普通车床数控化改造研究与应用

孙宝平

摘 要：目前，市场上拥有大量的普通机床，其自动化程度低，已远远不能适应现代生产的需要。作为先进加工技术的标志，数控机床具有明显优势，能适应现代化加工要求。购买新的数控机床成本高，许多企业在短时间内无法实现。因此把普通机床进行数控化改造，是一条很好的捷径。本文通过对CA6132普通车床的数控化改造研究，较系统地阐述了普通车床数控改造的技术方案及要点。

关键词：自动化；数控机床；数控化改造

0 引言

数控机床一般由由输入/输出装置、数控装置（CNC）、伺服驱动及位置检测装置、辅助控制装置、机床本体等几部分组成。

所谓机床数控化改造，就是应用现有的数控技术，在普通机床上，加装数控装置，并对机床的局部结构进行改造，使机床全部或局部达到新数控机床的水平，具有一定的自动加工能力，以适应生产的具体要求。

本课题来源于某公司。该公司属于老企业，近年来主要生产发动机配件及农机配件，许多老设备已经不能满足生产技术的要求，但若购置新设备，投资较大，企业承受不起。想通过对在本公司应用最多的CA6132普通机床进行数控改造，探索出一条设备功能提升的路子。

通过对设备的具体分析及对目前我国数控技术的的了解，认为国产数控系统完全能够满足改造要求。具体的改造方案如下：

（1）数控系统和伺服系统的选择；从功能性、经济性、可靠性方面选择合适的数控系统。

（2）对主运动及进给运动系统进行改造；1）主传动部分的改造。主要是主轴动力的改造。方法是：将主轴电动机换成变频调速电动机，调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。通过改造后，机床的主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。2）进给机构的改造。改造后，伺服電动机动力经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动后，来驱动纵向、横向进给。而将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。

（3）数控机床辅助装置的选择；

（4）整机联接调试。

1 数控系统选择

数控系统的选择主要考虑以下几点：一是尽量选择与公司内现有数控机床同一个型号的数控系统。以便于管理和维修，二是从经济方面考虑，数控机床改造，能够满足要求即可。

针对本课题而言，数控系统应满足如下功能：纵向、横向进给伺服系统应能。独立运动且能被数控装置控制；该系统应具有纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能；能进行循环加工和螺纹加工；具有定位功能。

综合以上因素，进口系统虽可靠性好，技术先进，但价格昂贵，用来改造数控机床显然性价比较低。国产系统近年来技术进步很快，可靠性也有了大幅提高，因此，本次改造，通过各方面权衡，决定采用国产华中世纪星HNC-21T系统。

2 主运动系统改造方案

（1）主轴总体设计。采用“变频器+三相异步电动机”的改造方案，即不用主轴箱，采用皮带轮将主轴电机与主轴连接，实现无级变速。

（2）光电编码器的安装。数控车床上要加工螺纹或丝杠，需要配置光电编码器。普通车床加工螺纹时，是通过挂轮来完成的，加工不同的螺纹则需不同的挂轮，改造后的车床将主运动和进给运动分开，但是为了能加工螺纹，需脉光电码器把主轴运动和进给运动联系起来。它与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信号输送到数控系统，数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理，实现准确加工螺纹的目的。

脉冲编码器安装在主轴箱内，通过一对传动比为1：1的同步齿形带与主轴联系起来，即异轴安装。这样，克服了同轴安装不能加工传出车床主轴孔的零件的缺点。

工作时，主轴脉冲编码器与主轴同步旋转，并将信号传给数控装置，数控装置收到主轴转速信号后，控制伺服电动机的转速，使进给运动配合主轴转速，保证主轴每转一转，螺纹车刀移动一个螺纹导程。同时保证每次进给都在工件的同一点切入，防止乱扣。

3 进给部分改造

（1）纵向进给机构的改造。保留齿轮箱体，以保证调速和足够的动力，采用滚珠丝杠替代原丝杠，滚珠丝杠两端采用原固定方式，仍安装在原丝杠的位置。安装时注意用百分表校验丝杠与导轨的平行度，拖板与导轨的垂直度，由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性略优于以前。

（2）横向进给机构改造。保留原有的支撑结构和手动机构，将原来的丝杠换成滚珠丝杠，滚珠丝杠仍然安装在原丝杠位置，两端采用原来的安装方式，安装时注意用百分表校验丝杠与导轨的垂直度。

齿轮箱体与伺服电机安装在中拖板的后侧，纵、横向伺服电机都采用一级齿轮减速器（1：1）与滚珠丝杠连接。

（3）自动回转刀架的安装。自动换刀功能，是数控机床的基本功能，在数控机床改造中，大都使用四方、五方或六方自动转位刀架。本设计中采用LD4型系列四工位自动螺旋式转位刀架。其由数控装置中的内置PLC来控制。

安装时，将原机床小滑板，安装在中滑板上即可。在安装时，注意刀架刀台的两侧面应与车床的纵向、横向进给方向相同。

4 进给伺服系统的选择

经过认真对进给伺服系统性能及经济性比较，并根据计算，X轴与Z轴都选用华中数控有限公司生产的HSV-16-020型全数字伺服驱动模块。

HSV-16是一款全数字交流伺服驱动器该驱动器。具有结构小巧、使用方便、可靠性高等特点。

5 整机连线与调试

根据数控系统和进给系统的手册进行整机联线，就可以进入调试阶段。

（1）伺服参数调整。根据实际加工需求，对伺服参数进行调整。

（2）机床误差补偿。1）反向间隙误差补偿；2）螺距误差补偿。螺距误差补偿值=机床指令坐标-机床实际测量位置。

进过检测与调整，能够达到预期要求。

6 结束语

本文通过对国内外机床数控改造市场的了解和分析，提出了对普通车床的数控化改造方法和对进口数控机床数控系统的改造方法。

数控车床的改造在数控机床改造中是最容易实现的，而改造的环境和条件千差万别。数控机床改造还包括数控铣床、加工中心等。今后需要在这些方面深入研究下去，为数控机床改造尽微薄之力。