机床数控化改造设计研究

◎叶华欣

机床数控化改造设计研究

◎叶华欣

对旧式机床进行数控化改造，在提高产品的加工精度和生产率的同时，减少了能源的消耗和对环境的污染，而且促进资源节约和再利用，实现旧机床产品的高值化利用。

机床数控化改造的意义

我国是一个机床大国，目前机床的保有量达700多万台，然而废旧机床的数目也相当庞大，这些机床面临大修提升，甚至功能性报废或技术性淘汰，同时我国的机床数控化率不足3%，而发达国家已经超过20%。这使我国机械生产效率、精度始终处于一种长期不理想的状态，从而使我们加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，导致在国际市场上缺乏竞争力。大规模的引进国外先进机床，虽然可以提高我国的制造水平，然而这样就需要大量的资金，且一直处于技术迎进的状态。而那些老的、废旧的机床没有发挥它们应有的价值，造成资源大面积的浪费。而机床数控化改造是突破我国现在制造瓶颈的一种有效且可行的方法。

机床数控化总体改造

机床导轨改造。普通机床的导轨多数采用滑动导轨，这种导轨的缺点是静摩擦系数大，在低速时易出现爬行现象，直接影响运动部件的平稳性和定位精度。为了克服这一缺点，数控改造时，若把滑动导轨改为滚动导轨或静压导轨，要求工艺复杂，许多零部件需要加工或更换，改装工作量大、费用多、周期长，实现起来较困难，在一般的数控改造中应用较少。常用的改装方案是采用贴塑导轨，即在原来导轨上粘贴聚四氟乙烯导轨软带。这样能有效防止爬行，具有自润滑性，延长导轨寿命。且零部件不需要更换，加工部位少，改装工作量小、周期短、费用低。

拖板的改进。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。常用的消除间隙的方法有刚度调整法和柔性调整法。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。

主轴旋转精度调整与维修。主轴旋转精度调整与维修包括调整锥形螺纹松紧度、更换主轴轴承及采用电刷镀技术修复轴承座孔磨损。

保证齿轮精度。一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中，为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动。因而改造时，机床主要齿轮须满足数控机床要求，以保证机床加工精度。

主传动机械部分的改进。为了满足各种加工要求，要使主轴从低到高获得多种不同转速。普通机床的主轴一般通过主轴齿轮箱实现多级变速，并且变速时一般还需由手工拉动拨叉进行换挡。一般机械齿轮挡数较多，变速箱结构复杂，体积庞大，在运转过程中，尤其高速运转时，振动和噪声较大，会对零件加工精度产生不良影响。数控机床可以采用交流或直流电动机无级调速，并为扩大输出扭矩，增加了24挡齿轮减速。对旧机床进行数控改造，可考虑采用交流变频调速，即仍然利用原主轴交流电动机，再配备上相应的变频器。而对于原主轴齿轮箱部分，应根据齿轮箱的结构和机械磨损程度，考虑改进或保留主轴齿轮箱，由于采用无级变速，可减少变换挡数，对于手动换挡应考虑采用电气自动换挡。

滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度：丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求，被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况下滑动丝杠应不低于6级。螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高零件的加工。滚珠丝杠摩擦损失小、效率高(其传动效率可在90%以上)、精度高、寿命长，启动力矩和运动时力矩相接近，可降低电机启动力矩，因此可满足较高精度零件加工要求。

缩短传动链：进给系统的改进主要是减少进给箱内的齿轮对数。缩短进给传动链，由伺服电机直接驱动丝杠或只有一级变速装置，这样可大大减少传动链各级之间的误差传递，同时增加传动元件，消除间隙装置，提高反向精度。普通机床在数控化改造时，往往是取消原进给箱，换成仅一级减速的进给箱或同步带传动。传递元件要有消除或减小间隙的装置并由伺服电机直接驱动。目前，我国自行研制的经济型数控系统，大多采用步进电机作为伺服系统，其步进脉冲当量多为0.0lmm，实际加工出的零件，综合误差可小于0.05mm，其控制精度要比目前手工操作高很多。提升系统控制精度的主要工作是选择合适性价比的数控系统及相应的伺服系统。

数控系统的选择。在实际工程中，数控系统的选择存在以下问题：①功能选择不合理，或是所选系统的功能远多于改造后机床的功能，或是一些必需的系统功能没有购买。前者会造成成本浪费，后者会造成功能的短缺，影响其他功能的使用而造成损失。②系统档次与机床档次不匹配。造成了系统功能的浪费或机床的优良性能发挥不出来。③数控系统、电机及驱动器的品种和牌号太杂，在连接各部件时会出现输入／输出信号不匹配及在传送中信号产生滞后。这些问题的解决关键在于要根据机床本身的精度、结构、性能要求和价位，恰当选择数控系统，一般遵循下列原则：①根据数控机床的类型选择，如车、铣、磨等类型。②根据数控机床的性能指标选择。如：支持的最小移动单位、刀补数量等。尽量选择既能满足性能指标要求，性价比又较高的系统。③基本功能和选择功能的选取。如果基本功能能够满足，尽量不购买选择功能。但功能要一次订全，避免装机后因不能增补一些功能而造成整体功能降低。④优先考虑能成套提供进给伺服系统和主轴驱动器的厂家及内置PLC的系统。

进给伺服系统的选择及伺服驱动装置的确定。伺服系统按照控制方式可分为开环、闭环、半闭环伺服系统。闭环伺服系统能够及时地把运动部件的位置、速度等信息反馈给伺服系统，伺服系统在与实际信息进行比较后及时发出补偿控制命令，从而减少了误差的可能性，提高了精度。所以，当要求定位误差范围内时，可采用闭环控制系统。这样各种影响定位精度的因素都可以得以补偿。但是，考虑到闭环系统的调试和维修困难的缺点，选择伺服系统时要综合考虑系统的稳定性、成本及机床规格大小等因素。

目前大多数伺服驱动装置都已经形成系列，所以在设计过程中可以根据需要合理选择。步进电机驱动系统可以把输入的数字指令信号转换为相应的角位移，通过电机定子的换相次数(脉冲数)来决定步进电机的转角，通过换相的频率决定电机的转速，而电机的转向则由通电顺序决定。由于步进电机成较低，又易于实现计算机控制，故被广泛应用在开环数控系统中。而在闭环或半闭环系统中多采用响应速度快、精度和效率高、调速范围较宽、负载能力较大、控制特性优良的直流伺服电动机。

机床再制造不是一般人所理解的对废旧机床进行翻新和恢复性能的过程。旧机床的改造有较大的经济效益和社会效益，要想实现机床的高精度、高速度等性能，只有更全面地考虑各方面因素，才能改造出高质量的数控机床，才能更好的提高我们现阶段的制造水平。

（作者单位：龙岩出入境检验检疫局）