普通機床的數控改造系統設計

黃義彩

【摘 要】本方案針對普通車床進行數控化改造，通過配置專用車床數控改造系統、更換進給運動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、進給箱改造、導軌副改造、采用步進電機驅動等方式彌補了原有普通機床的局限性，改造之后設備的穩定性與實用性大大加強，效率、精度。實用性方面都得到較大提高。

【關鍵詞】數控；滾珠絲杠傳動；導軌副；進給箱；改造

一、引言

隨著零件加工要求的精度不斷提高，普通機床的已經難以滿足要求，迫切需要進行數控改造，數控車床只要更換一個程序，就可實現另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現了"柔性自動化"。可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面對零件的適應性強，更具有精度高、成本低， 加工的零件尺寸一致性好的特點， 適合現代化生產的需求。此外，機床數控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統）以及CIMS（計算機集成制造系統）等企業信息化改造的基礎。

二、設計方案

（一）數控改造系統總體方案設計

一臺新的數控機床，在設計上要達到：有高的靜動態剛度；運動副之間的摩擦系數小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數控改造時應盡量達到上述要求。基于以上準則，對普通機床進行數控化改造的具體方案如下：（1）配置專用車床數控改造系統，更換進給運動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、采用步進電機驅動進給運動、配置脈沖發生器實現螺紋加工功能、配置自動轉位刀架實現自動換刀功能。根據方案，整體控制簡圖如下：縱向、橫向均采用步進電動機→減速齒輪→滾珠絲杠螺母→溜板的傳動方式（圖1）。

（二）數控改造系統配置

考慮到經濟型、實用性以及改造需要達到的目標車床數控改造系統應該具有下列基本配置和功能：1）采用單片微機為主控CPU，具有直線和圓弧插補、代碼編程、刀具補償和間隙補償功能、自動轉位刀架控制、螺紋加工等控制功能。2）配有步進電機驅動系統，脈沖當量或控制精度要與相應導程的絲杠相配套。3）面板按鍵輸入，代碼編制，掉電自動保護存儲器存儲；4）具有單步或連續執行程序、循環執行程序、機械極限位置自動限位，以及進給速度程序自動終止等各類數控基本功能。

（三）關鍵部件改造

數控改造要對主要部件進行相應的改造使其達到一定的設計要求，才能獲得預期的改造目的。例如（1）滑動導軌除導向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區。同時要有足夠的剛度，要有合理的導軌防護和潤滑。（2）數控機床上通常使用的高精度等級齒輪。（3）絲杠傳動直接關系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。一般情況滑動絲杠應不低于6級。

1.進給箱改造

齒輪箱傳動鏈長，反向間隙累積增大，大大降低了傳動精度。進給箱部分的改造就是要取消原齒輪箱，并換為一級減速機構，傳動元件要有消隙裝置，以減小傳動間隙，提高精度。現用雙片齒輪錯齒法消除間隙，雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙，因為彈簧的彈力很難適應負載的變化情況。當負載較大時，彈簧彈力顯得小，無法自動消除間隙；當負載較小時，彈簧彈力又顯得大，則加速齒輪的磨損。為此采用人工定期調整螺釘緊固的辦法來消除間隙。

2.導軌副改造

普通機床的導軌多采用鑄鐵或淬火鋼滑動導軌，其靜摩擦系數大，動靜摩擦系數相差較大，低速時易出現爬行，影響運動的平穩性和定位精度，力矩損失大。采用在原導軌上粘接聚四氟乙烯軟帶的方法，實現比較方便，而且費用低、動靜摩擦系數相差小、耐磨性強，具有良好的自潤滑性和抗振性，進給運動無爬行、運行平穩。

3.滾珠絲杠副改造

普通機床常采用普通滑動絲杠副；而數控機床要求移動部件靈敏度、精度高、反應快、無爬行，采用滾珠絲杠副可滿足上述要求。在機床數控化改裝中，凡希望角位移和實現位移精確轉換的場合大多是用滾珠絲杠副。其特點為傳動效率高、定位精度高、傳動可逆性、使用壽命長、同步性能好。在滾珠絲杠副中，自由滾動的滾珠將力與運動在絲杠與螺母之間傳遞。因而以極小滾動摩擦代替了傳統絲杠的滑動摩擦。使滾珠絲杠副傳動效率達到90%以上，整個傳動副的驅動力矩減少至滑動絲杠的1/3左右，發熱率也因此得以大幅降低。其發熱率低，溫升小以及在加工過程中對絲杠采取預拉伸并預緊消除軸向間隙等措施，使絲杠副具有高的定位精度和重復定位精度。滾珠絲杠螺母副的滾珠循環方式一般分外循環和內循環兩種（圖2）。

三、改造效果

普通機床的數控化改造之后，優勢明顯：（1）可以加工出傳統機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。（2）實現柔性自動化，從而效率可比傳統機床提高3～7倍。（3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。（4）可實現多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。（5）由以上四條派生的好處。如：降低勞動強度，節省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝等。

四、結論

本方案針對普通車床進行數控化改造，通過配置專用車床數控改造系統、更換進給運動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、進給箱改造、導軌副改造、采用步進電機驅動等方式彌補了原有普通機床的局限性，改造之后設備的穩定性與實用性大大加強，效率、精度。實用性方面都得到較大提高。

【參考文獻】

[1]胡占齊，楊莉主編.機床數控技術.[M].北京：機械工業出版社，2002

[2]王愛玲主編.現代數控機床.[M].北京：國防工業出版社，2003