鄭國華

（福建群峰機(jī)械有限公司）

普通機(jī)床數(shù)控化改造技術(shù)

鄭國華

（福建群峰機(jī)械有限公司）

近年來，數(shù)控機(jī)床在我國機(jī)械加工生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)趨于普及，究其原因主要因?yàn)樗旧砑庸ぞ雀?、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢突出，有效地保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量，也為我國機(jī)械產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化、智能化發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。本文從數(shù)控加工技術(shù)的概念入手，簡單闡述了其數(shù)控化改造技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，以供同行工作參考。

機(jī)床；數(shù)控技術(shù)；改造；機(jī)械加工

引言

機(jī)床數(shù)控技術(shù)在我國起步較晚，屬于一種自動(dòng)化的機(jī)床控制技術(shù)，是比較先進(jìn)的世界機(jī)械產(chǎn)業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電子信息技術(shù)水平不斷提高，使得普通機(jī)床的生產(chǎn)更加高效，精度也更高，這就提高了機(jī)械產(chǎn)業(yè)與制造業(yè)的整體生產(chǎn)能力。在此基礎(chǔ)上，可以對比較落后或者性能不完善的機(jī)床進(jìn)行改造。

1　數(shù)控技術(shù)概述

所謂的數(shù)控技術(shù)主要指的是在機(jī)床加工、生產(chǎn)過程中通過數(shù)字信息來對整個(gè)加工流程、加工內(nèi)容進(jìn)行全過程、全方位的現(xiàn)代化控制，從而提高機(jī)械設(shè)備的加工效率以及生產(chǎn)管理的自動(dòng)化程度，這也是實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工智能化、現(xiàn)代化和綜合化的重要依據(jù)。目前的數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用中主要包含了：傳感檢測技術(shù)、光電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及機(jī)械自動(dòng)化加工技術(shù)等，但不管是針對哪一種加工內(nèi)容，都必須提前預(yù)編程序，然后采用合理、科學(xué)的程序?qū)υO(shè)備發(fā)出指令，然后給予控制。

2　機(jī)床數(shù)控化改造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

2.1進(jìn)給軸的改造

一般的車床的X、Z軸都是同一個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的完成是在光杠、絲杠和滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)變速箱共同完成，切削運(yùn)動(dòng)主要是借由溜板箱實(shí)現(xiàn)的。在改造數(shù)控車床的過程中，需要先將溜板箱以及光桿清除，然后依賴進(jìn)給伺服或者是步進(jìn)傳動(dòng)鏈完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。其具體實(shí)現(xiàn)如圖1。

圖1　進(jìn)給軸的改造流程示意圖

橫向按照數(shù)控的指令的不同決定走道量的多少。在改造之后，整個(gè)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)精度都在保證機(jī)床的剛度的基礎(chǔ)之上，再由滾珠絲杠副、布置結(jié)構(gòu)形式、機(jī)床導(dǎo)軌等決定。

2.2主軸部分的改造

車床主運(yùn)動(dòng)就是車床可以按照速度的不同進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)其他構(gòu)件的運(yùn)轉(zhuǎn)，也就是所謂的主要耗能部件。普通機(jī)床就是通過主電機(jī)、齒輪箱手動(dòng)或者是自動(dòng)變速器等，其速度大多是九～二十四級。普通機(jī)床可以操作電磁以及液壓離合器實(shí)現(xiàn)主軸速度的轉(zhuǎn)變以及反向運(yùn)轉(zhuǎn)。但是需要注意的是，數(shù)控機(jī)床速度變化以及反向運(yùn)轉(zhuǎn)需要依靠電主軸、變頻電機(jī)以及逆變器等等共同完成。

2.3刀架部分的改造

目前，數(shù)控車床中刀架中最為常見的刀架就是電動(dòng)刀架，其主要優(yōu)勢為位置鎖定速度快，定位精度也比較高。但是普通車床中電動(dòng)刀架的使用頻率比較低，比較常見的工作模式是手動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)或者是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)綜合運(yùn)用。在改造過程中，可以根據(jù)改造需求做些許調(diào)整，如將部分位置改為電動(dòng)操作。使用頻率比較高得電動(dòng)刀架有前置平轉(zhuǎn)電動(dòng)刀架和后置磚塔刀架，會(huì)按照8～12把刀，其造價(jià)比較低。

2.4潤滑部分的改造

在改造普通機(jī)床時(shí)，一般不會(huì)對主軸箱的潤滑有任何變動(dòng)，潤滑時(shí)間和油量等都是人工操作的，但是這種方式會(huì)對機(jī)床造成很大的損壞，且會(huì)影響導(dǎo)軌、滾珠絲杠的精度。同時(shí)，機(jī)床驅(qū)動(dòng)的靈便型也會(huì)有所影響。在改造階段，經(jīng)常會(huì)使用定時(shí)、定量的潤滑方法。油潤滑方式可以分為兩種，即手動(dòng)潤滑和自動(dòng)軟化，可以按照被改造的機(jī)床的具體情況進(jìn)行合理選擇。

2.5機(jī)床防護(hù)

普通的機(jī)床都是開放式的，其防護(hù)方式大約分為局部防護(hù)、半防護(hù)、全防護(hù)三種。局部防護(hù)和普通機(jī)床防護(hù)基本一致，對于絲杠副、電機(jī)以及走線等都需要采取必要的保護(hù)措施。半防護(hù)是加裝了切削，全防護(hù)也就是先做好局部防護(hù)，然后再封閉整個(gè)機(jī)床。

3　實(shí)例XK5040機(jī)床數(shù)控化改造

3.1改造總體方案

該次數(shù)控化改造分為兩個(gè)主要階段，分別為機(jī)械改造和電氣控制系統(tǒng)改造。因?yàn)闄C(jī)床長期使用，多個(gè)零件都有損壞，需要進(jìn)行更換。CNC全稱為計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床，是利用數(shù)控加工程序?qū)C(jī)床的操作進(jìn)行改造，使其趨于自動(dòng)化。圖2舊機(jī)床的數(shù)控化工藝流程。圖3總體改造方案結(jié)構(gòu)示意圖。

3.1.1進(jìn)給系統(tǒng)的橫縱向改造

進(jìn)給系統(tǒng)主要是由數(shù)控機(jī)床的反饋電路組成的，其最為重要的性能就是檢測，該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為使用壽命長，剛度強(qiáng)，間隙小等。一般數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中使用比較普遍的是機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)滾絲、絲杠副、靜壓蝸桿等。對此，上述改造主要是對進(jìn)給系統(tǒng)的個(gè)性指標(biāo)進(jìn)行完善，如橫縱向滾珠絲杠的剛度、效率、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等，最終需要保證原絲杠的運(yùn)行可以滿足當(dāng)前的技術(shù)要求。首先，需要對橫縱向伺服電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩也就是T負(fù)載慣量JL，然后再按照其基本條件對轉(zhuǎn)子慣量JM進(jìn)行排序，1

圖2　舊機(jī)床的數(shù)控化工藝流程示意圖

圖3　總體改造方案結(jié)構(gòu)示意圖

在計(jì)算X、Y軸傳動(dòng)軸的齒輪和模數(shù)時(shí)，可以按照下式進(jìn)行：

式中：i-X、Y軸的傳動(dòng)比。將電機(jī)的相關(guān)參數(shù)以及絲杠螺距帶入上式就可以得到兩個(gè)齒輪的模式，計(jì)算結(jié)果如下：

式中：z1=17；z2=51，m=3mm。

3.1.2主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造

主傳動(dòng)系統(tǒng)是上述機(jī)床最為主要的動(dòng)力執(zhí)行結(jié)構(gòu)，必須依據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況制定具有針對性的制造方案。但是本次改造有一個(gè)前提，即不能夠改變銑床的機(jī)械部分，但是需要對電氣部分進(jìn)行大的改動(dòng)，這是為了將其改變?yōu)樽冾l器變頻調(diào)速。就變頻器部分，利用了性能較為突出的電流矢量控制型的常用變頻器類型。其突出特點(diǎn)為可以有效抵抗干擾，并且很好地地質(zhì)電機(jī)產(chǎn)生的沖擊電壓，噪音也比較小。

3.1.3數(shù)控控制方式的改造

數(shù)控控制方式的改造是需要基于一定原則進(jìn)行的，其基本標(biāo)準(zhǔn)就是要按照原有控制形式合理制造改造計(jì)劃。機(jī)床控制方式主要分為三種類型：①開環(huán)控制；②半閉環(huán)控制；③閉環(huán)控制。所謂的開環(huán)控制，就是指數(shù)控系統(tǒng)不能立即接受到相關(guān)的反饋數(shù)據(jù)，只能夠向外輸出，且不能對其所處的方位進(jìn)行鑒定。所謂的閉環(huán)控制就是在選擇適宜的專業(yè)檢測儀器的基礎(chǔ)之上，對具體位置進(jìn)行檢測，并將相關(guān)信息反饋給數(shù)控系統(tǒng)中心。所謂的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作流程大約相同，主要的差異存在于檢測儀器安裝位置的不同，前者檢測儀器是安裝在工作臺(tái)上的，后者是安裝在伺服電動(dòng)機(jī)軸上。

一般情況下，可以根據(jù)機(jī)床的具體情況選擇適宜的方式，而數(shù)控方式的選擇對于機(jī)床的改造的要求也日益提高，尤其是機(jī)床的精度和性能。所以，機(jī)床數(shù)控化改造最為重要的內(nèi)容就是機(jī)床的功能化完善以及精度的提高。一般企業(yè)都會(huì)采用半閉環(huán)控制方式，因?yàn)槠溥m用范圍較廣，其經(jīng)濟(jì)性也會(huì)提高。

3.2改造后的機(jī)床調(diào)試及故障分析

3.2.1伺服電機(jī)噪聲過大

該問題的出現(xiàn)主要是由于伺服電機(jī)內(nèi)的主動(dòng)齒輪與絲杠裝配間隙太小，導(dǎo)致齒輪安裝過程中出現(xiàn)歪斜的現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)正常的咬合。對此，必須對電機(jī)的位置進(jìn)行合理的調(diào)整，可采取將偏心套移動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)齒輪中心距離的有效調(diào)節(jié)。

3.2.2工作臺(tái)回程誤差大

在移動(dòng)工作臺(tái)的過程中可能會(huì)產(chǎn)生反向誤差，這是因?yàn)榻z杠間隙或者是傳動(dòng)齒輪側(cè)隙較大直接造成的。對此，可以縮小中心距離，并對齒輪側(cè)隙進(jìn)行一定的調(diào)整，或者是設(shè)置反向的間隙補(bǔ)償值，使得數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償。

3.2.3主軸電機(jī)不變速

在系統(tǒng)AUTO工作方式下，輸入程序：

圖4　程序示意圖

然后開啟該程序，并安排專人對主軸的變化和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行密切觀察。如果主軸的運(yùn)行不正常，如速度不能順利變化，那么就要對數(shù)控系統(tǒng)的主軸輸出接口是否會(huì)有模擬的電壓向外輸送，這樣做的主要目的是確認(rèn)變頻器的參數(shù)設(shè)置是否合理，輸出接口是否有故障發(fā)生。

4　結(jié)束語

綜上所述，機(jī)床的數(shù)控化改造環(huán)節(jié)多，流程較為復(fù)雜，需要根據(jù)機(jī)床的不同進(jìn)行據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國擁有的各類的普通機(jī)床共計(jì)400多萬臺(tái)，其中，有改造可能性的只有50%，由此可見，機(jī)床的數(shù)控化改造技術(shù)相關(guān)研究十分必要的，且當(dāng)前的該行業(yè)對于人才的需求較大，有很大的發(fā)展空間。

[1]楊紹榮，方虹.普通機(jī)床數(shù)控化改造思路探討[J].機(jī)電工程技術(shù)，2011（2）：88～90.

[2]金成功，張?jiān)品?普通機(jī)床數(shù)控化改造的研究與分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009（20）：126.

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