经济型机床机械结构数控化改造研究

段颖

摘 要：设计经济型机床总体数控化改造方案，对滚珠丝杠、步进电机、自动刀架及脉冲编码器等的型号进行合理选择，完成数控机床的机械部分改造。改造方法简单易行、成本低、提高生产率，解决中小企业购置数控机床难的问题。

关键词：普通车床;数控改造;主传动系统;进给系统

目前我国众多制造类企业拥有大量使用时间较长的普通机床，其加工精度低，自动化程度不高，生产率低，适应性差，但从企业的投资成本及产业连续性考虑，普通機床又不能马上被淘汰。将普通机床进行数控化改造，不失为一项提高产品生产率及加工质量且投资少的有效途径。

1 总体改造方案设计

由于是主要满足中小型低成本企业对数控机床需求及各类职业院校培养数控机床装调维修方向技能型人才所开展的项目化实训教学为主的经济型数控改造，所以在拟定改造方案时，在满足机床加工性能的基础前提下，不对机床整体结构做较大的变动，以控制改造经济成本。

采用开环控制方式对机床纵横向进给系统进行控制，运用步进电机作为数控机床进给系统的驱动，通过滚珠丝杠螺母副将步进电机传出的回转运动改变成刀具的直线移动，将四方刀架更换为自动转位刀架。改造的C6140普通机床的主运动和进给运动分离开，电机仅带动主轴的回转，车床的纵横向进给运动，则是由重新选择的步进电机分别带动的。丝杠摩擦系数小、效率高，用来实现而刀架的进给运动。

2 进给系统的改造方案

2.1 横纵向进给系统的设计

C6140数控改造机床的横向进给系统设计，是利用步进电机经过齿轮传动机构驱动滚珠丝杠，从而使数控机床的刀架实现横向的进给运动。将C6140的横向丝杠的位置更换为滚珠丝杠，将螺母与机床的中托板相连，能够实现较高的同轴度和传动精度，如图1所示。利用步进电机直接驱动纵向进给系统中的丝杠，将螺母机构安装在机床的大托板上，从而实现刀架左右方向上的直线移动，如图2所示。

选择南京哈宁轴承制造有限公司的产品，纵向型号为FFZD4006-5，额定动负载为23500N，内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副。横向型号为FFZD2505——3，额定动载荷为10200N，对滚珠丝杠螺母副的双螺母垫片进行预紧，能够满足本次数控改造需要。数控化改造机床采用的是与原C6140机床的丝杠直径尺寸一致的滚珠丝杠。采用一端固定，另一端径向支承方式，替换原机床一端固定，一端悬空，系统的稳定性被加强。

2.2 伺服电机的选择

进给系统的脉冲当量如要求很小，则要选择较小的电机步距角，以降低传动比、减小传动件尺寸。电机的启动频率和力矩则决定了进给系统的启动和加速能力，进而影响进给系统的快速进给能力。为了便于制造及购买，选择了常州机电电器公司生产的110BF003型步进电机及配套的驱动电源，其各项指标均可以达到机床运动需求。

2.3 刀架系统改造

数控机床采用自动换刀装置，能在扩大原有机床使用范围的同时，还可以提高生产率，减少工件装夹次数、使工件定位准确，从而具有较高的加工精度。对各类自动刀架经过分析对比后，挑选了温岭市三和数控设备有限公司LD4BCK6140电动刀架。

2.4 导轨改造

改造前的机床主要是各类中小型企业应用年代时间较长或是职业院校学生实训所淘汰的设备，由于缺乏保养及经常使用不当，机床导轨表面有一定的损坏，机床传动平稳性较差。如果不改造，将会影响机床的加工精度。具体实施方法是，先把机床的导轨面加工到3.2～1.6的粗糙度，再加工0.5～1mm的凹槽，有助于定位安装。用专用清洗液，对导轨面进行清洁，添加粘结剂将TSF塑料软带黏结在机床导轨上，施加压力，强固黏结1至2小时，移动配套导轨再一次进行施压，强固24小时后，进行适当清理，即可进一步精加工。

3 主传动系统的改造方案

为保证改造后的数控机床在车螺纹时主运动与进给运动的关系，在拆除机床原有进给系统的同时，需要通过电气方式建立主运动与进给运动的关系。脉冲编码器一般不便于直接安装到机床主轴上，通常是在机床的某条传动链上选择一个安装位置，间接地测量主轴运动，并据此控制进给系统运动。

3.1 主轴变频器的选择

目前市场上现有的变频器种类较多，依据本次机床的数控改造的整体要求，经对产品性能价格的综合对比，选用丹佛斯VLT2800型变频器。此变频器是一款控制精度及安全性都较理想的经济适用型变频器，内部自带PLC编程功能，数控编程人员使用起来十分方便。

3.2 主轴脉冲发生器的选择

在改造中，保留普通C6140机床的主传动系统，将原系统的挂轮箱进行拆除，但保留其三星齿轮机构。为保证在车削加工螺纹表面时，机床主运动与进给运动的严格关系，在机床主轴部分的输出端上安装一个长春博光电技术有限公司的BC50S8光电脉冲主轴脉冲编码器，运用异动轴法进行安装，将主轴脉冲编码器安装与主轴关联的一对为1：1传动比的齿轮上。[2]主轴每回转一周，脉冲编码器发出相应的脉冲信号，机床的步进电机得到信号后准确的进行配合主轴的旋转而进行相应的螺距进给运动，实现自动车削螺纹的目的。

4 结论

通过变频器驱动主轴实现C6140主轴的无极变速，采用主轴脉冲编码器与数控系统和步进电机之间的信息转换实现螺纹的车削运动。对机床进给系统进行改造，并对步进电机和滚珠丝杠的选择进行选择与设计。更换自动刀架及对机床导轨进行贴塑处理，完成数控机床机械部分的改造。完成的C6140数控改造机床，易于生产操作，能进行复杂元件的精加工，为企业节省大笔采购费，成本低，机床性能价格比适中，目前改造后的C6140数控机床已投入生产。

参考文献：

[1]孙立.车床机械结构的数控化改造探讨[J].机电工程技术，2011，40（6）：137-139.

[2]孙宝平.普通车床数控化改造研究与应用[J].山东工业技术，2014（24）：29.