1、数控车床的改造 数控论文大学论文目 录摘 要3关 键 词 4前 言 51 普通车床数控化改造的必要性 52 普通车床数控化改造可行性的简单论证 63 普通车床数控化改造方案 63.1主轴传动系统的改造73.1.1步进电动机工作方式的确定73.1.2电动机类型及型号的选择73.2进给传动系统的改造83.2.1传动方式的选择 83.2.2滚珠丝杠的支撑方式83.2.3齿轮传动间隙的消除93.2.4进给系统的润滑93.3数控系统的选择与配置 103.3.1伺服控制单元的种类 113.3.2进给伺服和主轴伺服电机的选择 123.3.3位置检测器件的选择 133.3.4数控功能的选择 133.4 刀架改
2、造 163.5 导轨改造 163.5.1导轨材料 163.5.2导轨类型 173.5.3导轨间隙的消除 183.6 车床润滑系统的改造 18结 论 19谢 词 19参 考 文 献 19普通车床的数控化改造摘要企业要在激烈的市场竞争中获得生存,得到发展,就必须在最短的时间内以优异的质量,低廉的成本,制造出合乎市场需要的,性能合适的产品。而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前,采用先进的数控机床,已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本较高。对普通机床数控化改造也是提高机床数控化率的一条有效途径。从而降低
3、成本，提高生产效率。 数控机床以它生产效率高，可加工复杂零件的特点，越来越显示出它的优越性。因此如何将普通机床改造成数控机床,已成为机械加工设备改造工作的重点。关键词：数控化改造；机械加工；普通车床；前言机械制造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，即为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种机器、仪器和工具。为适应现代化建设的需要，必须大力发展机械制造工业。可见，机械制造工业是国民经济各部门赖以发展的基础，而机床则是机械制造工业的基础。一个国际机床工业的技术水平在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。数控机床是综合应用计算机，自动控制，自动检测及精密机械
4、等高新技术的产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性显而易见,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,而且自动化程度较高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位越来越显得重要。现在原有的普通机床已经不能适应目前市场竞争激烈、高效率和多变的要求所以,数控机床已越来越受到市场的青睐。专家们预言: 21世纪机械制造业的竞争, 其实质是数控技术的竞争。数控技术是制造业实现自动化，柔性化，集成化生产的基础。数控机床主要由数控装置，伺服机构和机床
5、主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上,由程序读入装置接收,或由数控装置的键盘直接手动输入。数控机床加工零件不仅效率高, 能多变。而且,只需对程序进行修改,就可以满足客户的加工要求。但为了节省资金,不淘汰原有的普通机床设备,对此加以改造。这样既可节约成本,又能具有数控机床性能,满足生产的需要。 1普通车床数控化改造的必要性生产中经常需要加工一些形状复杂、精度要求较高、普通机床难以加工或不能加工的零件。用数控机床加工比较容易,因为数控机床比普通机床具有以下突出的优越性。 （1）可以加工出普通机床加工不了的曲线、曲面等复杂零件。因为计算机有逻辑运算能力,可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时
6、应该运动的运动量,因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 （2）可以实现加工柔性自动化,从而效率可比普通机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力,可以将输入的程序存储下来,然后按照程序规定的顺序自动去执行,从而实现自动化。大批量生产时,数控机床只要更换一个程序,就可实现另一工件加工的自动化,可使单件和小批生产自动化,因此被称为实现了“柔性自动化”。 (3）加工精度高,尺寸分散度小,易于装配,不再需要“修配”。由于加工过程自动化,计算机还可以自动进行刀具补偿功能,不会因刀具磨损而影响工件精度。特别是数控系统中增加了机床误差，加工误差修正补偿的功能,使加工精度得到进一步提高。 (4）可实现多工序的集中
7、,减少了被加工零件在机床间的频繁搬运。自动化带来的效果(可以自动更换刀具) 。在工件装夹好后,可实现多工序的加工。 (5）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种功能,因而可实现长时间无人看管加工,在配备多种传感器条件下,计算机功能的体现。带来劳动生产率的提高和生产周期的缩短等效益是非常明显的。 我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数约只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。自动/半自动机床不到20%，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60%以上
8、）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产，加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、精度低、成本高、供货期长、从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。2普通车床数控化改造可行性的简单论证目前普通机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间,现在我国机床数控化率不到3%。随着世界科技进步和机床工业的不断发展,数控机床作为机床工业的主流产品,已成为实现装备制造业现代化的关键设备。数控机床的拥有量及其性能水平的高低,是衡量一个国家综合实力的重要标志。加快发展数控
9、机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求。数控化改造的费用通常只有新购设备价格的三分之一左右，节约设备费用。数控机床加工产品的报废率也只有普通机床加工产品报废率的十分之一左右。原来只有高级技工才能加工的产品，现由经过培训的年轻人就可完成产品加工，节约劳动力成本。数控机床能加工普通机床不能加工的复杂工件，为企业创造更多的经济效益。对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用。经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和可行性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实
10、证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。3普通车床数控化改造方案3.1 改造主轴传动系统床主传动的作用是把电机的转速和转矩通过一定途径传给主轴,使工件以不同的速度运动,主传动性能的好坏,直接影响零件的加工质量和生产效率。考虑到改造的经济性,采用步进电动机。考虑到加工过程中当电网电压和切削力矩发生变化时,电机的转速也会随之波动,直接影响加工零件的表面粗糙度。因此为提高加工精度,实现主轴自动无级变速,在主轴上增加了交流异步电动机变频调速系统,从而不需进行机械换档。机床要求具有螺蚊切削功能,在主轴部位安装主轴脉冲发生器。目前车床数控改造系统具有下列基本配置和功
11、能： （1）采用CPU，具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能，自动转位刀架控制，螺纹加工等控制功能。 （2） 配有步进电机驱动系统，脉冲当量或控制精度一般为：Z为0.01mm，X向为0.005mm。 （3）加工程序大多靠面板按键输入，代码编制，掉电自动保护存储器存储；可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。 （4）具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程报警功能。3.1.1步进电动机工作方式的确定电动机工作时会发热，它不仅取决于负载的大小，也和负载持续的时间的长短密切相关，这是选择额定功率时必须考虑的。按电动机的不同发热情况，可以分为三种工作方式，即连续
12、工作方式、短时工作方式和断续周期性工作方式。数控车床其工作时间一般较长，升温后可以达到稳定值，步进电动机的负载可能是恒定或大小基本恒定的常值，因此应选择连续工作方式。3.1.2电动机类型及型号的选择由于电动机为连续工作方式，负载平稳，且经常启动，制动和正反转，因此因优先采用步进电动机。 根据设计要求电动机类型为步进电动机，可参考机械零件设计手册，选择合适的电动机型号。3.2进给传动系统的改造普通车床采用的是T型丝杠滑动丝杠副，与滚珠丝杠副相比摩擦阻力大、传动效率低，不能适应于高速运动，也无法实现自动控制进给。另外由于磨损快，造成其精度保持性和寿命低等，在进行普通机床数控化改造时都将其更换为滚珠
13、丝杠副。滚珠丝杠副有以下一些特点：摩擦损失小，传动效率高；若使用的丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；磨损小、寿命长、精度保持性。3.2.1传动方式的选择丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。因此，滑动丝杠常用在加工精度要求不是很高的普通车床中。 滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力
14、矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。在数控化改造的车床中，应把原来的滑动丝杠换为滚珠丝杠，以降低摩擦力，提高加工精度。3.2.2滚珠丝杠的支承方式数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座及支承座都应具有足够的刚度和精度。通常都适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度，新设计的机床在工艺条件允许时常常把螺母座或支承座与机床本体做成整体来增大刚度。 为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的。国内目前主要采用两种组合方式。一种是把向心
15、轴承和圆锥轴承组合使用，其结构虽简单，但轴向刚度不足。另一种是把推力轴承或向心推力轴承和向心轴承组合使用，其轴向刚度有了提高，但增大了轴承的摩擦阻力和发热而且增加了轴承支架的结构尺寸。在设计中，采用推力轴承和向心轴承组合使用。3.2.3齿轮传动的消除间隙采用齿轮传动时，齿侧间隙会造成开环或半闭环伺服系统的死区误差，影响定位精度。为了消除齿侧间隙并获得强刚性，必须采用各种具有消除间隙或预紧措施的齿轮副。对于直齿圆柱齿轮传动，常用的方法有双片齿轮错齿法。两个完全相同的薄片齿轮套装在一起与另一个宽齿轮啮合。当两个薄片齿轮的齿完全对齐时，相当于一个齿轮在工作。正转时，它们贴向宽齿轮轮齿的一侧；一旦反向
16、，它们会一起走过一段侧隙后贴向轮齿的另一侧。设想：若将两个薄片齿轮的轮齿错开一定的距离，使它们分别贴向宽齿轮轮齿的两侧，正向时一个齿轮起作用，反向时另一个齿轮起作用。则当运动反向时，马上会带动从动轮工作，每一个薄片齿轮与宽齿轮间虽然分别都存在侧隙，但它们的共同作用却消除了侧隙对传动的影响。一方面是由于结构的需要，另一方面由于偏心套调整法只能补偿齿厚误差与中心距误差引起的齿隙，不能补偿偏心误差引起的齿隙，采用周向弹簧的双片齿轮错齿法比较简单，但应保证弹簧弹力产生的扭矩M不应过大或过小。如果M过小起不到消隙的作用，M过大会加大齿面的摩擦力而加剧磨损。3.2.4进给系统的润滑机床在运行过程中，各运动
17、件之间存在摩擦，必须采用一定的润滑及防护措施来减小其相对摩擦，从而提高机床的使用寿命。使用润滑剂可提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑脂的特点是黏度大，不易流失，因此不需经常加换，使用方便，密封也较简单。但其摩擦阻力大，机械效率低；流动性差，导热系数小。因此仅适用于转速不高的轴承，外露的齿轮和某些不易密封的主轴件等。润滑油一般为全损耗系统用油。在此进给系统中，齿轮的转速比较低，因此不能使油飞溅润滑，在齿轮和轴承处采用润滑脂来润滑。在滚珠丝杠副中，也只能采用润滑脂。3.3数控系统的选择与配置数控系统采用可编程控制器(PLC)控制，PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种工
18、业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小，是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点。用PLC改造传统继电器控制系统是很好的方法，它可以充分发挥PLC高可靠性、高抗干扰的特点，寿命长、维修量少查找外部线路简单。用PLC对系统进行逻辑控制和变速位置的数据处理，较好地实现了原工艺要求，简化了线路，提高了可靠性和机床的运行率数控系统的配置和功能选择系统是数控机床的重要组成部分，配置什么样的数控系统及选择哪些数控功能，都是机床生产厂家和最终用户所关注的问题。 开环控制系统采用步进电机作为驱动部件，没有位置和速度反馈器件，所以控制简单，价格低廉，但它们的负载能力小，位置控制精度较差，进给速度较低
19、，主要用于经济型数控装置。 半闭环和闭环位置控制系统：采用直流或交流伺服电机作为驱动部件，可以采用电机内的脉冲编码器，旋转变压器作为位置，速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，也可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。 由于螺距误差的存在，使得从半闭环系统位置检测器反馈的丝杠旋转角度变化量，还不能精确地反映进给轴的直线运动位置。但是，经过数控系统对螺距误差的补偿，它们也能达到相当高的位置控制精度。与全闭环系统相比，它们的价格较低，安装在电机内部的位置反馈器件的密封性好，工作更加稳定可靠，几乎无需维修，所以广泛地应用于各种类型的数控机床。 直
20、流伺服电机的控制比较简单，价格也较低，其主要缺点是电机内部具有机械换向装置，碳刷容易磨损，维修工作量大。运行时易起火花，使电机的转速和功率的提高较为困难。 交流伺服电机是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高，目前已在很大范围内取代了直流伺服电机。 3.3.1伺服控制单元的种类 分离型伺服控制单元，其特点是数控系统和伺服控制单元相对独立，也就是说，它们可以与多种数控系统配用，NC系统给出的指令是与轴运动速度相关的DC电压（例如0-10V），而从机床返回的是与NC系统匹配的轴运动位置检测信号（例如编码器、感应同步器等输出信号）。伺服数据的设定和调整都在伺服控制单元侧进行（用
21、电位器调节或通过数字方式输入）。 串行数据传输型伺服控制单元，其特点是NC系统与伺服控制单元之间的数据传送是双向。与轴运动相关的指令数据、伺服数据和报警信号是通过相应的时钟信号线、选通信号号、发送数据线、接收数据线、报警信号线传送。从位置编码器返回NC装置的有运动轴的实际位置和状态等信息。 网络数据传输型伺服控制单元，其特点是轴控制单元密集安装在一起，由一个公用的DC电源单元供电。NC装置通过FCP板上的网络数据处理模块的连接点SR、ST与各个轴控制单元（子站）的网络数据处理模块的SR、ST点串联，组成伺服控制环。各个轴的位置编码器与轴控制单元之间是通过二根高速通信线连接，反馈的信息有运动轴位
22、置和相关的状态信息。 串行数据传输型和网络数据传输型伺服控制单元的伺服参数在NC装置中用数字设定，开机初始化时装入伺服控制单元，修改和调整都十分方便。 网络数据传输型伺服控制单元在相应的控制软件配合下，具有实时的调整能力，例如在Hi-G型定位加减速功能中，可以根据电机的速度和扭矩特性求出相应的函数，再以其函数控制高速定位时的加减速度，从而抑制高速定位时可能引起的振动。定位速度的提高可以缩短非切削时间，提高加工效率。又如在Hi-Cut型进给速度控制功能中，系统可以在读入零件加工程序後，自动识别数控指令要求加工的零件形状（圆弧、棱边等），自动调节加工速度，使之最佳化，进而实现高速高精度加工。 采用
23、高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的全数字化交流伺服系统出现後，硬件伺服控制变为软件伺服控制，一些现代控制理论的先进算法得到实现，进而大大地提高了伺服系统的控制性能。 伺服控制单元是数控系统中与机械直接相关联的部件，它们的性能与机床的切削速度和位置精度关系很大，其价格也占数控系统的很大部分。相对来说，伺服部件的故障率也较高，约占电气故障的70%以上，所以选配伺服控制单元十分重要。 伺服故障除了与伺服控制单元的可靠性有关外，还与机床的使用环境、机械状况和切削条件密切相关。例如环境温度过高，易引起器件过热而损坏；防护不严可能引起电机进水，造成短路；机械传动机构卡死更会引起功率器件的损坏，虽
24、然伺服控制单元本身有一定的过载保护能力，但是故障情况严重或者多次发生时，仍然会使器件损坏。有些数控系统具有主轴和进给轴的实时负载显示功能，用户可以利用这些信息，采取措施来防止事故的发生。 3.3.2进给伺服和主轴伺服电机的选择 输出扭矩是进给电机负载能力的指标。在连续操作状态下，输出扭矩是随转速的升高而减少的，电机的性能愈好，这种减少值就愈小。为进给轴配置电机时应满足最高切削速度时的输出扭矩。虽然在快速进给时不作切削，负载较小 ，但也应考虑最高快速进给速度下的起动扭矩 。高速时的输出扭矩下降过多也会影响进给轴的控制特性。 输出功率是主轴电机负载能力的指标。主轴电机的额定功率是指在恒功率区（速度
25、N1到N2）内运行时的输出功率，低于基本速度N1时达不到额定功率，速度愈低，输出功率就愈小。为了满足主轴低速时的功率要求，一般采用齿轮箱变速，使主轴低速时的电机速度也在基本速度N1以上，此时，机械结构较为复杂，成本也会相应增加。在主轴与伺服电机直接连接的数控机床中，有两种方法来满足主轴低速时的功率要求，其一是选择基本速度较低或额定功率高一档的主轴电机，其二是采用特种的绕组切换式主轴伺服电机（例如日本大隈的YMF型主轴电机），这种电机的三相绕组在低速运行时接成星形，而在高速运行时接成三角形，从而提高了主轴电机的低速功率特性，降低主轴机械部件的成本。 高速加工是提高数控机床生产效率的有效途径，但高
26、速、高精度切削会给伺服驱动和计算机部件带来更高的要求，必然增加数控系统的成本，而高速加工的另一个重要应用领域是轻金属和薄壁零件的加工，所以，应该按机床的实际需要选择主轴和进给电机的速度。 3.3.3位置检测器件的选择 机床原点是数控机床所有坐标系的基准点，机床原点的稳定性是数控机床极为重要的技术指标，也是稳定加工精度的基本保证，机床原点的建立方法有两种。在采用相对位置编码器，感应同步器或光栅作为位置反馈器件的数控机床中，数控系统将各进给轴的回零减速开关（或标记）之后由位置反馈器件产生的第一个零点标记信号作为基准点。这类机床在每次断电或紧急停机后都必须重新作各进给轴的回零操作，否则，实际位置可能
27、发生偏移，回零减速开关与其撞块的相对位置调整不妥，也会引起机床原点位置的不稳定，这些都是应该重视的。 在采用绝对位置编码器作为位置反馈器件的数控机床中，绝对位置编码器能够自动记忆各进给轴全行程内的每一点位置，不需回零开关，每次断电或紧急停机後，都不必重新作基准点的设定操作。基准点位置设定永久不变，并由专供绝对位置编码器使用的存储器记忆，不仅稳定性好，而且给操作和调整带来极大方便。 3.3.4数控功能的选择 除基本功能以外，数控系统还为用户提供多种可选功能，各知名品牌的数控系统的基本功能差别不大，所以，合理地选择适合机床的可选功能，放弃可有可无或不实用的可选功能，对提高产品的功能，价格比大有好处
28、。1）动画，轨迹显示功能 该功能用于模拟零件加工过程，显示真实刀具在毛坯上的切削路径，可以选择直角坐标系中的两个不同平面的同时显示，也可选择不同视角的三维立体显示。可以在加工的同时作实时的显示，也可在机械锁定的方式下作加工过程的快速描绘。这是一种检验零件加工程序、提高编程效率和实时监视的有效工具。 2）软盘驱动器 通过这种数据传送工具可以将系统中已经调试完毕的加工程序存入软盘後存档，也可以通过它将在其它计算机生成的加工程序存入NC系统，从而减少加工程序的输入占机时间，更可以用它作各种机床数据的备份或存储，给程编和操作人员带来很大方便。 3）简化编程的功能 为了提高编程的效率，缩短加工程序的长度
29、，发挥程序存储器的潜力，数控系统应选择一些简化程序编制的方法。 （1）固定循环 将常用的加工工序（例如钻孔、镗孔、攻丝及腔体和周边加工等）编写成参数式的固定循环程序，编程时由用户填入相应的数据（如基面、孔深、每次切入量以及主轴转速和进给速度等）就可完成预定的加工工序，并可多次重复使用。 （2）坐标计算功能 利用数控系统的实时计算能力，将以各种规则分布的孔加工工序（例如斜线、圆周等）编写成参数式的固定循环程序，编程时由用户填入相应的数据（如角度、半径、孔数、行数和列数等）就可完成预定的加工工序。 （3）子程序功能 用户可以将零件中多处用到的同一加工工序编成子程序，在相应的部位调用，从而缩短加工程
30、序长度。 （4）用户宏程序 用户可以利用系统提供的各种算术、逻辑和函数运算符以及各种分支语句，来组成描述加工零件形状的数学表达式，在程序执行过程中，数控系统边运算，边输出结果，用很短的程序就可以实现特种曲线和曲面的加工。 （5）刚性攻丝功能 刚性攻丝功能必须采用伺服电机来驱动主轴，不仅要求在主轴上增加位置传感器，而且对主轴传动机构的间隙有严格的要求，所以不能忽略这个功能的成本。如果没有特殊的要求（例如高速高精度、特种材料或大直径孔加工等），可以采用弹性伸缩卡头，在一般主轴上进行柔性攻丝来满足加工要求，就不必选用刚性攻丝功能。 （6）刀具寿命管理功能 在加工中心上是否要选用刀具寿命管理功能，必须考虑加工零件的批量、刀具和毛坯质量的一致性以及刀库的容量等因素，否则，不仅会造成许多人为的错误，影响生产的正常进行，而且备用刀具占用的刀位也将大大减少刀库的有效容量，使一些复杂零件因刀位不足而无法加工。 （7）刀具自动补偿和工件测量功能 加工程序中的刀具运动轨迹通常按刀具中心和刀尖编写，所以在程序执行前必须输入相应的刀具半径和长度，这对加工中心尤其重要。 刀具半径和长度可以用普通的量具手工测量，也可用专门的刀具测量仪测量。操作者可
