普通机床数控化改造要点探讨

杨秋平等

摘 要：随着数控及自动化的发展，普通机床在能耗、效率及精度方面较现代化数控机床差距很大，并且普通机床精度下降后的大修耗时长，对维修技术工人的技能依赖度高，本文旨在通过对普通机床数控化自动化改造要点进行探讨，目的在于解决普通机床能耗高、效率低、精度低及维修依赖度高等方面的问题。

关键词：普通机床；数控；改造

1 普通机床的概念及常规大修方法

本文探讨的普通机床均是指由三相异步电动机作为动力，有一定长度的滑动摩擦平面或V型导轨，且导轨往复运动使用频率较高，机床大修周期较短的通用设备或专用设备。

普通机床的大修主要是解决由于导轨的磨损导致的机床精度下降问题。导轨磨损较少、一般采用刮研导轨修复的方法，由专业技术钳工完成，对钳工的经验及技能依赖很大，钳工的经验和技能直接决定导轨刮研质量的好坏，导轨刮研工作量大，特别是大型机床，对钳工的体能也是一种考验，而且普通机床不能无限次的刮研，刮研次数过多或刮研量较大会影响机床的中心等参数；导轨磨损严重时一般采用在导轨上下摩擦面上粘贴导轨板的方法修复，此方法与刮研修复相比除同样对维修钳工技能要求较高外，同样设备情况下维修工作量较小，且对机床的中心等参数影响小，

目前由于数控机床标准化导轨的出现以及钳工工种本身的高劳动强度，年轻的钳工技术工人越来越少，企业也在探寻能够替代维修周期长、劳动强度高、钳工技能依赖严重的设备改造方法，期待通过设备改造，将导轨更换成精度及刚性合适的标准件，这样就能大大缩短维修周期，减轻维修钳工劳动轻度，降低对维修钳工的技能依赖。

2 普通机床数控化改造

对普通机床进行数控化改造主要解决两方面的问题，一是导轨改造、二是数控系统选用。导轨改造可以将导轨标准化，降低电机负载（或直接降低电机额定功率选择），数控系统选用，主要是根据机床加工特点选用步进电机或伺服电机，确定加工轴数（电机数），安装限位等。

2.1 导轨改造

（1）导轨选用

从导轨的经济性、刚性、安装尺寸、负荷及扭矩等方面综合考虑选用。

经济性方面主要考虑选用线性滑轨和交叉滚子导轨，线性滑轨是顺应现今机械高精度、高性能化的趋势而研发的，具有高精度、高负载能力、高刚性、全密封防护、低噪音、低摩擦力、互换性及安装方便等特点，由导轨和滑块配合使用；交叉滚子导轨是由两根带有V型滚道的导轨、特殊材质的塑料保持架、圆柱滚子组成，相互交叉排列的圆柱滚子在经过精密磨削的V型滚道上做往复运动，可承受各个方向的载荷，实现高精度、平稳的直线运动，具有滚动摩擦力小、稳定性能好、启动摩擦力小、随动性能好、接触面积大、弹性变形量小、安装使用方便等特点。相近规格的情况下交叉滚子导轨价格较高，不过交叉滚子导轨主要是小规格的。

刚性方面，若机床对刚性要求较高，可以从交叉滚子导轨、圆球线性滑轨和圆柱线性滑轨中选择，交叉滚子导轨刚性一般，线性滑轨中的滚动体分为圆球和圆柱，滚动体为圆柱的线性滑轨刚性最大，滚动体为圆球的次之。另外对于交叉滚子导轨可以从增加圆柱滚子数量上增加刚性，但是床面行程将会缩短。线性滑轨还可以从同种规格中选用不同预压等级的滑块，预压等级中的预压力是预先给滚动体负荷力，亦即加大滚动体直径，利用滚动体与滚道之间负向间隙给予预压，此举能够提高线性滑轨刚性及消除间隙，但是过大的预压力会提高摩擦阻力和降低使用寿命。

安装尺寸方面，以水平安装两个导轨为例，同种规格线性滑轨垂直方向的安装尺寸大于交叉滚子导轨，交叉滚子导轨水平方向安装尺寸大于线性滑轨，机床改造时要结合机床本省是否有足够安装空间。

负荷及扭矩方面，相同规格的交叉滚子导轨和线性滑轨静动额定负荷基本相同，但是线性滑轨的各方向扭矩远远大于交叉滚子导轨，同种规格的圆柱线性滑轨各方向扭矩比圆球线性滑轨高约50%，同样的圆柱线性滑轨或圆球线性滑轨的滑块分为四方型和法兰型，法兰型的滑块线性滑轨组合高度低，承靠面积大，使用于承受负载扭矩较大的场合，四方型滑块宽度较小，适合有安装空间限制的设备

（2）机床床身尺寸加工

对于线性滑轨或交叉滚子导轨的安装主要会影响机床的中心高，机床水平中心等尺寸，为了达到合适的中心高只有采用将原有平面导轨铣出矩形槽或直接在平面导轨安装，通过垫高主轴箱或尾座的方法使机床中心高一致，但是垫高的方式不如采用铣出下沉矩形槽的方式机床刚性好。对于承受垂直翻转扭矩较大的机床还要考虑水平方向两组导轨的间距，间距越大承受的受垂直翻转扭矩越大，反之，则越小，但是这种间距同样受到原有机床导轨位置的制约。

2.2 数控系统选用

机床数控化改造加工好床面导轨后就要考虑数控系统选用，数控系统选用主要根据机床的加工精度是选用不带反馈系统的步进电机数控系统还是选用带反馈系统的伺服电机数控系统，选择时兼顾实用性和经济性原则；根据导轨改造后负载的变化重新选用合适扭矩的步进电机或伺服电机，这是一个难点，以下重点来探讨电机扭矩的选择。

普通机床导轨由平面或V型导轨改造成摩擦阻力更小的交叉滚子导轨或线性滑轨后，原来作为动力的交流三相异步电机负载将减小，因此在选用电机的扭矩时以不超过原有交流三相异步电机扭矩为上限原则，例如：原有的三相异步电机为额定功率5.5KW，额定转速1440r/min，根据公式T=9549*P/n（T为扭矩，单位N/m，P为电动机额定功率，单位KW，n为电动机额定转速，单位r/min）得出T约为36.5N/m，因此选用电机的扭矩就在36.5N/m以下根据实验或经验确定。

3 结束语

对普通机床的数控化改造由于受到原有设备尺寸及安装位置等的影响，这种改造某些方面没有重新设计制造的新设备合理，但是对于改动较小就能实现数控化自动化的普通机床来说还是具有一定的经济性，因此在对普通机床数控化改造时应综合考虑经济性、实现难易度、改造后的效率及故障率等各方面因素。

参考文献

[1].邵俊鹏等，《机床数控技术》，哈尔滨工业大学出版社，1995年.

[2].张建民，《机电一体化系统设计》，北京，高等教育出版社，2000年.

[3].余英良，机床数控改造设计与实例[M].北京.机械工业出版社，2001年.

[4].杜国臣等，《機床数控技术》，北京，中国林业出版社，2006.8.