普通车床数控化机械部分的改造设计

张金龙 周楷京

沈阳机床股份有限公司沈一车床厂

普通车床数控化机械部分的改造设计

张金龙 周楷京

沈阳机床股份有限公司沈一车床厂

普通车床进行数控化改造后，大大提高了原有机床的自动化程度和生产率，其改造成本仅为同功能数控机床的30%左右。为了能够大幅度地提高数控机床改造后的性能，在改造过程中，首先要对各种机械结构进行改造，然后要对数控系统进行设计，确保数控车床工作的稳定性与连续性。基于此本文分析了普通车床数控化机械部分的改造设计。

普通车床；数控化；机械部分；改造设计

1、普通车床机械结构数控化改造的优势

对普通车床机械结构进行数控化改造，可以全面提升车床的工作效率。具体表现有几个方面：第一，提高生产精度，经过数控化改造之后可以提高车床的加工精度，使得各种工件更加精细化。第二，可以提高生产效率，通过对普通车床进行数控化改造之后，对车床进行控制的电机是相对独立的，则可以通过不同的电机对车床的控制来实现对车床的联动控制，可以生产出一些造型比较复杂的零件，扩大了车床的生产范围。第三，提高加工速度。普通车床机械结构经过数控化改造之后，增加了自动换刀的功能，在加工工件的过程中缩短了换刀时间，因此提高了工件生产的速度。第四，减轻工人强度。经过数控化改造之后，车床的操作变得更加智能化，一般由系统自动完成，使得操作人员的工作强度得以减轻，一个操作人员可以对多个数控车床进行控制，从而提高了生产效率。

2、总体设计方案的论证

2.1 机床本身

条件机床能否进行数控化改造主要取决于本身的条件，如机床的磨损程度、刚度等以及机床的技术寿命。

普通机床结构上的不足之处有刚度低、抗振性能差、滑动摩擦阻力较大以及传动元件之间存在较大间隙等。应有针对性地对其中部分结构进行改造，以满足数控机床最基本的要求。数控机床的数控装置(CNC)技术寿命一般为3～4年。对原机床进行数控化改造也能延长其技术寿命。

2.2 加工对象

零件的几何形状决定了所选数控系统应具备的功能，公差范围决定了数控系统的控制精度、脉冲当量。改造后的数控车床具有切削螺纹功能，纵向和横向具有直线和圆弧插补功能，系统分辨率为纵向0.01mm，横向0.005mm。现在市场上出售的一般经济型数控系统其脉冲当量为(0.005～0.01)mm，能够满足上述加工要求。

2.3 经济性

在机床数控化改造中，不仅要考虑数控机床的技术先进性，同时还必须考虑它的经济效益和社会效益。机床的数控化改造是广义上的设备更新的一种方法，因此，机床数控化改造的方案应与机床大修以及机床更新作对比，以确定最佳方案。普通机床还可通过数控化改造来延长其经济寿命。

3、机床机械部分改造方案

3.1 主传动系统的改造设计

为了扩大变速范围，实现加工过程中的自动变速，将原来的单速电机更换为多速电机，使机床性能更好。但由于多速电机的功率是随转速的变化而变化的，因此电机功率要大，而且还要增加一套电机变速系统。下面介绍改造设计的方法和步骤：

拆除主轴传动链、挂轮，通过对主电动机的变频调速实现机床主轴的无级调速。经济型数控车床上加工螺纹或丝杠，必须在主轴末端安装主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，把主轴转角位置变化信号送到数控系统。数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理，对机床进行纵向或横向的控制运转，实现加工螺纹的目的。

主轴脉冲编码器的安装，通常采用同轴安装和异轴安装两种方式。脉冲编码器也可以装在床头箱内或床头箱的后端上，采用传动比为1：1的齿轮或同步齿形带与主轴联系起来；异轴安装比同轴麻烦，需要配上一对同步平带轮及同步平带；我们采用同轴安装主轴脉冲编码器。

3.2 进给传动系统的改造设计

第一步是把原来的变速传动装置和操纵机构拆除；然后在各个方向安装独立的步进电机，利用减速齿轮连接电机和丝杆，实现带动滑板的移动，进而实现机床在各个方向的移动。最终实现同时具备微机控制和原机床操作。在Z轴纵向上，利用原有的安装孔直接安装齿轮箱体，将滚珠丝杠代替原丝杆，仍然安装在原来的位置，并采用同样的方式对丝杠两端进行固定。然后需要对进给进行限位保护，安装限位保护开关和接近开关。在X轴横向上，主要改造拖板，控制拖板的精度以及关键传动齿轮的间隙。利用刚度、柔性调整法调整驱动电机到丝杠间的传动齿轮的间隙，将间隙降低消除，从而实现更高的传动精度和灵敏度。同时要对车床导轨进行改造，由于普通车床的床身摩擦系数比较大，因此需要对原车床的导轨进行刮研、修磨，降低摩擦系数，然后再贴上聚四氟飞烯软带，就可以达到数控机床的导轨要求。然后把之前的丝杠和光杠去掉，安装上新型的滚珠丝杠，用同步齿轮带变速的方式连接步进电机和滚珠丝杠。

3.3 刀架的改造设计

刀架的改造是实现数控加工改造的关键，一般情况下至少需要四种不同的刀具来实现相对复杂的加工。因此将原来的手动刀架和小拖板拆除，安装新型的LD4型自动回转数控刀架。这种刀架的重复定位精度比较高，性能也比较可靠。刀架定轴上有四个霍尔开关和永久磁铁，能够精确获取刀架的到位信号，实现高精度的定位。

3.4 溜板箱的改造

在对以上机械结构改造完成之后，最后要对车床溜板箱进行改造，将原来的溜板箱拆除，然后把新的溜板箱安装到改造完成的滚珠丝杠上。同时要改造整体的润滑结构，确保车床的稳定运行。整个机械结构改造完成后，要对车床的运行性能进行检验，主要包括传动性能、主轴进给性能以及车床运行过程中噪声的大小等。相关性能的监测要分别在空载荷负载状态下进行，确保各项基本操作能够实现数控化。

总之，在现阶段加强对于普通车床机械结构数控化改造的研究具有重要的现实意义，能够更加全面的掌握普通车床数控化改造的相关技术，提高数控化改造的效果，从而提高车床工作效率，更好的发挥老旧设备的潜在价值，提高机械加工企业的经济效益，因此需要进一步加强研究。

[1]范光辉，张磊.普通车床数控化改造探讨[J].科技传播，2014，10：89.

[2]蔡云松.C6140普通车床数控化改造[D].西南交通大学，2014.

[3]赵庆志，谭培红，柳涛.数控机床动力伺服系统原理及故障诊断维修[J].煤矿机械，2013，09：305-307.