與主軸聯系起來；異軸安裝比同軸麻煩，需要配上一對同步平帶輪及同步平帶；我們采用同軸安裝主軸脈沖編碼器。

3.2 進給傳動系統的改造設計

第一步是把原來的變速傳動裝置和操縱機構拆除；然后在各個方向安裝獨立的步進電機，利用減速齒輪連接電機和絲桿，實現帶動滑板的移動，進而實現機床在各個方向的移動。最終實現同時具備微機控制和原機床操作。在Z軸縱向上，利用原有的安裝孔直接安裝齒輪箱體，將滾珠絲杠代替原絲桿，仍然安裝在原來的位置，并采用同樣的方式對絲杠兩端進行固定。然后需要對進給進行限位保護，安裝限位保護開關和接近開關。在X軸橫向上，主要改造拖板，控制拖板的精度以及關鍵傳動齒輪的間隙。利用剛度、柔性調整法調整驅動電機到絲杠間的傳動齒輪的間隙，將間隙降低消除，從而實現更高的傳動精度和靈敏度。同時要對車床導軌進行改造，由于普通車床的床身摩擦系數比較大，因此需要對原車床的導軌進行刮研、修磨，降低摩擦系數，然后再貼上聚四氟飛烯軟帶，就可以達到數控機床的導軌要求。然后把之前的絲杠和光杠去掉，安裝上新型的滾珠絲杠，用同步齒輪帶變速的方式連接步進電機和滾珠絲杠。

3.3 刀架的改造設計

刀架的改造是實現數控加工改造的關鍵，一般情況下至少需要四種不同的刀具來實現相對復雜的加工。因此將原來的手動刀架和小拖板拆除，安裝新型的LD4型自動回轉數控刀架。這種刀架的重復定位精度比較高，性能也比較可靠。刀架定軸上有四個霍爾開關和永久磁鐵，能夠精確獲取刀架的到位信號，實現高精度的定位。

3.4 溜板箱的改造

在對以上機械結構改造完成之后，最后要對車床溜板箱進行改造，將原來的溜板箱拆除，然后把新的溜板箱安裝到改造完成的滾珠絲杠上。同時要改造整體的潤滑結構，確保車床的穩定運行。整個機械結構改造完成后，要對車床的運行性能進行檢驗，主要包括傳動性能、主軸進給性能以及車床運行過程中噪聲的大小等。相關性能的監測要分別在空載荷負載狀態下進行，確保各項基本操作能夠實現數控化。

總之，在現階段加強對于普通車床機械結構數控化改造的研究具有重要的現實意義，能夠更加全面的掌握普通車床數控化改造的相關技術，提高數控化改造的效果，從而提高車床工作效率，更好的發揮老舊設備的潛在價值，提高機械加工企業的經濟效益，因此需要進一步加強研究。

[1]范光輝，張磊.普通車床數控化改造探討[J].科技傳播，2014，10：89.

[2]蔡云松.C6140普通車床數控化改造[D].西南交通大學，2014.

[3]趙慶志，譚培紅，柳濤.數控機床動力伺服系統原理及故障診斷維修[J].煤礦機械，2013，09：305-307.