數控機床自動化設計和制造

王禹天

長春大學，吉林松原，138000

0 引言

世界各國都很重視機械制造業，將其作為工業化發展水平的重要指標。數控機床在機械制造等領域起到關鍵作用，數控技術得到了廣泛應用，我國在數控領域取得一定成就。當前，很多企業擁有的普通機床使用年限長，在實際生產中加工精度不高，需投入大量資金改造普通機床或購置數控機床，這也是大多數企業采取的策略。普通機床電氣系統復雜，設備機械性能成熟穩定，數控改造可以采用普通機床機械結構。對普通機床進行數控化升級改造非常必要。老舊機床機械組件不采用焊接工藝，改造后設備精度不會受機械結構件變形影響，可以利用地基位置改造機床，且對機械結構件改造后再使用可以節約原材料。綜上，研究數控機床自動化設計制造技術具有重要意義。

1 數控機床自動化技術研究現狀

數控是借助數字化信號對信息控制，數控技術是引入計算機取代已有邏輯電路數控裝置，數控機床是利用數控技術在制造過程中控制機床，數控中心是數控機床的核心，是實現加工程序的關鍵，結合計算機等現代化新型技術，以節能等為目標對機械設施進行控制。數控機床是集微電子等多領域技術于一體的機電產品，在機械設備體系領域為自動化水平高的工作母機[1]。數控機床不需對夾具更換制造，適用于技工零件高頻率更換情況。

1.1 數控機床自動化技術結構原理

數控加工中心包括數控系統、自動環刀系統與輔助裝置等。基礎部件包括工作臺等基本架構，是采取鑄造工藝實現的承載加工作業荷載主體，需要確保其強度足夠高以滿足加工要求。數控加工中心主軸部件由不同零件構成，主軸是加工中心功率輸出部件，主軸動作指令經數控系統控制，通過對主軸旋轉精度等控制實現加工中心制造精度的控制。數控系統是功能實現的關鍵，構成包括CNC裝置、伺服驅動系統等[2]。數控系統控制通過信息參數輸入等協作實現，加工中若需要更換刀具可以通過數控系統發出指令，從刀庫中提取刀具完成換刀操作。

數控機床具備高精度、適應力好等特點，數控機床加工精度達0.05～0.1mm，數控裝置每輸出一脈沖信號后，機床移動部件移動一脈沖，通過數控裝置補償機床傳動鏈的反向間隙與絲桿螺距平均誤差。數控機床精度比傳統機床高，其發展水平是工業生產能力評估體系的重要參考指標，對工業健康發展具有重要影響[3]。當前數控機床自動化技術應用廣泛，多應用于軸類零件等切削加工作業中，如盤類零件復雜回轉外圓柱、圓錐螺紋等，要完成鉸孔、鉆孔等系列作業程序。數控機床自動化技術通過設定加工流程實現快速零件加工程序。數控機床自動化技術根據零部件加工路線、工藝參數等將指令性代碼高度整合，編制統一架構程序單羅列有關內容并將其轉移到相關控制介質層面[4]。數控機床自動化應用占數控機床總量的25%。

1.2 數控機床自動化技術特點

數控機床自動化技術具有功能強大、全封閉防護、多把刀具自動交換等特征，其優勢體現在提升機械制造質量效率，減少機械制造所需成本，增強機械制造資源利用率。加工中心制造中要關閉防護門減少危險事件發生。加工中心通過主軸與進給軸互聯互動實現運行，不同軸可按不同程序進行多角度調整[5]。自動換刀系統可以支持多把刀具自動交換，加工中心可實現工作臺同時作業。加工中心可復合多項功能，刀具可實現持續供給。

加工中心選擇合理的切削參數可以達到良好的加工精度，提升刀具性能，實現自動化制造。以往傳統機械制造中工業類企業慣于借助人工操作方式加工產品，人工操作因受多方面因素制約導致失誤率較高，且繁重的工作為工人帶來巨大壓力，容易發生疲勞作業影響工作成本進而降低企業經濟效益[6]。科學應用自動化技術可以彌補人工操作的不足，促使產品精度更高。隨著數控機床自動化技術的推廣，工業機械制造自動化水平得到了提升。產品通過預設程序指導運作提升生產效率，自動化技術普及使機械設計制造技術升級，機械制造質量得到明顯升級[7]。自動化技術是機械加工的重要技術資源，具有節約人力資源、降低物力財力資源消耗等優勢，可通過自動化技術推廣增強機械制造資源利用率。

1.3 車床機床自動化設計加工

數控機床運用數控技術，將自動化技術等融于一體，車床自動化設計為實現加工目標進行優化設計，通過編程驅動系統平臺完成自動化作業[8]。系統包含數控裝置等多個部分，需要不同系統緊密配合獲得最佳自動化加工效益。數控車床主體包括主軸與導軌，車床主軸回轉精度參數值影響加工緊固帶，主軸運行功率是決定加工效率的關鍵，車床主軸變速自動化水平是影響機床自動化的核心因素，目前機械傳動變速裝置逐漸被取代，加工自動化程度較高。

數控機床導軌負責引導控制加工任務，是促進車床精密加工實現的重要部件。數控機床配置伺服系統與數控裝置，數控裝置在運作系統中起到重要的調配作用，機床檢測裝置監測制造過程，伺服系統配合數控機床完成作業。計算機系統是數控裝置的重要部分，通過系統精確調配實現制造過程按既定指揮有序執行。傳統普通機床借助伺服電機驅動機床完成加工作業，數控機床借助運算電路產生脈沖信號，數控機床伺服系統將指令傳遞給元件設備實現精準移位。

2 數控機床自動化技術改造設計分析

數控技術是工程控制方法，傳統數控裝置由硬件邏輯電路構成，現代數控技術利用計算機軟件控制數據運算等。數控機床水平是反映國家數控技術水平的重要指標。當前德美日是數控機床制造研究發達國家，數控機床自動化發展向網絡化綠色方向轉型。改造舊機床設備具有降低投入成本、實現現有控制技術設備有效利用等優勢。鑒于此，研究數控機床自動化改造設計具有重要現實意義，數控機床自動化技術改造需要分析技術科學性。

2.1 機床數控化改造分析

普通機床數控化改造是升級舊機床設備結構，數控機床是機電設備的典型，數控機床改造是對普通機床改進優化使其達到預期數控化水平。普通機床具有熱膨脹系數低、工匠面粗糙等不足，現代化數控機床設備性能發生了巨大變化，數控機床特殊結構體系形成，需要綜合考慮各方面因素升級改造普通機床。數控機床改造需要分析改造的科學合理性，數控機床具有高精度特點，對設備精度要求高，剛度系數不夠時受力就會發生變形，系統自動補償功能無法實現自適應調節。部件剛性不佳的機床不符合數控化改造條件。

普通機床數控化改造中機床底座等可重復使用。鑄鐵部件在使用多年后應力會消除，重復利用機床主體鑄鐵件能減少成本投入，且可以利用原來地基降低資源消耗。機床加工具有多品種特點，數控機床適應少批量加工作業模式。機床數控化改造中需要考慮其經濟效益，數控化改造經濟合理性分析需要與機床修理、更新進行對比評價。評價分析機床改造方法包括成本最低法、機床改造效果系數法等。Kr/Qr＞Km/Qm，機床大修理單位產品成本Cr大于數控化改造Cm，需采用改造方案，T=[Km/Qm-(Kr/Qr)]/Cr-Cm，T（投資回收期）小于企業規定標準投資回收期則選擇數控化改造方案最佳。Km/Qm＞Kn/Qn，數控化改造Cm大于機床更新產品成本Cn，適宜采用更新方案。T=[Kn/Qn-(Km/Qm)]/Cm-Cn,投資回收期小于規定標準投資回收期，宜選擇更新方案。機床數控化運用經濟性參數及符號見表1。

表1 機床數控化運用經濟性參數及符號

2.2 數控機床自動化改造技術準備

機床改造可行性分析后需要設計相應改造方案，要進行操作人員技術培訓，整理新系統電氣技術資料，確定調試步驟與驗收標準等技術準備工作。機械結構改造必須結合電氣改造，新系統具有線路圖等新功能要求，機床改造前需要研究相關電氣技術資料，并應重新制定調整電氣系統維保措施，降低機床改造后發生故障的概率。改造電氣系統后需要相關作業人員具備更高素質，因此需要對TP人員進行培訓，保證機床運行穩定性。改造電氣系統后制定驗收標準是技術準備的核心內容，具體項目負責人需按確定要求調試，制定驗收標準，若標準不合理會影響改造工作進程，但制定相關標準后避免改動。

3 數控機床設計制造自動化升級

3.1 數控機床制造系統升級

數控系統構成包括主軸驅動、數控與進給驅動裝置，機床CNC系統實現數控功能需依賴計算機數據儲存程序，計算機系統結構包括CNC裝置、輸入輸出裝置等。CNC裝置是數控系統的核心，組成要件包括CPU微處理器等，計算機數控裝置功能是靠輸入裝置接收信息并處理運算，達到控制機床運行的目的。伺服驅動組成包括伺服單元與裝置，數控執行機構通常使用交流伺服電動機，不同接收指令伺服單元分為模擬與伺服單元，伺服單元分為開閉環系統。考慮改造成本等因素，通常選用步進電機為電動機驅動裝置。

機床數控系統工作過程包括信息輸入、譯碼轉換與軌跡插補等流程。隨著計算機科技的成熟，數控系統不斷更新升級。數控技術發展經歷硬件階段、計算機系統發展階段、高精度CNC開發階段、開放式CNC應用階段。傳統數控系統中使用計算機為專屬，軟硬件具有封閉式特點，存在系統不兼容、人機界面不夠靈活、不利于升級開發等問題。目前學界尚未對開放式數控系統進行標準化定義，IEEE定義為具有協同程序正常運行系統，向用戶提供標準化程序操作界面。為解決數控應用軟件產業化發展提出開放化體系，開放化指生產設備等方面開放化，具有標準化人機界面、向用戶特殊要求開放等特征。當前很多國家針對開放式數控系統開展研究，美國NGC計劃、日本OSEC計劃等為典型代表。我國實施相關開放式數控系統計劃，為數控產品規范化發展奠定基礎[8]。

隨著計算機軟件技術的成熟，衍生出NC嵌入PC型、PC嵌入NC型與全軟件NC型開放式數控系統。通常設計數控系統方案包括：利用單片機完成，采用工控機IPC+運動控制卡開放式結構改制，改造現有專用數控系統等方案。通過運動控制卡+IPC完成開放式數控系統構建具有系統穩定性強、擴展性良好、控制靈活性好等優點，有效解決傳統數控系統的缺陷，為CNC制造商帶來福音。以CA6140車床數控化改造為例，從系統可靠性、穩定性等角度出發選擇數控系統設計方案。開放式數控系統多樣性會影響硬件結構多樣性，以運動卡為核心，改造原理是將系統不同控制功能分配給合適的控制對象，且靈活構建開放式數控系統非常重要。硬件平臺各功能模塊有標準化規范接口，用戶可根據要求在運行平臺改變模塊數量，充分體現開放式數控系統可擴展性等優點。

3.2 數控機床機械部件自動化設計

數控機床自動化改造是在舊機床基礎上完成的，不同機床的精度不同，機床改造要確保原有精度不降低。數控機床自動化精度高，應全面分析其傳動結構等完成相應的改造調整。數控機床進給傳動系統為伺服進給系統，驅動元件根據數控系統指令完成，采取的驅動元件與系統契合度較高可以完成進給過程。控制進給運動是數控機床的核心，數控機床進給傳動系統應滿足調速范圍寬、定位精度高、快速響應無超調等方面要求。數控機床自動生產設備工作具有穩定性特點，進給系統要具備可靠性與良好抗干擾性。

傳動鏈精度與絲杠傳動存在密切相關性，滑動絲杠應大于六級，通常滑動絲杠難以滿足高精度零件要求，而應用于精度要求較低的機床。滾珠絲具有較高傳動效率，數控機床自動化改造中要拆卸舊機床滑動絲杠換為滾珠絲杠。進給部件是機床改造的重要部分，改造方式分為電機通過減速裝置與滾珠絲杠連接、通過聯軸器與滾珠絲杠連接兩種。改造中要去掉原來系統中間環節，將減速器安裝在步進電機輸出軸末端，減少零部件數量提升傳動精度。數控機床作業中工件裝夾一次可實現數道工序，因此工件無需多次安裝，僅需要設置自主換刀裝置實現自動更換刀具。數控機床刀具類型不同，其工藝類型不同，常見自動換刀類型包括回轉刀架式及轉塔式等，回轉刀架式結構簡單，根據系統指令自動更換刀具，分為臥式與分立式，立式機床結構具有簡易化特點。數控機床改造中改進原有手動刀架，通過數控系統控制自動轉位刀架，通常采用立式四方回轉刀架。

4 結語

數控機床自動化制造設計是企業更新升級設備的重要手段。本文對數控機床自動化改造進行研究，介紹數控機床自動化制造設計技術工藝，總結數控機床自動化技術特點；探討數控機床自動化改造科學性與技術準備，從自動化系統與機械結構方面論述數控機床自動化升級方法。改造前需要分析論證自動化升級可行性。目前我國數控系統主流是開放式系統，本文分析開放式數控系統結構特性，以工控機開放式數控車削開環系統為研究對象，建立硬件平臺具有可拓展性強等優點；改造過程堅持經濟性原則，選用步進電機加齒輪減速方案，將脈沖編碼器裝配在主軸上。闡述零部件選用與安裝注意問題，改造數控自動化機床以滿足數控臥式機床技術要求。