论文部分内容阅读
摘 要：数控机床在机械加工业中越来越显示出它的优越性，但目前普通机床还占有很大的比例，要全部淘汰既浪费也没有必要。文章根据多年研究，提出一种将普通机床改造成经济型数控机床的方法，既能提高机床的整体技术水平，满足加工需求，又能减少企业资金的投入，具有较好的现实意义。
关键词：普通机床；经济型；数控机床；改造
中图分类号：TG519.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）12-0034-02
普通机床是18世纪后期发展起来的一种机械切削加工设备，历经几百年的发展，目前已不能适应多品种、小批量的生产要求，如C6136、C620、C6140等老产品等，而数控机床从20世纪初诞生开始就显示出它的优越性，它集数控、微电子、计算机、自动控制与测量等技术于一体，尤其在加工复杂形状、精度要求高、批量小、时间紧的的情况下加工零件比较合适。因此，数控机床在现实社会中能更好地满足产品的加工要求。
目前有二类数控机床，一类是性能高、功能全，如多工序加工系统、自适应数控机床、柔性加工中心等；另一类数控机床是仅具有自动加工的基本功能、简单、经济实用。笔者认为，目前的普通机床如要一律淘汰更新既浪费，也没有必要，可采用简单的数控技术将普通机床进行改造，既能提高设备的整体技术水平，满足加工需求，又能节约很大的资金。文章以C6136型普通机床为例，介绍普通机床的数控改造过程。
1 改造的总体思路
改造普通机床首先要改造机床的控制系统，目前数控系统有好几种，它的结构形式、控制方式、能达到的精度以及售价等各不相同，改造时，应根据具体情况进行选择，经济型数控系统通常采用的是步进电机拖动的开环控制系统，该系统的伺服驱动装置是步进电机，通过齿轮副和滚珠丝杠副驱动执行部件，系统的加工精度不是太高，一般能达0.01～0.02 mm，基本能满足C6136车床改造后零件加工的精度要求。此次改造，在结构上保留普通机床手动操作功能，为手动与自动兼容。在数控系统出现故障时仍能维持基本加工。普通机床数控改造的总体思路如图1所示。
2 选择合适的数控系统
数控系统由数控装置和伺服机构组成，目前市场上常见的数控系统生产厂家有德国西门子公司、北京航天机床数控公司、沈阳数控研究中心等，我们选择西安微电机有限公司生产的XASK-2-3A型数控系统，该系统精度高、性价比高、驱动电机功率大、质量稳定可靠。
XASK-2-3A型数控系统是由微机数控装置、伺服驱动机构、纵横向步进电机以及130CMY永磁测速电机组成，并包括进给传动系统中的齿轮减速箱、滚珠丝杠螺母副等。
微机数控装置由专用计算机、键盘显示器、开关电源、输入输出（I/O）接口、光电隔离电路等组成，经济型数控机床一般采用8位微机，微型机由总线与接口相连接，系统的加工程序通过键盘操作下达，显示器显示加工数据及机床的工作状态。伺服驱动分别控制自动刀架的换刀、拖板的纵横向移动、速度变换以及各种切削运动。
XASK-2-3A型数控系统的伺服驱动机构与机床主轴进给传动机构组成开环伺服驱动系统，如图2所示，数控装置由键盘发出指令，其脉冲经伺服驱动柜功率放大再控制步进电机旋转，后经传动系统的减速齿轮副、滚珠丝杠副转换为机床大、中拖板的位置移动，最后带动刀架完成切削进给运动。
伺服驱动系统各主要部件的构成情况如下：
①XASK-2-3A型伺服驱动器。②功率步进电机。纵向：160BF6，最大静态转矩为20 N·M；横向：120BF3，最大转矩为10N·M。③齿轮减速箱。纵向：传动比i=5/3，齿数Z1=60，Z2=100，模数m=2；横向：传动比i=25/14，齿数Z1=28，Z2=50，模数m=2。④滚珠丝杠螺母副。纵向：GM40×10×1 500，横向：GM25×5×480。
步进电机在开环伺服驱动系统中处于核心位置，必须具有良好的运行特性，不产生丢步、振荡误差并能快速起动、停止、正反转等，且必须具有足够的动态转矩。XASK-2-3A型数控伺服系统通常采用电流斩波驱动电路控制步进电机运行。
3 机床传动结构的改造
要确保机床的传动精度和工作稳定性，必须改造机床的传动装置。首先让普通机床精度要达到大修后的精度标准要求，同时采取缩短传动链及预紧力措施来提高系统的刚度，采用低磨传动零件来降低摩擦阻力以及采用隙齿轮来消除传动间隙，满足数控机床最基本的技术要求。
3.1 机床传动系统的改造
数控车床纵向进给运动与横向进给运动是相互独立各不相联的，为达到改造目的，我们在数控改造中不改变普通车床的主运动系统，即主轴变速仍保持为手动操作，而进给传动系统则采用步进电机控制减速齿轮箱，再传动到滚珠丝杠副，再由丝杠传到溜板箱，再传到刀架，最后形成车削加工。
另外，我們在传动链中加入减速齿轮副，细化脉冲当量，同时在数控系统中还增加补偿装置，必要时由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。
数控车床的灵敏度，会影响机床的加工精度，我们采用滚珠丝杠代替滑动丝杠，通过减少运动件的摩擦阻力来提高系统的灵敏度，因滚珠丝杠具有传动效率高、运动平稳的特点，我们在正常改造时采用特殊的滚珠螺母装置来进行安装，操作时，先将两卡爪用螺栓上紧，滚珠螺母不作回转运动，只能作直线运动，在手动操作时，松开两螺栓，滚珠螺母既能作回转运动又能作直线运动。
进给传动系统采用如下方法进行改造：
①横向。拆除横向滑动丝杠螺母副，由于滚珠螺母装在方形的座内，尺寸比较大，需事先扩铣大拖板丝杠安装槽，将大拖板尾孔车到￠36H7，并将端面铣成平尾孔，在中拖板原来螺母座的安装位置将安装槽铣成80 mm×60 mm×6 mm，并在中拖板上将横向滚珠丝杠螺母装进去，最后将手柄刻度盘转轴与减速箱输出轴通过连接套与滚珠丝杠的前后两端分别联接在一起，使横向步进电机及减速箱紧固在大拖板尾孔侧面。②纵向。拆除纵向滑动丝杠螺母副，在大杠支架右侧安装步进电机及减速齿轮，用连接套将进给箱丝杠输出轴及减速齿轮箱输出轴与滚珠丝杠的左右两端分别相连，在溜板箱右侧壁上安装固定滚珠螺母座。 3.2 安装消除齿轮副间隙机构
采取双齿轮错齿式消隙机构，两个齿数相同、套装在一起的薄片齿轮与另外一个宽齿轮啮合，有沉槽、销钉均匀分布在薄片齿轮的端面，沉槽中预先装有压簧，两薄片齿轮具有相对旋转运动，弹簧被销钉压缩，弹簧的弹力使薄片齿轮的左右齿面分别紧贴在宽齿轮的齿面上，传动间隙得到了消除。
3.3 安装主轴脉冲发生器
永磁脉冲测速发电机就是主轴脉冲发生器，是为加工螺纹安装的主轴转速检测装置，它与主轴转速严格同步，保证螺距的正确性。
3.4 改造自动回转刀架
原有普通机床的刀架定位精度低，而且是手动换刀，需进行改造。自动回转刀架是由数控系统控制，工作可靠，效率高。我们购置了河南长沙机械研究所生产的WZD-ⅡC型自动回转刀架。该刀架重复定位精度高于2μm，既可手动换刀，也可实现自动换刀，刀架夹紧刚度高，可进行重负荷切削。
4 改造后数控机床的调试
①空负荷试验。手动试验，观察拖板的横向和纵向运动方向与规定的方向是否一致；加载程序，观察在各种速度下纵横向运动，如果加工程序能正确地执行，说明程序正确；试验自动回转刀架，手动操作，观察刀架运转是否正常，并做相应的调整；将换刀指令编入程序进行试运行，观察运转是否正常；观察编制程序时运行状态，调试其它的数控功能，如暂停、延时、螺纹加工、圆弧加工、自动加工等。②测量机床的加工精度。测量机床重复定位精度，控制机床重复定位精度在±0.01 mm内；测量定位精度，测量定位精度可在X、Z方向上分别检测。数控机床的定位误差可以采用消除传动间隙的方法来进行补偿，间隙补偿后，定位精度允差为0.005～0.01 mm。③带负荷试验。选择一个加工零件装夹到位，编制好加工程序，并把对刀补偿值键入数控程序，开机进行加工。仔细观察机床每步加工运行过程，是否按预定程序进行，刀具是否到位。④测量零件的加工精度。测量并记录加工零件尺寸，并与图纸尺寸相比较，要求加工精度达到±0.005～0.01 mm；比较加工零件精度的一致性。检查相同尺寸的加工精度，如零件尺寸分布范围过大，分析产生误差的原因并调整。⑤机床的强力切削试验。数控车床要有较大切削力切削钢件，实现强力切削。采用如下条件做强力切削试验：刀具采用高速硬质合金钢（ W18Cr4V），刀具前角γ=23 °后角α=5 °，主偏角ψ=43 °；切削材料采用45#中碳钢δb≥750 N/mm2，HRC=40～60，材料尺寸：φ120 mm×350 mm；切削参数设置，切削速度50～80 r/min；走刀进给量S=0.4 mm/r，切削长度L=80～120 mm，切削深度t≥6 mm。
按上述条件试验，严格控制切削速度，试验完毕加工零件尺寸达到程序设定要求，电机及刀具使用良好，说明系统工作正常，机床的数控改造达到预期设计效果。
5 结 语
通过对C6136型普通车床的成功改造，机床的技术水平、自动化效率得到了很大的提高，生产产品精度能够得到保证，工作稳定可靠，而投资只有购置新设备的一半左右，经济效益可观，此改造技术具有广阔的市场前景，值得我们大力推广。
参考文献：
[1] 林宋主.现代数控机床[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2] 王爱玲.现代数控原理及控制系統[M].北京：国防工业出版社，2005.
[3] 李洪.实用机床设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.
关键词：普通机床；经济型；数控机床；改造
中图分类号：TG519.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）12-0034-02
普通机床是18世纪后期发展起来的一种机械切削加工设备，历经几百年的发展，目前已不能适应多品种、小批量的生产要求，如C6136、C620、C6140等老产品等，而数控机床从20世纪初诞生开始就显示出它的优越性，它集数控、微电子、计算机、自动控制与测量等技术于一体，尤其在加工复杂形状、精度要求高、批量小、时间紧的的情况下加工零件比较合适。因此，数控机床在现实社会中能更好地满足产品的加工要求。
目前有二类数控机床，一类是性能高、功能全，如多工序加工系统、自适应数控机床、柔性加工中心等；另一类数控机床是仅具有自动加工的基本功能、简单、经济实用。笔者认为，目前的普通机床如要一律淘汰更新既浪费，也没有必要，可采用简单的数控技术将普通机床进行改造，既能提高设备的整体技术水平，满足加工需求，又能节约很大的资金。文章以C6136型普通机床为例，介绍普通机床的数控改造过程。
1 改造的总体思路
改造普通机床首先要改造机床的控制系统，目前数控系统有好几种，它的结构形式、控制方式、能达到的精度以及售价等各不相同，改造时，应根据具体情况进行选择，经济型数控系统通常采用的是步进电机拖动的开环控制系统，该系统的伺服驱动装置是步进电机，通过齿轮副和滚珠丝杠副驱动执行部件，系统的加工精度不是太高，一般能达0.01～0.02 mm，基本能满足C6136车床改造后零件加工的精度要求。此次改造，在结构上保留普通机床手动操作功能，为手动与自动兼容。在数控系统出现故障时仍能维持基本加工。普通机床数控改造的总体思路如图1所示。
2 选择合适的数控系统
数控系统由数控装置和伺服机构组成，目前市场上常见的数控系统生产厂家有德国西门子公司、北京航天机床数控公司、沈阳数控研究中心等，我们选择西安微电机有限公司生产的XASK-2-3A型数控系统，该系统精度高、性价比高、驱动电机功率大、质量稳定可靠。
XASK-2-3A型数控系统是由微机数控装置、伺服驱动机构、纵横向步进电机以及130CMY永磁测速电机组成，并包括进给传动系统中的齿轮减速箱、滚珠丝杠螺母副等。
微机数控装置由专用计算机、键盘显示器、开关电源、输入输出（I/O）接口、光电隔离电路等组成，经济型数控机床一般采用8位微机，微型机由总线与接口相连接，系统的加工程序通过键盘操作下达，显示器显示加工数据及机床的工作状态。伺服驱动分别控制自动刀架的换刀、拖板的纵横向移动、速度变换以及各种切削运动。
XASK-2-3A型数控系统的伺服驱动机构与机床主轴进给传动机构组成开环伺服驱动系统，如图2所示，数控装置由键盘发出指令，其脉冲经伺服驱动柜功率放大再控制步进电机旋转，后经传动系统的减速齿轮副、滚珠丝杠副转换为机床大、中拖板的位置移动，最后带动刀架完成切削进给运动。
伺服驱动系统各主要部件的构成情况如下：
①XASK-2-3A型伺服驱动器。②功率步进电机。纵向：160BF6，最大静态转矩为20 N·M；横向：120BF3，最大转矩为10N·M。③齿轮减速箱。纵向：传动比i=5/3，齿数Z1=60，Z2=100，模数m=2；横向：传动比i=25/14，齿数Z1=28，Z2=50，模数m=2。④滚珠丝杠螺母副。纵向：GM40×10×1 500，横向：GM25×5×480。
步进电机在开环伺服驱动系统中处于核心位置，必须具有良好的运行特性，不产生丢步、振荡误差并能快速起动、停止、正反转等，且必须具有足够的动态转矩。XASK-2-3A型数控伺服系统通常采用电流斩波驱动电路控制步进电机运行。
3 机床传动结构的改造
要确保机床的传动精度和工作稳定性，必须改造机床的传动装置。首先让普通机床精度要达到大修后的精度标准要求，同时采取缩短传动链及预紧力措施来提高系统的刚度，采用低磨传动零件来降低摩擦阻力以及采用隙齿轮来消除传动间隙，满足数控机床最基本的技术要求。
3.1 机床传动系统的改造
数控车床纵向进给运动与横向进给运动是相互独立各不相联的，为达到改造目的，我们在数控改造中不改变普通车床的主运动系统，即主轴变速仍保持为手动操作，而进给传动系统则采用步进电机控制减速齿轮箱，再传动到滚珠丝杠副，再由丝杠传到溜板箱，再传到刀架，最后形成车削加工。
另外，我們在传动链中加入减速齿轮副，细化脉冲当量，同时在数控系统中还增加补偿装置，必要时由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。
数控车床的灵敏度，会影响机床的加工精度，我们采用滚珠丝杠代替滑动丝杠，通过减少运动件的摩擦阻力来提高系统的灵敏度，因滚珠丝杠具有传动效率高、运动平稳的特点，我们在正常改造时采用特殊的滚珠螺母装置来进行安装，操作时，先将两卡爪用螺栓上紧，滚珠螺母不作回转运动，只能作直线运动，在手动操作时，松开两螺栓，滚珠螺母既能作回转运动又能作直线运动。
进给传动系统采用如下方法进行改造：
①横向。拆除横向滑动丝杠螺母副，由于滚珠螺母装在方形的座内，尺寸比较大，需事先扩铣大拖板丝杠安装槽，将大拖板尾孔车到￠36H7，并将端面铣成平尾孔，在中拖板原来螺母座的安装位置将安装槽铣成80 mm×60 mm×6 mm，并在中拖板上将横向滚珠丝杠螺母装进去，最后将手柄刻度盘转轴与减速箱输出轴通过连接套与滚珠丝杠的前后两端分别联接在一起，使横向步进电机及减速箱紧固在大拖板尾孔侧面。②纵向。拆除纵向滑动丝杠螺母副，在大杠支架右侧安装步进电机及减速齿轮，用连接套将进给箱丝杠输出轴及减速齿轮箱输出轴与滚珠丝杠的左右两端分别相连，在溜板箱右侧壁上安装固定滚珠螺母座。 3.2 安装消除齿轮副间隙机构
采取双齿轮错齿式消隙机构，两个齿数相同、套装在一起的薄片齿轮与另外一个宽齿轮啮合，有沉槽、销钉均匀分布在薄片齿轮的端面，沉槽中预先装有压簧，两薄片齿轮具有相对旋转运动，弹簧被销钉压缩，弹簧的弹力使薄片齿轮的左右齿面分别紧贴在宽齿轮的齿面上，传动间隙得到了消除。
3.3 安装主轴脉冲发生器
永磁脉冲测速发电机就是主轴脉冲发生器，是为加工螺纹安装的主轴转速检测装置，它与主轴转速严格同步，保证螺距的正确性。
3.4 改造自动回转刀架
原有普通机床的刀架定位精度低，而且是手动换刀，需进行改造。自动回转刀架是由数控系统控制，工作可靠，效率高。我们购置了河南长沙机械研究所生产的WZD-ⅡC型自动回转刀架。该刀架重复定位精度高于2μm，既可手动换刀，也可实现自动换刀，刀架夹紧刚度高，可进行重负荷切削。
4 改造后数控机床的调试
①空负荷试验。手动试验，观察拖板的横向和纵向运动方向与规定的方向是否一致；加载程序，观察在各种速度下纵横向运动，如果加工程序能正确地执行，说明程序正确；试验自动回转刀架，手动操作，观察刀架运转是否正常，并做相应的调整；将换刀指令编入程序进行试运行，观察运转是否正常；观察编制程序时运行状态，调试其它的数控功能，如暂停、延时、螺纹加工、圆弧加工、自动加工等。②测量机床的加工精度。测量机床重复定位精度，控制机床重复定位精度在±0.01 mm内；测量定位精度，测量定位精度可在X、Z方向上分别检测。数控机床的定位误差可以采用消除传动间隙的方法来进行补偿，间隙补偿后，定位精度允差为0.005～0.01 mm。③带负荷试验。选择一个加工零件装夹到位，编制好加工程序，并把对刀补偿值键入数控程序，开机进行加工。仔细观察机床每步加工运行过程，是否按预定程序进行，刀具是否到位。④测量零件的加工精度。测量并记录加工零件尺寸，并与图纸尺寸相比较，要求加工精度达到±0.005～0.01 mm；比较加工零件精度的一致性。检查相同尺寸的加工精度，如零件尺寸分布范围过大，分析产生误差的原因并调整。⑤机床的强力切削试验。数控车床要有较大切削力切削钢件，实现强力切削。采用如下条件做强力切削试验：刀具采用高速硬质合金钢（ W18Cr4V），刀具前角γ=23 °后角α=5 °，主偏角ψ=43 °；切削材料采用45#中碳钢δb≥750 N/mm2，HRC=40～60，材料尺寸：φ120 mm×350 mm；切削参数设置，切削速度50～80 r/min；走刀进给量S=0.4 mm/r，切削长度L=80～120 mm，切削深度t≥6 mm。
按上述条件试验，严格控制切削速度，试验完毕加工零件尺寸达到程序设定要求，电机及刀具使用良好，说明系统工作正常，机床的数控改造达到预期设计效果。
5 结 语
通过对C6136型普通车床的成功改造，机床的技术水平、自动化效率得到了很大的提高，生产产品精度能够得到保证，工作稳定可靠，而投资只有购置新设备的一半左右，经济效益可观，此改造技术具有广阔的市场前景，值得我们大力推广。
参考文献：
[1] 林宋主.现代数控机床[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2] 王爱玲.现代数控原理及控制系統[M].北京：国防工业出版社，2005.
[3] 李洪.实用机床设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.