机床的数控化改造设计

机床的数控化改造设计

发表时间：2012-06-08T14:53:39.437Z 来源：《赤子》2012年第3期（下)供稿作者：孙杰王振锁杨玉山[导读] 对原有机床进行改造，既可以使机床发挥更大的作用，生产出质量更高的产品，又可以节约投资。孙杰王振锁杨玉山（辽沈工业集团有限公司，辽宁沈阳 110045）摘要：对原有机床进行改造，既可以使机床发挥更大的作用，生产出质量更高的产品，又可以节约投资。本文对普通机床伺服系统、数控

系统、机械部件、传动装置元件、刀架等的改造设计进行了详细的阐述。关键词：机床；改造设计；数控化随着各行业对机械加工产品要求的不断提高和数控技术的飞速发展，数控机床以其精度高、效率高和劳动强度低等诸多普通机床无法比拟的优势，成为当今制造业的主流加工设备。一个企业设备数控化程度的高低已经直接影响到了它的生存。那些拥有大量普通机床的工厂，正面临着巨大的挑战。这些厂家效益不好的主要原因，一方面是大量普通机床闲置造成浪费，另一方面是没有足够的资金购买新的数控设备。因此，投入较少的资金，把原有机床进行升级改造，使之变成数控机床，就成了解决这一问题的最好办法。现在，机床的改造，特别是把普通机床改造成经济型数控机床，已经成为企业设备投资的重要组成部分。

1 伺服系统的设计

伺服系统是数控机床的重要组成部分，它既是数控系统CNC系统与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节。它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。伺服系统按控制方式分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三类。在普通机床的数控化改造中，一般选用价格较低的开环控制系统。该系统的执行元件——伺服电机，通常采用步进电机或永磁式交流伺服电机。

1.1步进电机是采用脉冲数字信号进行控制的，每转一转步距误差自动变为零，易于控制，价格最低。其设计的关键是对参数进行确定。确定参数的具体方法是先计算电机的步距角，其次确定其步距精度，然后再对它的转矩进行选择，最后选定步进电机驱动器。

1.2永磁式交流伺服电机常用于进给驱动系统中，它容量大，结构简单，运行可靠，效率高，但启动特性欠佳。其设计法是先确定电机的额定转速，其次设计其负载惯量，然后再确定它的额定转矩，进行电机预选，最后通过进一步的速度、加减速转矩及连续工作转矩的验算确定预选电机是否符合要求。

2 数控系统的设计

数控系统是数控机床的中枢，是其中最关键的环节。目前，市场上数控系统的类型较多，涉及选择时要保证能购得最适合的系统，就必须要充分考虑改造中各方面的因素。

2.1要考虑被改造机床的功能要求。根据机床的功能要求选择数控系统，以使数控系统所具有的功能要与准备改造的机床所能达到的功能相匹配。既要避免因片面追求数控系统的高性能指标，而选择了功能远远多于改造机床功能的系统，造成功能过剩、资金浪费，且在一定程度上还可能潜伏下由于数控系统复杂程度的增加而带来故障率升高的隐患。又要保证所选数控系统能满足机床全部功能要求，不要出现一些因必须的系统功能短缺，影响其它功能的使用，使机床的优良性能发挥不出来。

2.2要考虑数控系统的制造厂商。老牌著名跨国公司主要有德国的西门子、法国的NVM等，国内公司主要有中华数控、中国珠峰、北京航天等。目前，进口系统的性能尚优于国产系统，但价格也较高，因此适用于大型高精度机床。国产系统功能较简单，性能较稳定，价格便宜，对一般车床、铣床已能可靠使用。

2.3要考虑数控系统与其它配件的匹配。如果数控系统、电机及驱动器的品种、牌号太杂，在连接各部件时，就可能会出现输入与输出信号的不匹配及在传送中信号产生滞后等现象。因此，设计时要优先考虑能提供进给伺服系统和主轴驱动的厂家的数控系统。

2.4在资金允许的条件下，尽量向著名厂家型号系列靠拢。一般著名厂商此类系统零件筛选更严格，制造工艺更规范可靠，性能稳定，能更好地预防电器元件的故障或提前失效引起的设备故障，也有利于维修。

3 机床机械部件的改造设计

数控机床的机械部分在刚度、精度、速度、摩擦磨损等方面较普通机床有更高的要求。因此，不能简单地认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了机床数控改造的目的。而是应该从机床自身的价值考虑，分析改造要达到的目标和所需投入。从该机床在本单位产品制造中的地位和重要程度来分析改造价值。对被改造机床的结构、性能、精度等技术现状作全面分析。其中包括机床原来的结构设计是否符合改造要求，部件结构是否仍然完好，各坐标轴的机械传动结构及导轨副的形式等是否适用，各项精度是否满足要求，机床在加工中是否存在故障和历史上有无出现过重大故障。从该机床的投入产出率估算，确定最终改造方案。

3.1主传动系统的改造设计。在对主传动系统进行改造时，一般应尽量保留原主轴箱齿轮变速换档机构，只把主轴的正转、反转和停转由原来的机械控制改变为由数控系统控制。为了使改装后的机床主传动和进给传动保持必然的联系，要在主轴箱内安装一个与主轴同步旋转的旋转脉冲编码器。如普通车床改装为数控车床时，在主轴箱内装主轴脉冲编码器，以保证改造后的车床具备螺纹加工的功能。

3.2进给传动系统的改造。在对进给传动系统进行改造时，一般都应该把原来的进给变速传动装置及操纵机构全部拆除。而每个方向的进给传动都改由各自独立的功率步进电机，经减速齿轮直接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运动，进行各坐标的控制。

4 对传动系统中的传动装置元件进行改造设计 4.1丝杠。丝杠是将回转运动转换为直线运动的传动装置。改造设计时，为了满足数控机床上较高精度零件的加工要求，应该用滚珠丝杠螺母副替换原普通机床上的梯形丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副把传动丝杠与螺母之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦，使摩擦损失减小，精度保持性、传动平稳性、传动效率等都得以提高。

4.2拖板。拖板是数控系统直接控制的对象。不论是点位控制、直线控制，还是轮廓控制，被加工零件的最终坐标精度都将受到拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。除拖板及相配件精度要高外，由驱动电机到丝杠间的传动齿轮也要采用间隙消除结构。以满足传动精度和灵敏度的要求。常用的消隙方法有刚度调整法和柔性调整法两种。刚性调整法传动刚度较好，结构简单，但调整起来很费时；柔性调整法，一般用弹簧弹力自动消除齿侧间隙，传动刚度较低，传动平稳性差，结构复杂。改造中，可根据机床加工目标选用。具体选用可参考有关资料。