浅谈车床数控化改造的必要性及特点

摘 要：采用先进的数控车床，已经成为当今世界制造业的发展趋势。把卧式车床改装成数控车床，是一条提高机床数控化率的具有可行性和经济性的途径。

关键词：传统机床 数控化改造 必要性 特点 步骤

随着制造业现代化水平的不断提高，机床数控化率相应提高。利用电子技术和计算机技术对车床进行数控化改造，对提高生产效率、保证加工质量、进一步提高车床设备的先进性，不仅具有可行性，还具有经济性。本文就车床的数控化改造谈几点看法。

一、车床数控化改造的必要性

数控机床与传统机床相比有以下突出的优越性，而且这些优越性均与计算机有关。

一是数控机床可以加工出传统机床不能加工的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。

二是数控机床可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，相比传统机床效率提高了3～7倍。计算机有记忆和存储功能，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更改一个程序，就可以实现另一个工件加工的自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，故被称作实现了“柔性自动化”。

三是数控机床加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要修配。

四是数控机床可实现多工序的集中，减小零件在机床间的搬运频率。

五是数控机床拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而加工可实现长时间无人看管。

由于数控机床具有以上五大优越性，因此大大降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。

从宏观上看，大规模应用数控机床的本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还在产品中开发CAD、CAE、虚拟制造，在生产管理中推行MIS（管理系统）、CIMS等，在生产的产品中增加信息技术包括人工智能等，最终使得产品在国际军品和民品市场上的竞争力大为增强。我国机床拥有量中数控机床的比例（数控化率）还比较低，因此每年都需进口大量机电产品。这也就从宏观上再次说明了机床数控化改造的必要性。

二、车床数控化改造的特点

与发达国家相比，目前我国车床主要是卧式车床，型号陈旧，技术水平落后，严重制约了生产的发展。采用先进的数控车床，已经成为当今世界制造业的发展趋势。鉴于国内制造业中普通机床的占有率较高，提高车床数控化率有两个可行的途径，一是购置新的数控车床，二是把卧式车床改装成数控车床。

花大量的资金更换全新的数控车床，给企业造成的经济负担较大，同时报废大量的普通车床也是很大的浪费。因此，各个企业可根据自身的情况，酌情提高车床的数控化率，可以购置一批精度高、性能强的数控车床，或数控化改造一批尚有一定精度的卧式车床。

1.卧式车床数控化改造的特点

（1）车床改造针对性强，能满足生产的要求。因为车床的改造方案是根据原机床中存在的问题提出的，要改哪些地方、改到什么程度都要有的放矢，能与生产结合，可以直接将科学技术转化为生产力，企业有积极性。

（2）车床改造可以充分利用原车床的绝大部分零、部件，大大节约原材料和资金，见效快，改造周期短，可满足生产急需。因为旧车床数控化改造中，大部分床身、立柱等基础件和许多传动部分都不需更换，费用只有购买新车床费用的l/15～1/10，工期大大缩短，节约了成本。

（3）改造后的车床性能稳定可靠，车床应用范围得到扩大，能适应多品种、小批量零件的生产。因为车床的大型构件一般是铸铁制成的，而铸铁件年代越久时效越充分，精度比新铸件更加稳定。改造不需要改变支撑类大型构件，只需修复或更换中小型部件就可以获得与新车床类似的效果。改造后的车床功能有较大的提高，除了保有原有功能外，还可以满足各种复杂型面类零件的加工要求，扩大了车床的应用范围。

（4）经过数控化改造，可以有效提高工件加工精度和生产效率。改造依据了生产技术的发展要求，及时提高了生产设备的自动化水平和效率，提高了设备质量。

（5）可以充分发挥企业现有技术力量的作用，调动技术人员的积极性，同时对工人技术水平的要求也不会太高。

（6）在改造期间，通过拆解旧车床、装配新的零部件等改造过程，间接培养了数控人才，让其对机床的特性有更详细的了解，从而缩短了操作使用和维护方面的培训时间，见效快。

2.车床数控化改造的成效

通过车床数控化改造，可以使其具有如下优点：可以加工出卧式车床加工不了的曲线、曲面等复杂零件；可以实现加工柔性自动化，效率比靠凸轮或挡块等实现模拟自动化的机床高3.7倍；加工精度高，尺寸分散度小，易于装配；可实现多工序集中加工，提高了加工精度，同时减小了被加工零件在机床间的搬运频率；拥有自动补偿等多种功能，简化了传统机床加工工艺中的工序，机床利用率得以大幅提高；若购置一台新的数控机床，国产数控机床价格也要10万元，进口设备的价格更高，而对卧式车床进行数控化改造也能满足实际生产的需要，改造的成本只要2万～3万元；由于采用了自动化加工技术，可以大大降低操作者的劳动强度，减少废品率，提高工作效率。

三、车床数控化改造的基本步骤

1.设计总体改造方案

数控机床由机床、数控系统和设备三部分组成。卧式车床改造的目的是利用数控系统控制原有车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产率。

在考虑经济型数控机床改造的具体方案时，所遵循的原则是，在满足需要的前提下，对原有车床尽可能减少改动量，以降低改造成本。改造中需要解决的问题是：增加数控装置，设计微机控制装置或选用经济型的数控系统；将现有机械传动的进给控制装置改造成数控控制的无级自动变速的进给系统；将丝杠换成滚珠丝杠，提高传动精度；把手动控制的刀架转位装置改造成数控装置控制的自动转位刀架；加装脉冲编码器，实现螺纹的自动切削。若对改造后机床的要求较高，则要改造主轴，重新设计主轴箱，使用主轴伺服电动机或电主轴。

2.数控化改造项目

（1）控制系统的选定。目前市场上数控系统的类型比较多，选择前首先应对拟改造的卧式车床的功能有一个充分的了解，可按照价格合理、技术先进、服务方便的原则选择微机系统式数控系统。若选择微机系统，需要完成软、硬件的设计，即要完成X轴、Z轴的进给控制。分别完成X、Z向的插补运动，可实现车削端面、外圆、任意锥度圆弧面、球面等加工。为了能够加工螺纹，配用主轴同步脉冲传感器，可加工导程在6mm以下的螺纹工件。整个系统属于开环控制，结构简单，驱动力大，成本较低，抗干扰性能强，能很好地满足生产的需要，但是设计工作量大，系统稳定性不高。

另外，还可以根据实际情况选择经济型车床的数控系统，调制、安装简单，可靠性较高，价格较贵。

（2）机械部分的改造。

①滑动导轨副。对数控车床来说，导轨除了应该具有卧式车床导轨的精度和工艺性外，还要有良好的耐磨性，并减少因摩擦力而致死区。同时还要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和。一般卧式车床的导轨材料为HT200，机床改造时可在原床鞍下滑面经机械加工后贴一层聚四氟乙烯软带。聚四氟乙烯软带与铸铁配合时，具有良好的减磨性能，动摩擦因数约为铸铁的1/8～1/3，能有效地防止机床的爬行。此外，床鞍与床身、中滑板与小滑板应接触均匀，接触面积不应小于70%，接触点数不应小于10点/cm2，这是保证加工精度和尺寸一致性的关键之一。

②丝杠传动副。一般数控车床或数控系统要求采用滚珠丝杠副传动，目的是为了提高机床的进给精度，减小传动副的摩擦阻力。根据JB/T 2886—2008丝杠精度标准可知，滚珠丝杠分为九级。卧式车床使用的是7级精度的滑动丝杠。将3级精度的滚珠丝杠与7级精度的滑动丝杠比较，从精度来讲，二者的差异并不大，因此建议选用3级滚珠丝杠来替换原有丝杠。这样的好处是传动速度快，反向灵敏，精度较高，所需转矩小。

③拖板系统。拖板的运动是数控系统直接控制的对象，不论是点位控制还是连续控制。被加工零件的最后坐标精度将受拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响，尤其是用步进电动机作为拖动元件的开环系统更是如此。因为数控系统发出的指令仅使拖板运动，而没有位置检测和反馈，故实际移动值和系统指令值的差别造成加工误差。因此，除了床鞍、中滑板（小滑板已被取消）配合精度要求较高外，在传动装置的布局上还应采用减速齿轮箱来提高传动转矩和传动精度（分辨率为0.01mm）。

④主轴同步传感器。主轴同步传感器的作用就是传递信息给数控装置，保持主轴的速度和刀架进给量一致。安装时要求机床主轴转一圈，传感器也要转一圈，这样才能保证发给数控装置的信号准确，车削螺纹时不乱扣。

⑤车刀刀架的改造。将原来的小滑板拆掉，改用四刀位的自动回转刀架或盘式回转刀架，数控系统最多能控制4～12把车刀，可顺时针连续换刀。

（作者单位：河南省职业技术培训教研室）