機械加工車間普通數(shù)控機床改造探討：普通機床與數(shù)控機床的區(qū)別以及改造的注意事項
普通機床指的是需要有至少一個人工進行操作才能工作的機床設備。數(shù)控機床指的是可以由一個或者沒有人工進行操作就能工作的機床設備。那么，兩者的區(qū)別是什么，普通機床能改造成數(shù)控機床嗎?帶著這些問題，我們接著往下看吧。
中國作為機床大國，為了進步機床的數(shù)控化率，對通常機床進行數(shù)控改造不失為一種上策。一些發(fā)達國家如德國、美國、日本等就非常重視對機床的改造，而且已形成了一個完善的產(chǎn)學研聯(lián)系的改造體系。因為技能的不斷進步，機床改造已成為一個永久的課題。怎樣將一臺普通車床改造成數(shù)控車床？
在目前的環(huán)境及條件下，一般的普通機床需要由一個工人來操作機器設備才能工作，而且普通機床的操作工也是需要有一定技術才能上崗。就目前行情來看，一個普通機床熟練操作工需要對工件足夠熟悉，以及對機床的操作足夠熟練才可以，并且操作機床熟練工的工資成本偏高。
在如此高的用人成本面前，很多企業(yè)會首先考慮將普通機床改成數(shù)控機床，來達到單機自動化的水平，這樣至少在技術層面能降低門檻，在人員替換調整的過程中，至少不會像普通機床一樣需要那么高的技術要求。同樣，技術門檻降低后，人員的選擇就會增多，用人成本也會降低，這是目前發(fā)展的趨勢。
中國應在這方面加大宣揚力度，走出一條合適中國國情的機床的數(shù)控改造之路。
一、機床數(shù)控改造的含義
1．節(jié)省資金。
機床的數(shù)控改造同置辦新機床比較，通?？晒?jié)省60%~80%的費用，大型及特別設備尤為顯著。通常大型機床改造只需花新機床置辦費的1/3。即便將原機床的構造進行完全改造晉級，也只需花費采購新機床60%的費用，并能夠使用現(xiàn)有地基。
2．功用安穩(wěn)牢靠。
因原機床各基礎件通過長時間時效，簡直不會發(fā)生應力變形而影響精度。
3．進步出產(chǎn)功率。
機床經(jīng)數(shù)控改造后，即可完成加工的自動化，功率可比傳統(tǒng)機床進步3~7倍。對雜亂零件而言，難度越高，成效進步得越多。且能夠不必或少用工裝，不只節(jié)省了費用，而且能夠縮短出產(chǎn)準備周期。
二、數(shù)控機床與普通機床的區(qū)別：
數(shù)控機床是數(shù)字控制機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置。經(jīng)運算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數(shù)控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現(xiàn)代機床控制技術的發(fā)展方向，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。
普通車床是能對軸、盤、環(huán)等多種類型工件進行多種工序加工的臥式車床，常用于加工工件的內(nèi)外回轉表面、端面和各種內(nèi)外螺紋，采用相應的刀具和附件，還可進行鉆孔、擴孔、攻絲和滾花等。普通車床是車床中應用最廣泛的一種，約占車床類總數(shù)的65%，因其主軸以水平方式放置故稱為臥式車床。
用戶不能隨意更換機床附件，如使用超出說明書規(guī)定的液壓卡盤。制造廠在設置附件時，充分考慮各項環(huán)節(jié)參數(shù)的匹配。盲目更換造成各項環(huán)節(jié)參數(shù)的不匹配，甚至造成估計不到的事故。 使用液壓卡盤、液壓刀架、液壓尾座、液壓油缸的壓力，都應在許用應力范圍內(nèi)，不允許任意提高。
三、普通機床改數(shù)控機床需要注意的地方：
隨著機床工業(yè)的不斷進步，機床改造逐漸成為一個熱門的的話題。很多地區(qū)現(xiàn)在還是以普通機床居多，將這些普通機床改造為數(shù)控機床，提高產(chǎn)能和效能，成為新的經(jīng)濟增長點。那么，一臺普通機床如何才能成功升級為數(shù)控機床呢?
1、數(shù)控化改造的內(nèi)容
普通機床(生產(chǎn)線)進行數(shù)控化改造，施工過程主要分為幾個方面：第一是恢復原機床的功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復。第二是控制系統(tǒng)NC化，將普通機床改造成NC機床、CNC機床(即數(shù)控化機床)。第三是進行加工性能的翻新，以提高精度、效率和自動化程度。第四是技術更新或技術創(chuàng)新，將新技術應用在待改造機床上，提升其整體性能。
2、普通機床數(shù)控化改造中主要機械機構的改造
要求機床數(shù)控改造時要盡量達到較高的靜動態(tài)剛性，運動副之間的摩擦系數(shù)小、傳動無間隙、功率大，便于操作和維護。
3、機床數(shù)控改造主要步驟：
1).機械修理與電氣改造相結合。
2).先易后難，先局部后全局。
3).根據(jù)使用條件選擇系統(tǒng)。
4).落實參與改造人員和責任。
5).改造范圍與周期的確定。
6).改造的技術準備。
總之，不能認為裝數(shù)控裝置與普通機床連接在一起就達到了數(shù)控機床的要求，還應對主要部件進行相應的改造，才能獲得預期的改造項目。
所以，在選擇要將普通機床改數(shù)控機床的時候，還是需要找更專業(yè)的企業(yè)來完成技術層面的工作，通過更多案例和實地考察，以及更多的數(shù)據(jù)來確保在改造的過程中能夠順利完成，因為一臺普通機床可能成本不高，但是改數(shù)控機床的成本卻不低。不過，在選擇數(shù)控改造的同時，可以更多的參考其他自動化升級方面，比如工業(yè)機械手改造，全自動送料系統(tǒng)等等，都是目前企業(yè)自動化改造提升的重點項目。
四、機床數(shù)控改造的方案
1．數(shù)控體系的挑選
數(shù)控體系是機床的中心，在挑選時，要對其功用、經(jīng)濟性及修理服務等進行歸納思考，盡量選用名牌產(chǎn)品。依據(jù)被改機床的構造、功用及被加工零件的精度來挑選數(shù)控體系。既要功用相匹配，又要盡量削減過剩的數(shù)控功用。這樣一方面可防止資金浪費，另一方面也可防止因數(shù)控體系雜亂而增加的故障率。
當前數(shù)控體系主要有三種類型：步進電機拖動的開環(huán)體系;異步電機或直流電機拖動光柵丈量反應的閉環(huán)數(shù)控體系;交/直流伺服電機拖動編碼器反應的半閉環(huán)數(shù)控體系。其間步進電機拖動的開環(huán)體系，其伺服驅動設備主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。該體系位移精度較低，但構造簡略、調試修理便利、質量安穩(wěn)牢靠、成本低、抗干擾功用強、對環(huán)境室溫需求不高，易改裝成功。適用于精度需求通常的中小型機床的改造，也是當前數(shù)控改造中使用最為廣泛的一種。異步電機或直流電機拖動光柵丈量反應的閉環(huán)數(shù)控體系控制精度高，但在構造上比開環(huán)進給體系雜亂，工作量大，成本也高，調試艱難，通常不選用。交/直流伺服電機拖動編碼器反應的半閉環(huán)數(shù)控體系，其精度介于前二者之間，構造與調試都較閉環(huán)體系簡略，適用于控制精度需求較高的大、中型機床的改造。
2．機械有些改造
機床數(shù)控改造后應到達較高的靜動態(tài)剛度，為此需求運動副之間的摩擦系數(shù)小、傳動無空隙、功率大，而且便于操作和修理等。
對數(shù)控車床來說，導軌除應具有原精度外，還要有杰出的耐摩性和小的摩擦阻力。當前多使用在原導軌上粘接聚四氟乙烯軟帶，能防爬，并具有自潤滑性，可進步導軌壽數(shù)，工作量小、周期短、費用低。
傳動鏈的精度受傳動絲杠和齒輪副的影響?；瑒咏z杠報價低，但難以滿意精度需求較高的零件加工;滾珠絲杠摩擦丟失小，傳動功率可在90%以上，傳動活絡、精度高、壽數(shù)長，且能夠下降電機發(fā)動力矩，可滿意較高精度零件的加工需求。
為確保傳動精度，數(shù)控機床上使用的齒輪精度等級都比通常機床高，要到達無隙傳動。消除齒輪副的傳動空隙有柔性調整法和剛性調整法兩種。柔性調整法構造雜亂，傳動剛度低;剛性調整法傳動剛度高，構造簡略。
五、機床數(shù)控改造實例分析
現(xiàn)以經(jīng)濟型數(shù)控車床為例說明改造要點。
1．挑選數(shù)字控制體系。
進口數(shù)控體系有日本Fanue、德國Siemens、美國MCS-8051體系等。國產(chǎn)數(shù)控體系主要有華中數(shù)控、廣州數(shù)控體系等。這些體系均有直線插補、圓弧插補、車公/英制螺紋、刀具補償、空隙補償、刀具自動轉位等功用，功用安穩(wěn)，價錢適中，操作面板簡略直觀，有發(fā)動鍵、暫停鍵、單段/連續(xù)開關、連續(xù)進給鍵、急停鍵、鍵盤、顯示屏等。不但控制弱電，而且對主軸變速、刀架轉位、主軸啟停與換向及其他一些輔助性動作也能通過指令控制。
2．滾珠絲杠副改造。
為了完成絲杠無隙傳動，應將原機床的滑動絲杠改換成滾珠絲杠副。此項不屬必改項，如對機床精度需求不高時，能夠通過預緊原螺母的方法消除傳動空隙。
3．步進電機選用。
車床進給傳動有些改造時要拆除機械傳動機構，代之以步進電機經(jīng)齒輪或同步帶、減速驅動絲杠，帶動刀架移動?？v向步進電機固定在床身上，橫向步進電機固定在床鞍上。如步進電機的轉矩足夠大及構造許可的情況下，也能夠不必減速驅動機構，由步進電機直接與滾動絲杠相連。
4．自動刀架安裝。
將原車床的刀架換成自動轉位刀架。臥式車床自動轉位刀架最常見的型式是螺旋型四轉位刀架，拆除小拖板后將刀架調整好高度安裝在中拖板上，由數(shù)控體系直接控制，功率高，工藝功用牢靠。
5．安裝光電編碼器
加工螺紋時為了確保步進電機進給與主軸的旋轉相配合，切削出固定螺距、固定起點、多頭螺紋等量分度的螺紋，通常在主軸尾部安裝增量式光電編碼器。切制螺紋時，編碼器與主軸同步旋轉，同時發(fā)出與主軸轉角相對應的脈沖信號，控制刀架縱向移動。
6．導軌改造。
為防進給部件爬行，影響運動平穩(wěn)性和定位精度，可選用兩種方法，一種是將原導軌貼軟帶;另一種是改為滾動導軌。當機床精度需求不高時，通常不做導軌改造。
7．主軸變速機構。
主軸變速改造通常選用交流異步電動機變頻調速體系，由CNC控制變頻器、變頻器驅動交流異步電動機完成自動無級變速。在自動化程度需求不高的情況下，機床主軸變速有些可不做改動，這樣可大大下降改造成本。
六、改造實例
本文以CA6140普型車床數(shù)控化改造為例，介紹總體方案設計，機械改造設計和數(shù)控系統(tǒng)設計，根據(jù)數(shù)控車床的性能要求，確定進給運動的快速定位速度：Z軸為3m/min;X軸為1m/min;脈沖當量：Z向為0.01mm/脈沖;X向為0.005/脈沖。
1、總體方案設計
數(shù)控系統(tǒng)自行研制，基于8301單片機為控制核心，以步進電機為伺服驅動裝置，以工作臺和刀架為執(zhí)行部件構成一個開環(huán)控制系統(tǒng)?？傮w方案設計如圖1所示：
2、機械部分改造設計
根據(jù)CA6140車床的實際，本著對車床的改動盡可能少，改造成本低的原則，機械部分改造方案如下：
1)、保留車床主軸旋轉主運動;
2)、縱橫向運動的改造均是卸掉托板上的手輪或手柄，通過對1對齒輪副組成減速裝置，然后與相應的步進電機相連接。
3)、設計一四工位電動轉位刀架，由1個三項異步電機帶動。
4)、自行研制基于8301單片機的控制系統(tǒng)。
5)、在刀架的縱橫向運動中，設置安全超程限位保護裝置。
3、微機數(shù)控系統(tǒng)設計
1)、硬件系統(tǒng)
采用8301單片機數(shù)控系統(tǒng)，外接一片27256(32kx8)EPROM存儲系統(tǒng)軟件，一片62256(32kx8)靜態(tài)RAM存放加工程序和數(shù)據(jù)，采用擴展的8255和8155接口芯片處理鍵盤、顯示器和進步電機的驅動刀架控制及滿足插補要求。
2)、軟件設計
根據(jù)硬件框圖，結合系統(tǒng)功能要求，可編制函數(shù)控制器數(shù)控系統(tǒng)軟件，軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)初始化程序、鍵處理及顯示程序、輸入數(shù)控處理程序、插補計算程序、步進電機輸出控制程序和管理程序等，其中插補程序的實時性強，根據(jù)G1、G2、G3等插補指令進行計算，分別向X、Z軸發(fā)出進給脈沖，步進電機輸出控制程序用來控制X、Z向步進電機的脈沖分配，管理程序負責對微機數(shù)控系統(tǒng)軟件的各個程序和任務進行調查管理，以及對操作鍵、編輯器等引起的中斷進行處理。
七、應注意的問題
1、施工隊伍的挑選。
改造效果很大程度上依賴于施工隊伍的素質，應重視。
2、現(xiàn)場調試。
此階段應嚴把質量關，并為驗收作準備。
3、驗收。
驗收通常有兩個內(nèi)容：(1)標準樣件的試切削，按照標準制定切削程序。在有資格的操作工、編程人員配合下進行試切削，以此檢驗機床剛度、切削力、噪聲、運動軌跡和關聯(lián)動作等是否合格。(2)機床精度的校驗。改造后機床的控制精度應以體系本身的功用(如步進尺寸等)與標準計量器具(如激光干涉儀)對照檢查，這樣可用得到的數(shù)據(jù)補償位置丈量體系，從而進步機床精度。同時還應與改造前機床的各項功用和精度作對比，獲得量化的指標差。機床的各項機械功用指標都應到達標準需求，幾何精度要在規(guī)定的范圍之內(nèi)。
4、改造資料的留存。
機床改造后還應從施工單位索取改造圖紙、資料和改造記錄等，將其匯總、整理、歸檔。保持資料的完整對設備今后的安穩(wěn)運行十分重要。
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