普通机床数控化改造设计中关键问题的研究

张春娜

普通机床数控化改造设计中关键问题的研究

张春娜

(三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000)

随着中国制造2025强国计划的持续推进，机电加工设备在各生产领域的应用越来越广泛，已开始向智能化、自动化方向升级转型。目前，我国大部分高校和中小生产企业还有拥有大量的传统机电设备，其中普通机床就是代表性的传统机电设备之一。随着科技的发展，传统结构的普通机床已经难以满足当下高校的实验实训和企业的生产需求，因此针对这类普通机床进行技术升级改造，对于满足高校的实训实习需求，促进企业生产效能，降低生产成本，提高经济效益意义重大。通过分析传统普通机床数控化改造的内容和要点，针对改造设计过程中的关键问题，提出了相应的解决办法，以期为普通机床的数控化改造提供一定参考。

普通机床；数控化改造；关键问题

针对零部件完整、生产年代较近的普通机床进行数控化技术升级改造，不但可以满足目前大部分高校的实训实习需求，还可以加快中小企业生产加工设备的更新，推动我国机床行业快速发展。

1　普通机床数控化改造的优势

普通机床数控化改造后的优势：①改造后的机床能够支持多种类型零件轮廓加工作业；②改造后的机床不仅具备较高的自动化程度，还具有较小尺寸分散度，较高的加工精度；③改造后的机床工序更加集中，可实现自动补偿，能够有效降低工作强度。

目前，我国传统机电设备的保有量较大，种类较多，应用的技术相对落后，因此对普通机床进行数控化改造经济效益突出，可在保证机床运行稳定、可靠的基础上，减少后期维修等各项费用[2]。

2　普通机床数控化改造的内容

目前，大部分普通机床数控化改造是经济性改造，目的是使其能适用于盘类件、螺纹件、回旋体件等零部件的加工。设计人员要结合机床原技术参数和数控化改造后需要达到的定位精度、加工精度以及重复定位精度等来制定改造方案，并做好方案论证工作[3]。普通机床数控化改造流程如图1所示。

图1　普通机床数控化改造流程

3　普通机床数控化改造设计中的关键问题

3.1　电机的选择

电机的选择是普通机床实现数控化改造的关键环节，一般选用步进电机和交流伺服电机。步进电机通过脉冲数字信号进行操控，具有操作简单，价格便宜等优势，并且每转一转相应步距误差会自动归零。在进给驱动系统当中，通常选择交流伺服电机，主要为永磁式交流伺服电机，这类电机结构简单，运行效率高，可靠性强，但启动特性欠佳，体积较大[4]。综上所述，设计人员在选择电机的过程中要结合实际情况，正确使用公式，准确计算电机参数，完整列出设计步骤[5]。

3.1.1步进电机的选择步骤

第一步，选择步距角，公式如下：

目前，市场中的步进电机主要有三种步距角，分别是为0.36°/0.72°(即五相电机)，1.5°/3°(即三相电机)，0.9°/1.8°(即二相与四相电机)。步距角应选择和计算结果最接近的标准值，若需要进一步细分，可专门在驱动器上进行设置。通常情况下，当电机的相数越小，其负载转矩也会更小。如果电机负载惯量较大，则会出现较明显的低频共振现象，特别在单三拍运行方式下，此类现象更突出[6]。

第二步，选择步距精度。机床完成数控化改造后都为开环控制系统，在该系统中传动件定位误差以及步进电机步距精度都会对系统精度产生直接影响。步进电机产品样本当中的步距精度主要是指在空载状态下转子偏离准确位置的偏移量最大值，属于静态误差。而系统动态误差是指在频率出现突变、高频以及低频震荡时实际点位和理论位置所保持的差。在实际运行中，转子最后运动质量会对加工工件表面精度产生直接影响，具体可通过细分电路进行控制。静态误差的计算公式如下：

ΔJ=Δ+Δc+Δf。

式中：Δ代表电机步距误差；Δc代表传动件累计误差；Δf代表摩擦负载所造成的随机误差。

第三步，选择转矩。转矩选择的关键是要正确计算最大定转矩、定位转矩以及启动转矩。首先，要正确计算最大净赚距(Mmax)，在步进电机运行中，所需转矩包含空载启动状态下折算至电机轴上相应加速度力矩(Mamax)，折算至电机轴上相应摩擦力矩(Mf)，因丝杠预紧造成的折算至电机轴上相应摩擦力矩(M0)，在切削过程中折算至电机轴上相应加速度力矩(Mat)以及折算至电机轴上相应切削负载力矩(Mt)。通常在快速空载启动过程中，计算所需力矩公式为：M空=Mamax+Mf+M0；在切削过程中，计算所需力矩公式为：Mc=Mat+Mf+M0+Mt；在快速进给情况下，计算所需力矩公式为：Ms=M0+Mf；若在切削中出现Mmax，计算所需力矩仍选择公式：Mc=Mat+Mf+M0+Mt。其次，选择定位转矩。定位转矩与电源、矩角特性形状、所要求位置精度等因素相关，若选择反应式步进电机，在绕组没有通电的情况下不会产生定位转矩；若选择永磁式步进电机，在绕组没有通电的情况下依旧会有定位转矩，不过转矩比较小，也由于定位转矩值偏低，通常不进行计算。最后，准确计算启动转矩。当步进电机在带动负载运行状态下，其所需负载转矩要比最大净转矩要小，需结合静转矩最大值对启动转矩进行推算，也可按照电机说明书当中所述启动矩频特性确定启动频率，而后得到总摩擦负载(Mm=Mf+M0)，在此基础上获得f1[7]。

第四步，选择步进电机驱动器。此环节的关键是要保证所输入脉冲信号频率比fmin要小，另外宽度应超过△t，因此要复核f1是否位于fmin范围内，并考察1/f1是否超过△t。基于电机电流的具体情况，所配用驱动器应不小于该电流，若改造设计中有高精度或低振动的要求，可配合使用细分型驱动器，若设计为大转矩电机，则最好选择高压型驱动器。

3.1.2交流伺服电机的的选择步骤

在选择交流电机过程中，主要选择步骤为：开始→计算额定转速→计算负载惯量→计算额定转矩→预选电机→开始验算→计算速度运行参数→确定加速转矩小于最大转矩(否则回到开始重新计算)→连续工作转矩比额定转矩要小(否则回到开始重新计算)→结束[8]。计算额定转速(nN)的公式如下：

其中，额定转速nN≥nmax。计算合理负载惯量的公式如下：

在将具体数值带入到上述计算公式当中之后，可得出最大转矩(Mmax)、额定力矩(MN)、额定转动惯量(JN)、额定转速(nN)的值，之后可根据这些参数选择伺服电机，以保证其符合机床的性能要求[9]。

3.2　数控系统的选择

目前，数控系统的选择主要存在以下问题：①所选功能不恰当，在设计中所选系统功能要么远超过改造后机床实际功能，或者没有升级部分必须的系统功能；②系统与机床不匹配；③数控系统、驱动器、电机品种以及牌号过于杂乱。

综上所述，选择数控系统需要遵循以下原则：①结合数控机床类型进行合理选择，比如考虑对车、磨、铣等类型；②结合数控机床性能指标进行选择，比如可结合机床支持的刀补数量、最小移动单位等，以保证选择的数控系统不仅能够满足各项性能指标要求，还具有较高性价比；③合理取舍基本功能和选择功能，若所选系统各项基本功能可以达到要求，可不添加选择功能；④优先选择内置PLC，以及可成套提供主轴驱动器和进给伺服系统的数控系统产品。

目前使用最为普遍的数控系统是德国SIEMENS系统和日本FANUC系统，主要应用在高精度、高速以及大型机床当中，我国的数控系统大部分功能简单，价格低廉，性能较为稳定，多用于经济型数控机床中。

3.3　电气控制的规范设计

目前，在进行普通机床数控化改造时，需要彻底改变原机床控制方式，对电气控制系统进行重新设计和规划，参考机床说明书进行线路布置和规划，可确保电气系统的稳定，也便于后期的管理与维修，而目前大部分说明书存在以下问题：①电路图不齐全；②未严格依据标准绘制电路图；③电气元件清单所列元器件不全，型号不符合电路图要求。

在设计和改造过程中，应严格按照标准合理绘制电路图，最好使用与机床配套的原电气元件。另外，在不对整体布局产生影响的情况下，最好保持元器件安装位置不变。电路图主要有元器件清单、元器件互联图、元器件位置图、控制电路图、CNC控制回路图、电气原理图、主电路图等关键数据，在电路图设计过程中，要结合改造之后数控机床特点，先完成主电路图的设计，注意电源、驱动器、数控装置等各关键部位的设置和连接方式的标注。电气原理图包括CNC控制回路图、元器件互联图等，在设计过程中要注意各种元器件的归类放置，分清CNC的I/0接口、电源节点，注意不同元件所需的工作电压电流要与频率相匹配。此外，要保证机床的可靠、稳定运行，还需重视弱电与强电信号线的屏蔽、走线、系统以及机床接地等问题。

4　结语

要使普通机床完成数控化改造后能充分发挥其高精度、高速度、高自动化等优势，设计人员需要结合机床原技术参数和数控化改造后需要达到的定位精度、加工精度以及重复定位精度等需求，正确选择参数计算公式，准确计算出关键参数，完整列出设计步骤，并做好方案论证工作。在机床改造过程中，还要结合各种先进技术，对旧机床的价值进行充分挖掘，合理解决安装、调试时遇到的问题，以降低维护和管理费用，提升设备运行的可靠性和稳定性。

[1] 谭进瑜,黄伯志.基于单片机的普通车床数控化改造设计[J].中国设备工程,2017(9):65-66.

[2] 辛宇驰.普通车床数控化改造设计方案探讨[J].科学咨询(科技·管理),2017(1):45-46.

[3] 李海荣.普通车床数控化改造中机械结构的设计[J].机械工程与自动化,2019(1):215-216,279

[4] 刘廷.普通车床数控化改造的探索与设计研究[J].计算机产品与流通,2019(8):124.

[5] 吴承康,高刚毅.普通车床数控化改造中机械结构设计问题的研究[J].中国设备工程,2019(8):57-58.

[6] 郑祥呈,徐娜.CA6140普通车床的数控化改造设计[J].知识文库,2018(5):206.

[7] 范豪,黄学荣,唐杰.普通机床数控化改造关键技术分析研究[J].林业机械与木工设备,2020,48(5):31-34.

[8] 段颖.经济型机床机械结构数控化改造研究[J].科技风, 2019(8):145.

[9] 何登丰.笔头加工车床数控化改造研究[D].金华:浙江师范大学,2017.

Research on the key problems in NC transformation design of general machine Tools

ZHANG Chunna

(Sanmenxia Vocational and Technical College, Sanmenxia, Henan 472000, China)

With the continuous promotion of the "Made in China 2025 Power Plan", the equipment of electromechanical processing has been widely applied in various production fields. It has started to upgrade and transform to the direction of intelligence and automation. Currently, there are still a large number of traditional electromechanical equipment in most universities and small and medium-sized production enterprises in China, among which the ordinary machine tool is one of the representative traditional electromechanical equipment. With the development of science and technology, the traditional structure of ordinary machine tools has been difficult to meet the current needs in experimental training of universities and enterprise production. Therefore, it is of great significance to carry out technical upgrading and transformation of ordinary machine tools with complete parts and recent production age, in order to satisfy the demand for practical training in universities, promote the production efficiency of enterprises, reduce production costs, and improve economic benefits. By analyzing the contents and key points of the NC transformation of traditional ordinary machine tools, the corresponding solutions are proposed for the key problems in the transformation design process, in order to provide some reference for the NC transformation of ordinary machine tools.

common machine tool; numerical control transformation; key problem

TG659

A

2096–8736(2022)06–0049–04

三门峡职业技术学院2022年自然科学类课题《土壤综合状况检测机器人设计与研究》(SZY-2022-006)。

张春娜(1981—)，女，河南灵宝人，硕士研究生，讲师，主要研究方向为机械工程。

责任编辑：阳湘晖

英文编辑：吴志立