機(jī)械加工車間普通數(shù)控機(jī)床改造探討：普通機(jī)床與數(shù)控機(jī)床的區(qū)別以及改造的注意事項(xiàng)
普通機(jī)床指的是需要有至少一個(gè)人工進(jìn)行操作才能工作的機(jī)床設(shè)備。數(shù)控機(jī)床指的是可以由一個(gè)或者沒有人工進(jìn)行操作就能工作的機(jī)床設(shè)備。那么，兩者的區(qū)別是什么，普通機(jī)床能改造成數(shù)控機(jī)床嗎?帶著這些問題，我們接著往下看吧。
中國作為機(jī)床大國，為了進(jìn)步機(jī)床的數(shù)控化率，對通常機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造不失為一種上策。一些發(fā)達(dá)國家如德國、美國、日本等就非常重視對機(jī)床的改造，而且已形成了一個(gè)完善的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)系的改造體系。因?yàn)榧寄艿牟粩噙M(jìn)步，機(jī)床改造已成為一個(gè)永久的課題。怎樣將一臺(tái)普通車床改造成數(shù)控車床？
在目前的環(huán)境及條件下，一般的普通機(jī)床需要由一個(gè)工人來操作機(jī)器設(shè)備才能工作，而且普通機(jī)床的操作工也是需要有一定技術(shù)才能上崗。就目前行情來看，一個(gè)普通機(jī)床熟練操作工需要對工件足夠熟悉，以及對機(jī)床的操作足夠熟練才可以，并且操作機(jī)床熟練工的工資成本偏高。
在如此高的用人成本面前，很多企業(yè)會(huì)首先考慮將普通機(jī)床改成數(shù)控機(jī)床，來達(dá)到單機(jī)自動(dòng)化的水平，這樣至少在技術(shù)層面能降低門檻，在人員替換調(diào)整的過程中，至少不會(huì)像普通機(jī)床一樣需要那么高的技術(shù)要求。同樣，技術(shù)門檻降低后，人員的選擇就會(huì)增多，用人成本也會(huì)降低，這是目前發(fā)展的趨勢。
中國應(yīng)在這方面加大宣揚(yáng)力度，走出一條合適中國國情的機(jī)床的數(shù)控改造之路。
一、機(jī)床數(shù)控改造的含義
1．節(jié)省資金。
機(jī)床的數(shù)控改造同置辦新機(jī)床比較，通常可節(jié)省60%~80%的費(fèi)用，大型及特別設(shè)備尤為顯著。通常大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床置辦費(fèi)的1/3。即便將原機(jī)床的構(gòu)造進(jìn)行完全改造晉級(jí)，也只需花費(fèi)采購新機(jī)床60%的費(fèi)用，并能夠使用現(xiàn)有地基。
2．功用安穩(wěn)牢靠。
因原機(jī)床各基礎(chǔ)件通過長時(shí)間時(shí)效，簡直不會(huì)發(fā)生應(yīng)力變形而影響精度。
3．進(jìn)步出產(chǎn)功率。
機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后，即可完成加工的自動(dòng)化，功率可比傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)步3~7倍。對雜亂零件而言，難度越高，成效進(jìn)步得越多。且能夠不必或少用工裝，不只節(jié)省了費(fèi)用，而且能夠縮短出產(chǎn)準(zhǔn)備周期。
二、數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的區(qū)別：
數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置。經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號(hào)，控制機(jī)床的動(dòng)作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動(dòng)地將零件加工出來。數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動(dòng)化機(jī)床，代表了現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
普通車床是能對軸、盤、環(huán)等多種類型工件進(jìn)行多種工序加工的臥式車床，常用于加工工件的內(nèi)外回轉(zhuǎn)表面、端面和各種內(nèi)外螺紋，采用相應(yīng)的刀具和附件，還可進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、攻絲和滾花等。普通車床是車床中應(yīng)用最廣泛的一種，約占車床類總數(shù)的65%，因其主軸以水平方式放置故稱為臥式車床。
用戶不能隨意更換機(jī)床附件，如使用超出說明書規(guī)定的液壓卡盤。制造廠在設(shè)置附件時(shí)，充分考慮各項(xiàng)環(huán)節(jié)參數(shù)的匹配。盲目更換造成各項(xiàng)環(huán)節(jié)參數(shù)的不匹配，甚至造成估計(jì)不到的事故。 使用液壓卡盤、液壓刀架、液壓尾座、液壓油缸的壓力，都應(yīng)在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，不允許任意提高。
三、普通機(jī)床改數(shù)控機(jī)床需要注意的地方：
隨著機(jī)床工業(yè)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造逐漸成為一個(gè)熱門的的話題。很多地區(qū)現(xiàn)在還是以普通機(jī)床居多，將這些普通機(jī)床改造為數(shù)控機(jī)床，提高產(chǎn)能和效能，成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。那么，一臺(tái)普通機(jī)床如何才能成功升級(jí)為數(shù)控機(jī)床呢?
1、數(shù)控化改造的內(nèi)容
普通機(jī)床(生產(chǎn)線)進(jìn)行數(shù)控化改造，施工過程主要分為幾個(gè)方面：第一是恢復(fù)原機(jī)床的功能，對機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)。第二是控制系統(tǒng)NC化，將普通機(jī)床改造成NC機(jī)床、CNC機(jī)床(即數(shù)控化機(jī)床)。第三是進(jìn)行加工性能的翻新，以提高精度、效率和自動(dòng)化程度。第四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，將新技術(shù)應(yīng)用在待改造機(jī)床上，提升其整體性能。
2、普通機(jī)床數(shù)控化改造中主要機(jī)械機(jī)構(gòu)的改造
要求機(jī)床數(shù)控改造時(shí)要盡量達(dá)到較高的靜動(dòng)態(tài)剛性，運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦系數(shù)小、傳動(dòng)無間隙、功率大，便于操作和維護(hù)。
3、機(jī)床數(shù)控改造主要步驟：
1).機(jī)械修理與電氣改造相結(jié)合。
2).先易后難，先局部后全局。
3).根據(jù)使用條件選擇系統(tǒng)。
4).落實(shí)參與改造人員和責(zé)任。
5).改造范圍與周期的確定。
6).改造的技術(shù)準(zhǔn)備。
總之，不能認(rèn)為裝數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造，才能獲得預(yù)期的改造項(xiàng)目。
所以，在選擇要將普通機(jī)床改數(shù)控機(jī)床的時(shí)候，還是需要找更專業(yè)的企業(yè)來完成技術(shù)層面的工作，通過更多案例和實(shí)地考察，以及更多的數(shù)據(jù)來確保在改造的過程中能夠順利完成，因?yàn)橐慌_(tái)普通機(jī)床可能成本不高，但是改數(shù)控機(jī)床的成本卻不低。不過，在選擇數(shù)控改造的同時(shí)，可以更多的參考其他自動(dòng)化升級(jí)方面，比如工業(yè)機(jī)械手改造，全自動(dòng)送料系統(tǒng)等等，都是目前企業(yè)自動(dòng)化改造提升的重點(diǎn)項(xiàng)目。
四、機(jī)床數(shù)控改造的方案
1．?dāng)?shù)控體系的挑選
數(shù)控體系是機(jī)床的中心，在挑選時(shí)，要對其功用、經(jīng)濟(jì)性及修理服務(wù)等進(jìn)行歸納思考，盡量選用名牌產(chǎn)品。依據(jù)被改機(jī)床的構(gòu)造、功用及被加工零件的精度來挑選數(shù)控體系。既要功用相匹配，又要盡量削減過剩的數(shù)控功用。這樣一方面可防止資金浪費(fèi)，另一方面也可防止因數(shù)控體系雜亂而增加的故障率。
當(dāng)前數(shù)控體系主要有三種類型：步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)體系;異步電機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)光柵丈量反應(yīng)的閉環(huán)數(shù)控體系;交/直流伺服電機(jī)拖動(dòng)編碼器反應(yīng)的半閉環(huán)數(shù)控體系。其間步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)體系，其伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。該體系位移精度較低，但構(gòu)造簡略、調(diào)試修理便利、質(zhì)量安穩(wěn)牢靠、成本低、抗干擾功用強(qiáng)、對環(huán)境室溫需求不高，易改裝成功。適用于精度需求通常的中小型機(jī)床的改造，也是當(dāng)前數(shù)控改造中使用最為廣泛的一種。異步電機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)光柵丈量反應(yīng)的閉環(huán)數(shù)控體系控制精度高，但在構(gòu)造上比開環(huán)進(jìn)給體系雜亂，工作量大，成本也高，調(diào)試艱難，通常不選用。交/直流伺服電機(jī)拖動(dòng)編碼器反應(yīng)的半閉環(huán)數(shù)控體系，其精度介于前二者之間，構(gòu)造與調(diào)試都較閉環(huán)體系簡略，適用于控制精度需求較高的大、中型機(jī)床的改造。
2．機(jī)械有些改造
機(jī)床數(shù)控改造后應(yīng)到達(dá)較高的靜動(dòng)態(tài)剛度，為此需求運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦系數(shù)小、傳動(dòng)無空隙、功率大，而且便于操作和修理等。
對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有原精度外，還要有杰出的耐摩性和小的摩擦阻力。當(dāng)前多使用在原導(dǎo)軌上粘接聚四氟乙烯軟帶，能防爬，并具有自潤滑性，可進(jìn)步導(dǎo)軌壽數(shù)，工作量小、周期短、費(fèi)用低。
傳動(dòng)鏈的精度受傳動(dòng)絲杠和齒輪副的影響?；瑒?dòng)絲杠報(bào)價(jià)低，但難以滿意精度需求較高的零件加工;滾珠絲杠摩擦丟失小，傳動(dòng)功率可在90%以上，傳動(dòng)活絡(luò)、精度高、壽數(shù)長，且能夠下降電機(jī)發(fā)動(dòng)力矩，可滿意較高精度零件的加工需求。
為確保傳動(dòng)精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級(jí)都比通常機(jī)床高，要到達(dá)無隙傳動(dòng)。消除齒輪副的傳動(dòng)空隙有柔性調(diào)整法和剛性調(diào)整法兩種。柔性調(diào)整法構(gòu)造雜亂，傳動(dòng)剛度低;剛性調(diào)整法傳動(dòng)剛度高，構(gòu)造簡略。
五、機(jī)床數(shù)控改造實(shí)例分析
現(xiàn)以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床為例說明改造要點(diǎn)。
1．挑選數(shù)字控制體系。
進(jìn)口數(shù)控體系有日本Fanue、德國Siemens、美國MCS-8051體系等。國產(chǎn)數(shù)控體系主要有華中數(shù)控、廣州數(shù)控體系等。這些體系均有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、車公/英制螺紋、刀具補(bǔ)償、空隙補(bǔ)償、刀具自動(dòng)轉(zhuǎn)位等功用，功用安穩(wěn)，價(jià)錢適中，操作面板簡略直觀，有發(fā)動(dòng)鍵、暫停鍵、單段/連續(xù)開關(guān)、連續(xù)進(jìn)給鍵、急停鍵、鍵盤、顯示屏等。不但控制弱電，而且對主軸變速、刀架轉(zhuǎn)位、主軸啟停與換向及其他一些輔助性動(dòng)作也能通過指令控制。
2．滾珠絲杠副改造。
為了完成絲杠無隙傳動(dòng)，應(yīng)將原機(jī)床的滑動(dòng)絲杠改換成滾珠絲杠副。此項(xiàng)不屬必改項(xiàng)，如對機(jī)床精度需求不高時(shí)，能夠通過預(yù)緊原螺母的方法消除傳動(dòng)空隙。
3．步進(jìn)電機(jī)選用。
車床進(jìn)給傳動(dòng)有些改造時(shí)要拆除機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，代之以步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪或同步帶、減速驅(qū)動(dòng)絲杠，帶動(dòng)刀架移動(dòng)?？v向步進(jìn)電機(jī)固定在床身上，橫向步進(jìn)電機(jī)固定在床鞍上。如步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩足夠大及構(gòu)造許可的情況下，也能夠不必減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)直接與滾動(dòng)絲杠相連。
4．自動(dòng)刀架安裝。
將原車床的刀架換成自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。臥式車床自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架最常見的型式是螺旋型四轉(zhuǎn)位刀架，拆除小拖板后將刀架調(diào)整好高度安裝在中拖板上，由數(shù)控體系直接控制，功率高，工藝功用牢靠。
5．安裝光電編碼器
加工螺紋時(shí)為了確保步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給與主軸的旋轉(zhuǎn)相配合，切削出固定螺距、固定起點(diǎn)、多頭螺紋等量分度的螺紋，通常在主軸尾部安裝增量式光電編碼器。切制螺紋時(shí)，編碼器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)出與主軸轉(zhuǎn)角相對應(yīng)的脈沖信號(hào)，控制刀架縱向移動(dòng)。
6．導(dǎo)軌改造。
為防進(jìn)給部件爬行，影響運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和定位精度，可選用兩種方法，一種是將原導(dǎo)軌貼軟帶;另一種是改為滾動(dòng)導(dǎo)軌。當(dāng)機(jī)床精度需求不高時(shí)，通常不做導(dǎo)軌改造。
7．主軸變速機(jī)構(gòu)。
主軸變速改造通常選用交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速體系，由CNC控制變頻器、變頻器驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)完成自動(dòng)無級(jí)變速。在自動(dòng)化程度需求不高的情況下，機(jī)床主軸變速有些可不做改動(dòng)，這樣可大大下降改造成本。
六、改造實(shí)例
本文以CA6140普型車床數(shù)控化改造為例，介紹總體方案設(shè)計(jì)，機(jī)械改造設(shè)計(jì)和數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)數(shù)控車床的性能要求，確定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的快速定位速度：Z軸為3m/min;X軸為1m/min;脈沖當(dāng)量：Z向?yàn)?.01mm/脈沖;X向?yàn)?.005/脈沖。
1、總體方案設(shè)計(jì)
數(shù)控系統(tǒng)自行研制，基于8301單片機(jī)為控制核心，以步進(jìn)電機(jī)為伺服驅(qū)動(dòng)裝置，以工作臺(tái)和刀架為執(zhí)行部件構(gòu)成一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)?？傮w方案設(shè)計(jì)如圖1所示：
2、機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)
根據(jù)CA6140車床的實(shí)際，本著對車床的改動(dòng)盡可能少，改造成本低的原則，機(jī)械部分改造方案如下：
1)、保留車床主軸旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng);
2)、縱橫向運(yùn)動(dòng)的改造均是卸掉托板上的手輪或手柄，通過對1對齒輪副組成減速裝置，然后與相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相連接。
3)、設(shè)計(jì)一四工位電動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，由1個(gè)三項(xiàng)異步電機(jī)帶動(dòng)。
4)、自行研制基于8301單片機(jī)的控制系統(tǒng)。
5)、在刀架的縱橫向運(yùn)動(dòng)中，設(shè)置安全超程限位保護(hù)裝置。
3、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1)、硬件系統(tǒng)
采用8301單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，外接一片27256(32kx8)EPROM存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件，一片62256(32kx8)靜態(tài)RAM存放加工程序和數(shù)據(jù)，采用擴(kuò)展的8255和8155接口芯片處理鍵盤、顯示器和進(jìn)步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)刀架控制及滿足插補(bǔ)要求。
2)、軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)硬件框圖，結(jié)合系統(tǒng)功能要求，可編制函數(shù)控制器數(shù)控系統(tǒng)軟件，軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)初始化程序、鍵處理及顯示程序、輸入數(shù)控處理程序、插補(bǔ)計(jì)算程序、步進(jìn)電機(jī)輸出控制程序和管理程序等，其中插補(bǔ)程序的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，根據(jù)G1、G2、G3等插補(bǔ)指令進(jìn)行計(jì)算，分別向X、Z軸發(fā)出進(jìn)給脈沖，步進(jìn)電機(jī)輸出控制程序用來控制X、Z向步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配，管理程序負(fù)責(zé)對微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件的各個(gè)程序和任務(wù)進(jìn)行調(diào)查管理，以及對操作鍵、編輯器等引起的中斷進(jìn)行處理。
七、應(yīng)注意的問題
1、施工隊(duì)伍的挑選。
改造效果很大程度上依賴于施工隊(duì)伍的素質(zhì)，應(yīng)重視。
2、現(xiàn)場調(diào)試。
此階段應(yīng)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，并為驗(yàn)收作準(zhǔn)備。
3、驗(yàn)收。
驗(yàn)收通常有兩個(gè)內(nèi)容：(1)標(biāo)準(zhǔn)樣件的試切削，按照標(biāo)準(zhǔn)制定切削程序。在有資格的操作工、編程人員配合下進(jìn)行試切削，以此檢驗(yàn)機(jī)床剛度、切削力、噪聲、運(yùn)動(dòng)軌跡和關(guān)聯(lián)動(dòng)作等是否合格。(2)機(jī)床精度的校驗(yàn)。改造后機(jī)床的控制精度應(yīng)以體系本身的功用(如步進(jìn)尺寸等)與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具(如激光干涉儀)對照檢查，這樣可用得到的數(shù)據(jù)補(bǔ)償位置丈量體系，從而進(jìn)步機(jī)床精度。同時(shí)還應(yīng)與改造前機(jī)床的各項(xiàng)功用和精度作對比，獲得量化的指標(biāo)差。機(jī)床的各項(xiàng)機(jī)械功用指標(biāo)都應(yīng)到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)需求，幾何精度要在規(guī)定的范圍之內(nèi)。
4、改造資料的留存。
機(jī)床改造后還應(yīng)從施工單位索取改造圖紙、資料和改造記錄等，將其匯總、整理、歸檔。保持資料的完整對設(shè)備今后的安穩(wěn)運(yùn)行十分重要。
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