普通车床的数控改造方法及设计

摘 要： 目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3%。普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长的问题，在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，必须大力提高机床的数控化率。本文以车床的数控改造为例，介绍了机床数控改造的方法，包括其结构的改造设计、性能与精度的选择和最后改造方案的确定。

关键词： 数控 改造 机床

一、机床数控改造的意义

1.节省资金

机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。

2.性能稳定可靠

因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。

3.提高生产效率

机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率比传统机床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。

二、普通车床的数控化改造设计

机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。

数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。

传统机床存在一些弱点，如刚性不足、抗震性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率和使用寿命等要求。现代数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。

三、数控车床的性能和精度的选择

并不是所有旧机床都可以进行数控改造，机床改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径和最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度和粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。

轴变速方法、级数、转速范围、功率及是否需要数控制动停车等。

进给速度：Z向（通常为8～400mm/min）；X向（通常为2～100mm/min）。

快速移动：Z向（通常为1.2～4m/min）；X向（通常为1.2～3m/min）。

脉冲当量：在0.025～0.005mm内选取，通常Z向为X向的2倍。

加工螺距范围：包括能加工螺距类型（公制、英制、模数、径节和锥螺纹等），一般螺距在10mm以内都不难达到。

进给运动驱动方式（一般都选用步进电机驱动）。

进给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。

刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。

以上是车床数控改造时需要考虑的一些通用性能指标，有的车床改造根据需要还会有些专门要求，如车削大螺距螺纹、在恶劣的环境下工作的防尘干扰、车刀高精度对刀等，应有针对性地专门设计。

四、车床数控改造方案选择

当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可据此确定改造方案。目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专用车床数控改造系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。

目前较典型的经济型专用车床数控改造系统具有下列基本配置和功能：

1.采用单片微机为主控CPU，具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。

2.配有步进电机驱动系统，脉冲当量或控制精度一般为：Z为0.01mm，X向为0.005mm（要与相应导程的丝杠相配套）。

3.加工程序大多靠面板按键输入，代码编制，掉电自动保护存储器存储；可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。

4.具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程报警，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。

五、车床数控改造实例

CA6140型普通车床的数控化改造主要采用了一种比较简单但是较为典型的改装方案，改造后的车床进给运动由步进电机A和B驱动，它们分别安装在床头箱内（或床身尾部）和拖板后方，通过减速齿轮和纵横向丝杠带动车床的纵横进给运动。

为使改造后的车床能充分发挥数控车床的效能，纵横向丝杠螺母副一般需要调换成滚珠丝杠螺母副。当利用原丝杠螺母副时，为了减少改造工作量，纵向驱动电机及减速箱一般装在床身尾部，这时连接车床原传动系统（主轴系统）和纵向丝杠传动的离合器尚未拆除，工作时应使其处于脱开位置。同理，脱落蜗杆等原横向自动进给机构若未拆除，工作时也应使其处于空档位置。改造后的进给脉冲当量的量值靠步进电机步距角、减速齿轮比、丝杠导程三者协调确定。三者之间换算关系可以以下式表示：

（θ/360）×（ac/bd）×T=δ

式中θ――步进电机步聚角（度）；

T――所驱动丝杠导程（mm）；

a，b，c，d――齿轮齿数，当单级减数时，令c、d等于1；

δ――脉冲当量值（mm）。

步进电机的参数根据阻力矩及切屑用量的大小和机床型号来选择，普通车床（如C6140、C620等）的数控改造中多采用0.08――0.15（N・m）静力矩的步进电机，如选0.08（N・m）的作为横向进给电机；选0.15（N・m）的作为纵向进给电机。

六、结语

实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。其改造涉及机械、电气、计算机等领域，是一项理论深、实践强的系统工程。在进行数控改造时，应该做好改造前的技术准备。改造过程中，机械修理与电气改造相结合，先易后难，先局部后全局。