普通机床数控改造关键技术的设计研究

摘 要：随着我国计算机技术的发展，以及CAD软件的普及，机床加工中，对普通机床进行数控化改造，能够提高生产效率，大大促进机床自动化进程，有效的扩展与完善机床的功能，简化机械产品加工处理方法。本文从普通机床数控化优势为着眼点，详细分析了普通机床数控改造的关键技术：开环控制技术、机床机械部分数控改造、步进电机改造技术、数控机床系统设计。通过对普通机床数控改造技术的分析及实践发展，通过对普通机床进行数控改造，不但延长了普通机床的使用寿命，而且大大提高了加工产品的质量，其前景十分可观。

关键词：机床 机床数控化 数控改造

中图分类号：TG502 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（a）-0069-02

实现机床数控化，不仅可以提高机械加工自动化水平，也可以提高普通机床的工作性能，同时，数控化机床也能够为企业机械加工节省资金，有效提高机床精度与效率，本文主要以某型号普通机床的数控化改造为例对基于普通机床的数控改造关键技术进行研究分析。

1 普通机床数控化优势

普通机床数控化，可以应用软件系统程序，使计算机进行自动编制，自动编程取代了传统手工编程的方式，极大提高了当前机床工作效率。同时也具有一定的灵活性，提高机床在执行动作，提升普通机床控制智能化。而且数控机床中，很大程度上提高普通机床产品精度、效率，简化数控操作。

2 普通机床数控改造关键技术

2.1 开环控制技术

数控机床有开环控制和闭环控制两种，其中开环控制结构简单、方便改装，成本相对更低，本次普通机床数控化改造中，根据改造后机床的要求，选择步进电机开环控制系统，以简化结构、降低成本。机床改造后，由数控系统发出指令脉冲，对系统执行部件进行控制，位移量、速度和运动方向的控制，通过对指令脉冲数量、频率和通电顺序的控制实现。8255PA口输出控制字，通过光电耦合导通，TIP142导通电源驱动电机，电流检测电路接上的采样信号经过放大、比较最后将信息送到TIP147基极驱动电路控制TIP147的饱和与截至从而控制27V电源电路的通断。若绕阻电流不够3A，则27V电源工作，使电流增加，电流达到电机允许的限度时反馈信号经检测电路控制TIP147截至，27V电源停止工作，电流由5V电源供给，TLP421-4用于将电路中+5V电压与+27V电压隔开，以防+27V高压破坏器件。

2.2 机床机械部分数控改造

机床数控改造机械部分设计中，对于零件结构、尺寸等方面，应满足传动稳定，不影响精度或者精度必须满足在要求的范围内，结构尽量简单、传动合理以及经济性好的优点。对于丝杠传动副改造中，确保被加工零件坐标精度，降低电机启动力矩，拆除原进给传动链，换上伺服电机直接驱动的滚珠丝杠传动；在齿轮副改造中，确保有良好的耐摩擦与磨损特性，这样可以减少摩擦阻力，在改造中，可以将螺钉以及粘剂固定在铸铁床身上；使用步进电机经齿轮减速后再传动丝杆，以达到机床改造中分辨率的要求；采用滚珠丝杆螺母副，以减少摩擦力，保证精度和平稳性。预紧结构采用双螺母纹式，这种预紧方法结构较紧凑，可随时调整滚道磨损，通过对端部圆螺母的调整，实现螺母的轴向位移。为提高工作效率，提高改造后机床自动化水平，将原车床手动刀架改造为电动刀架。车床电动刀架可完成零件加工中不同工序的换刀工作，采用三相微型异步电动机驱动刀架，结构采用预加负荷，以消除间隙，提高传动刚度。在机床的自动换刀装置改造中，需加入自动回转刀架；对于机床安全防护改造中，应该采取特殊保护，严防灰尘特、切屑、硬砂粒进入切削滚道。

2.3 步进电机改造技术

机床数控化改造中开环伺服系统执行元件一般为反应式功率步进电机，合理选择步进电机对于防止机床数控化改造后发生反应缓慢、失步或系统精度不够等问题有着重要意义。步进电机的选择需考虑机床精度、脉冲当量、负载惯量、快速空载起动转矩、工作状态负载转矩及负载起动频率、运行最高频率，首先对等效转动惯量、电机力矩、空载起动频率和切削时工作频率等进行计算，根据计算结果，进行匹配，确定数控化改造中合适的电机型号，本次改造中根据计算结果，最终选择90BF002型步进电机。由于普通机床刀架滑移由两个驱动装置的滑移组成，与导轨平行方向和导轨垂直的水平方向，由于在这两个方向可任意滑移，所以，刀架（包括刀具）可停留在加工有效区的任意位置；伺服系统进给量、速度的控制，主要是利用PLC编程通过控制脉冲信号实现。采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，采用软件自动升降速控制，实现这样的分配方案，只需PA口顺序输出二进制控制字001H、011H、010H、110H、100H、101H即可；电机反方向旋转时，输出顺序相反。采用通用接口芯片8255的PA口作为步进电机的控制口，不需要用专门电路把单序列脉冲转换为多序列脉冲，增加主回路电阻和放电回路电阻改善电波形，使上升沿与下降沿陡峭。驱动电路电源部分，由于驱动电路需要直恒流27V、15V、6V、5V稳定电源，根据驱动电路中步进电机满足电流在3A以上。

2.4 数控机床系统设计

改造后的数控机床数控系统由硬件电路、软件程序组成，前者包括单片机、车床、辅助电路等，为数控系统的基础，其性能对系统的整体工作性能有着直接的影响；后者由监控软件和控制软件两部分组成，监控软件主要用于系统状态的监测，并提供基本操作管理，控制软件根据编程对机床运行进行控制。

数控机床的硬件部分由CPU、总线、存贮器和I/O接口电路四个部分组成（见图1）。CPU负责数据运算处理，通过对各部分电路的控制，使电路协调工作，是整个系统的核心；存贮器存放系统软件及其运行过程中所需的各种数据；通过I/O接口实现系统和外界的信息交换；CUP、存贮器、I/O接口及其他转换电路利用总线例连接在一起。