数控机床数控系统改造中的机械问题探讨

穆宁

（天津机电职业技术学院，天津 300350）

0 引言

数控机床近些年的应用范围不断扩大，虽然大力推动相关企业发展，可在数控机床改造过程中依然存在一些问题有待解决，例如维修质量没有保障、维修人员缺乏专业知识等，这些问题带来了巨大的资金浪费。基于此，面对迫切的数控机床使用需求，应重视在数控机床改造中产生的问题，积极打造一支高质量的技术维修队伍，从而实现数控机床的自修自检，促进企业综合效益的提高。

1 数控机床主要优势

从我国当前制造行业使用的技术情况来看，仍和美国、日本等国家存在一定差距，加之数控机床体现出的巨大优越性，所以改造数控机床已经成为当务之急。数控机床的优势体现在以下几个方面：首先，数控机床生产出来的零件，在具备较高精确度的同时误差较小，因为计算机设备能实现自动报警和监控等功能，所以基本上能够实现自动化管理，一方面减少工资成本投入，另一方面顺应市场发展，对新产品及时试验，由此维持优势竞争能力；其次，数控机床因为包含着计算机系统，所以花费较短时间便能计算复杂曲面制作所需的作用力，还能对曲面弧度精准判断，让企业产品具备更高的精细化水平，更重要的是可以完成传统机床无法制造的零件[1]。

2 机床改造常见问题

当前国内很多企业，为提高生产效益致使数控机床长时间处在运作状态，数控机床经常出现超负荷的问题，在一定程度上降低了其使用年限，同时也为工作人员埋下很多安全隐患。同样地，数控机床在运转过程中，因为长期进行超负荷运转，所以无法避免机床内部的一些零件出现损耗，可能导致机床内的液体在使用中发生渗透；这种液体不仅会严重损坏内部零件，还会伤害到操作人员的皮肤，若是相关管理人员没有及时管理与有效维修改造数控机床，则很容易引发难以挽回的安全事故[2]。超负荷运作特别是针对其电路设备造成的损耗，在工作运转过程中会产生热量，如果无法将热量及时散发，其在内部积攒到一定程度很容易导致线路被烧毁，如果遇到严重情节甚至可能造成火灾。基于此，相关企业为防止发生这一情况，采取了装置电路保护设备的办法。可部分企业出于压缩成本的考虑，致使保护设备无法和发动机实际功率匹配，在一定程度上影响了两者功能的稳定运行，限制了其实际价值的发挥。

（1）改造环境方面。有关数控机床所采用的改造技术，依然存在很大的问题，对此管理人员需依据数控机床具体情况，形成一套科学的改造及维修策略。在具体改造环节所产生的问题，多数集中在改造时未能采取必要的安全保护举措，在工作中大幅度提高了发生安全隐患的风险。另外，有关改造规模较大的数控机床，工作人员没有进行有效全面的估计，因此可能存在误差致使设备投入使用后不可避免地出现相应的安全问题。例如，某些企业进行特殊产品加工时，车间环境中弥散大量粉尘，粉尘极易加大处在工作状态下的设备摩擦，不仅降低生产效率还会缩减使用年限。若是对粉尘不能做出及时处理还有发生火灾的可能，从而为企业造成巨大损失。

（2）专业人才方面。现阶段，国内数控机床的多数技能依然要依靠国外技术，没有建立起自己的技能体系。由于引进的多数设备来自国外，所以在设备产生问题时，需要国外专业人员负责维修从而降低了其原有生产效率。除此之外，操作人员在具体从事生产工作中，往往会做出一些不规范的操作行为，不仅造成了精密仪器的过早消耗且削弱了其精密性，从而产生较大的工程误差[3]。

3 改造问题处理举措

3.1 全面了解待改造机床

首先应对待改造机床的相关性能参数进行全面了解，例如传动轴精度、完成改造具备的性能等均需做好估计。至于进行全部或是局部改造应取决于机床原有性能及实际改造费用，具体注意点如下：①掌握待改造机床种类，例如磨床与钻床等；②掌握机床改造之前的性能、机构参数，以关键改造部分为例，应全面掌握其加工精度以及每分钟传动轴的转速等；③有的数控机床改造，还应关注对轴数目的控制，主要是因为其决定了数控系统的选择；④由于改造完成之后，数控机床会负责复杂精密零件的加工，所以在进行改造前有必要了解其核心部件，例如变速箱、刀架等；⑤如果完成改造后符合预期功能，还需估计完成改造后数控机床的全部性能以及结构参数，防止较大改造产生尺寸误差，难以满足改造精度要求；⑥改造之前应考虑机床完成改造后的安全性能等有关辅助参数，一方面和机床性能息息相关，另一方面维系着操作工人的健康和安全；⑦电控系统也要符合数控机床改造之后的要求，若是没有达标可借助PLC实现改造[4-5]。

3.2 加大培养技术人才力度

当前是知识经济时代，必须重视员工的整体技术水平，着力培养素质高、能力强的技术人才。强化内部人员培训工作，定期组织其参与业务培训，让其掌握最新的操作技术标准和规范、学习尖端技术；积极引入技术人才，通过“校企合作”、高薪聘请等多元化形式吸引人才，在丰富人才储备的同时提高人才队伍整体实力。可以举办数控机床维修改造“比武”大赛，以一些困难、多发的仪器故障为比赛项目，重点检查参赛者的故障排查水平、维修速度和自身专业水平。对于表现突出的参赛人员应予以一定奖励，在激发其参与积极性的同时夯实专业能力。

3.3 设计源头杜绝隐患

关于源头隐患，主要涉及操作人员、维修人员和机床的安全信号。有可能出现的情况应在设计环节充分考虑，报警情况一旦发生便需要将所有回路电源切断，暂停相关部分，从而防止带来巨大的设备损伤与人员伤害。有关工作人员出于方便对设备线路的检查或是进行调试，接头断开后有可能忘记复原。确保完善的保护安全操作功能，针对运行状态下出现的设备飞溅现象，应该为其安装连锁装置，具体生产过程中，若工作人员需要走出操作区然后回来进行操作，该装置会自动停止设备运行。总之，在数控机床改造的基础上需认真对待人员控制，确保其依据规章制度从事相应工作，将危险情况排除从而提高安全性。

3.4 改造主要机械部件

之所以要改造数控机床，主要是让设备实际运行功率达到最大化，尽可能降低运转摩擦力，并且让操作和维修更为便捷。基于此，改造数控机床并非仅是简单组装机床和数控设备，还应该科学改造当中的机械部件[6]。

（1）齿轮。和普通机床对比，数控机床要求齿轮具备更高的传动精度，因此改造齿轮时，应保证其精度等级满足要求，实现无间隙传动。

（2）滑动导轨。其属于组成数控机床的关键要素，一方面导向要保证高精度，另一方面磨损和摩擦具备耐受性。为防止导轨出现变形影响到加工精度，应具有更大的刚度。滑动导轨在改造时应做好防护与润滑，旨在削弱运转过程中产生的摩擦力。

（3）丝杠。实际上丝杠传动直接影响到传动链能达到的精度，所以其选择应符合拖动扭矩需求，同时符合零件精度标准，精度如果要求偏低建议采用滑动丝杠。改造丝杠之前应全面检查其磨损程度等，通常情况下滑动丝杠要大于6级。针对滚珠丝杠而言，无论是精确度还是使用寿命均提出了更高的要求。具体改造过程中应依据其特征、加工精度等需求选择丝杠种类。

（4）螺母。螺母如果存在过大间隙应及时更换。若是对加工精度提出较高要求，应采取滚珠丝杠，这样不仅效率高而且造成的磨损小。

3.5 做好改造验收和调试工作

验收和调试是改造数控机床的关键环节。因为结构的复杂性较强，主要包含气、电与油路等，所以专业人员应做好验收和调试。以调试机械部分和数控系统为例，工作人员应依据机床构造之间的差异，制定具体的验收和调试工作流程。有关验收数控机床，应重点关注改造的性能、精度等指标。在检验数控机床精度时，要着重检查台面平整度、定位直线运动等方面的精度；验收机床性能时，要检查机床各系统，主要包含各个主要系统和附属装置；验收机床功能，重点检查的内容为准备、运动和操纵等功能；至于验收数控系统，要对操作面板、电动机等装置和接线电缆严格验收。实际进行调试和验收工作时，应以设备为基础制定各自的验收流程，以此提升验收的全面性和准确度。除上述措施外，还应和生产商做好交流探讨，能够在改造方面彼此帮助，从厂商处获得尽可能多的设备材料，充分发挥互助合作的重要作用，也为改造工作创造良好的环境。

4 改造实例分析

数控机床虽然具有广阔前景，可并非全部旧机床均能实现数控改造。通常情况下，改造机床需满足以下条件：首先，机床原有基础部件应满足刚性要求，旨在保障完成改造机床的工件品质与加工精度；其次，改造费用投入合理，进行改装前应定位预期性能。针对完成改装的数控机床，电动机功率、工件加工最大尺寸等通常不会发生变化；至于工件最终的平面度及其粗糙度，主要取决于机床的固有水平。改造数控机床必须符合以上条件。依据本文选择数控机床的技术状况与现有条件，明确具体改造思路如下：①进行二次设计最大限度填补原有机床存在的设计欠缺；②提高机床改造之后的数控功能；③基于经济性、实用性角度，选定驱动单元及其数控系统。

4.1 二次设计要点

虽然数控系统提供的数控功能已经相对完善，可是功能之外的特殊控制，仍然要求设计人员对所提供的平台充分利用，让其和智能化控制充分融合。在具体进行改造设计时，完善和增加原始机床没有的功能。第一，Z轴方向添置了刹车功能。这一功能属于床身式铣床的基础功能，主要是避免机床断电之后，在重力影响下主轴箱发生自动下滑，由此损伤到台面或者是工件。第二，主轴运转改造后能实现变频调速，变为在范围内的无级调节，以此满足切削不同类型材料时的转速需要。第三，对润滑油路进行重新设计。以全自动系统取替以往的手动润滑，而且添加了报警指示。第四，大型机床通常使用气动方式进行刀具拆卸，这种换刀方法虽然相对方便但会增大制造成本，因为换刀机构的组成部件相对较多，如气动元件、气管回路等，加之提出较高的空气压力要求，所以压力如果比要求值低则难以进行换刀；通过手拉杆可以实现小型机床的换刀，此方式实际操作难度较大。如果通过电动方式进行刀具拆卸，利用小电动机结合减速器便能达到要求，调整开关确定刀具的放松和夹紧状态，具体操作环节仅需按下相应的按钮便可完成各个动作。如果感应到刀具状态已经到位，可以将控制回路自动切断，与此同时点亮状态灯，设计这一结构具有更高的经济性，并且换刀过程也十分稳定和便捷[7]。

4.2 电气控制设计要点

依据预先选定的驱动单元和数控系统，制定改造方案进行整体的电气控制设计。一方面机床应有各项完整的保护功能，另一方面还能有机融入新增功能，提高控制全体环节的运行效率，科学设计电气图册，让完成改造的机床提高智能化与自动化水平。

第一，设计控制软件。数控机床如果想正常运行，不仅要做好硬件连接，还需重点关注以下两个方面：设计梯形图，以及明确机床参数。首先，要让各项辅助功能更好地匹配，例如机床冷却、操作面板、机床润滑，还有控制功能处理好时序与逻辑关系；其次，匹配相应的控制性能，例如控制进出以及加减速、精度调整。文中进行改造的机床，通过系统中的开发环境，编写满足其具体控制需要的软件，增加报警信息及时处理提示，由此为机床维修搭建更为便捷的操作平台。

第二，设计电气图。其中主要包括自动化机床控制的全部流程和实现各种功能的控制方式，是机床整体控制思路集中具体化的表现。

4.3 注意事项

第一，选择合适的操作团队。数控机床最终的改造效果，在一定程度上取决于队伍整体素质，必须予以高度重视。

第二，做好现场调试工作。在这个阶段还需把好质量关，以此为改造验收提供准备。

第三，做好改造验收工作。通常情况下验收内容为：首先，试验切削标准样件，依据具体标准确定样件切削程序，需要由专业操作工人、编程人员共同在场的情况下试切削，重点检验刚度、噪声体以及动作等指标能否合格；其次，校验精度，机床完成改造之后的控制精度，需将系统已有功能对照计量器具来提升精度。除此之外，也要对比机床改造之前的各项功能及其精度，从中得到指标差。各项机床的机械指标均需满足标准要求，并且几何精度不能超过规定范围。

第四，妥善留存改造资料。改造结束后需整理好改造图纸、记录等，然后将其汇总归档。这是因为完整的资料对于设备后续的运行和维护均尤为重要，属于关键的参考依据。

5 结语

维修改造数控机床的过程中，应秉持优化系统性能的原则看待存在的技术性问题，采取针对性的举措加以优化调整。本文坚信经过妥善解决在数控机床改造中产生的问题，一方面数控系统各项性能得到优化，另一方面生产效益相比以往也实现了大幅度提升。