数控机床改造的文献综

前言 机床数控化改造 ， 是指在原有的普通机床的基础上 ， 顺应市场需求而设计配置上数控系统 ， 并对机床的某些机械 、 电气部位进行一定的改造 ， 使其具有数控加工能力，机械制造业市场竞争异常激烈 ， 普通机床已经不能适应高效 、 多变的市场要求 ， 所以数控机床已越来越受到市场的青睐。对机床实施数控化改造是制造业实现自动化 、 柔性化 、 集成化 、 网络化 、 绿色化生产的基础。 我国目前机床总量 380余万台 ,而其中数控机床总数只有 数控化率不到 3%。近 10年来 ,数控机床年产量为 年产值约为 18亿元 。机床的年产量数控化率为 6%。我国机床役龄 10年以上的占 60%以上， 10年以下的机床中 ,自动 /半自动机床不到 20%,美国和日本自动和半自动机床占 60%以上 )。可见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 ,而且半数以上是役龄在 10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、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。自改革开放以来 ,很多企业从国外引进技术、机床设备生产线进行技术改造。据不完全统计 ,从 1979 198年 ,全国引进技术改造项目就有 18446项 ,大约 些项目中 ,大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因 ,不仅没有创造财富 ,反而消耗着财富 ,有的设备或生产线不能正常运转 ,使企业的效益受到影响 ,陷入困境。这些不能使用的机床设备、生产线是一批很大的存量资产 ,修好了就是财富。只要找出主要的技术难点 ,通过数控化改造提高技术性能和装备水平 ,就可以最小的投资盘活最大的存量资产 ,争取到最大的经济 效益和社会效益。 基于 成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点 ,更多的数控系统生产厂家继续向开放式、基于 少采用来处理人机界面、编程、联网通信等问题 ,由原有的系统承担数控的任务。 将普及到所有的数控系统。远程通信 ,远程诊断和维修将更加普遍。为适应机床向高速和高精度方向发展的需要 ,数控系统也向高速化和高精度化发展。随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展 ,数控系统的智能化程度将不断提高。应用 自适应控制技术达到改进系统运行状态的目的引入专家系统指导加工引入故障诊断专家系统智能化数字伺服驱动装置 ,可以通过自动识别负载 ,调整参数 ,使驱动系统获得最佳的运行。 步进电机拖动的开环系统 该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲 ,经驱动电路控制和功率放大后 ,使步进电机转动 ,通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序 ,便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向 ,不需要将所测得的实际位置和 速度反馈到输入端。系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度 ,齿轮丝杠等传动元件的节距精度 ,所以系统的位移精度较低。该系统结构简单 ,调试维修方便 ,工作可靠 ,成本低 ,易改装成功。 异步电动机或直流电机拖动、光栅测量反馈的闭环数控系统 由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号 ,随时与给定值进行比较 ,将两者的差值放大和变换 ,驱动执行机构 ,以给定的速度向着消除偏差的方向运动 ,直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。在结构上比开环进给系统复杂 ,成本也高 ,对环境室温要求严 ,设计和调试都比开 环系统难。但可以获得更高的精度 ,更快的速度 ,驱动功率更大的特性指标。 交 /直流伺服电机拖动、编码器反馈的半闭环数控系统 半闭环系统检测元件安装在中间传动件上 ,间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差 ,因此 ,它的精度低于闭环系统 ,但结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。当前生产数控系统的公司厂家较多 ,国外如德国 本 国内如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司 和沈阳高档数控国家工程研究中心。据悉 ,我国高性能数控系统基本依赖进口。自上世纪 90年代以来 ,我国对数控装备的市场需求急剧增加 ,到 2003年已成为世界第一大消费国。统计资料显示 ,2004年 2000台和 7000台 ,基本上垄断了中国中高档数控系统市场。11D,6它们能满足各种要求。 目前在国内使用的 系统和 0择数控系统 时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。 滚珠丝杠螺母副 普通车床的进给丝杠都是滑动丝杠 ,即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。为了更好地消除丝杠与螺母之间的转动间隙 ,保证机床的加工精度 ,需要将原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠丝杠螺母副。此项改造不属于必改项 ,对机床精度要求不高时 ,可以通过预紧原螺母的方法消除转动间隙。 步进电机选用 车床进给传动部分改造一般是拆除原机床的机械传动机构 ,用步进电机经齿轮或同步带机构 ,减速驱动丝杠 ,带动刀架纵向 或横向移动。纵向步进电机固定在床身上 ,横向步进电机固定在床鞍上。 减速驱动机构 在机床改造中 ,步进电机和丝杠传动副之间装有减速机构 ,其主目的是为了得到所需的脉冲当量和增大驱动力矩 ,一般采用齿轮传动机构或同步带传动机构。此项改造不属于必改项 ,在步进电机的转矩足够大 ,结构许可的情况下 ,也可以不用减速驱动机构 ,由步进电机直接与丝杠副相连。 自动刀架安装 刀架改造是数控改造的重要内容 ,即将原普通车床的手动转位刀架替换成自动转位刀架。卧式车床自动转位刀架最常见的型式是螺旋型四转位刀架 ,拆除小拖板后将刀 架调整好高度安装在中拖板上 ,由数控系统直接控制 ,效率高、工艺性能可靠。 光电编码器 加工螺纹时为了保证步进电机进给与主轴的旋转相配合 ,切削出固定螺距、固定起点、多头螺纹等量分度的螺纹 ,通常在主轴尾部安装增量式光电编码器。切制螺纹时 ,编码器与主轴同步旋转 ,同时发出与主轴转角相对应的脉冲信号 ,控制刀架纵向移动。 导轨改造 普通车床均为滑动导轨 ,这种导轨的缺点是静摩擦系数大 ,低速时易产生爬行现象 ,影响运动平稳性和位精度。为了克服这一缺点 ,数控改造时 ,一种是将原导轨贴塑 ,使其成为贴塑导轨另一种是将原 滑动导轨换成滚动导轨。当机床精度要求不高时 ,一般不做导轨改造 ,以降低数控改造成本。 主轴变速机构 主轴变速改造一般采用交流异步电动机变频调速系统 ,由 变频器驱动交流异步电动机 ,实现自动无级变速。在自动化程度要求不高的情况下 ,机床主轴变速部分可不做改动 ,仍采用原手动变速机构 ,这样可大大降低改造成本。 滑动导轨副 对数控车床来说 ,导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外 ,还要有良好的耐摩擦、磨损特性 ,并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度 ,以 减少导轨变形对加工精度的影响 ,要有合理的导轨防护和润滑。 齿轮副 一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度 ,数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动 ,因而改造时 ,机床主要齿轮必须满足数控机床的要求 ,以保证机床加工精度。 滑动丝杠与滚珠丝杠 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。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠 ,但应检查原丝杠磨损情况 ,如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。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零件的加工。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。 安全防护 效率必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施 ,切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件 ,工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好 ,绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面 损伤导轨。 滚珠丝杠副的支承 研究表明 ,丝杠两端固定支承的最低刚度是一端固定支承最低刚度的 4倍。因此改造后机床 X、 Y、 Z 三向进给丝杠均采用了两端固定的支承方式。 丝杠支承轴承的选择 图 2 丝杠及轴承组配图 为了获得具有高精度、高刚度和高灵敏度的进给系统，不仅应选用高精度高刚度的滚珠丝杠副 ,而且必须十分重视滚珠丝杠支承的设计 ,应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。因滚珠丝杠主要承受轴向载荷 ,除丝杠自重外 ,一般无径向外载荷 ,因此 ,滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。进给系统要求 运动灵活 ,对微小位移 ( 丝杠微小转角 )响应要灵敏 ,因此 ,轴承的摩擦力矩应尽量小。目前 ,国内外的数控机床和加工中心进给丝杠支撑轴承用得最多的是 60该轴承具有承载能力大、刚度大、回转精度高、启动摩擦力矩小等特点。通过合理的选择轴承的组配方式 ,就可以获得良好的进给系统性能。数控机床选用这种角接触球轴承 ,通常需要把 2个以上的轴承组合起来 ,且施加预紧力。其组合形式有背靠背组配、面对面组配、串联组配等方式 ,在数控机床上选用此种轴承时 ,为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度 ,一般采用面对面组配 方式如图 2所示。 滚珠丝杠副的传动效率很高 ,可实现螺母带动丝杠的逆传动 ,因此当它处于垂直安置时必须设有制动装置 ,以防止伺服电机在停止转动时 ,运动部件由于自重而产生的逆传动 ,也可以防止因偶然因素造成事故。 图 3 制动装置示意图 如图 3所示 ,为该机床 Z 方向利用单向逆止轴承防止进给丝杠逆传动的制动装置的示意图。 带动轴 2,轴 2经一对锥齿轮带动 图中未表示 ),实现升降台的升降。防止升降台由于自重而产生逆传动的关键组件是单向逆止轴承和摩 擦阻尼装置 (由联结套、摩擦环、碟簧等组成 )。单向逆止轴承的内环与轴 2固定联结 ,其外环通过键与联结套装配在一起。当升降台上升时 ,单向逆止轴承象普通轴承一样 ,无逆止作用 ,伺服电机通过轴 2带动升降台向上运动。当伺服电机停止转动时 (电机带制动 ),工作台由于自重而要下滑 ,这时 ,单向逆止轴承的滚珠将带动轴承外环反向转动 ,因单向逆止轴承的外环通过键与摩擦阻尼装置连在一起 ,外环被摩擦阻尼装置产生的摩擦扭矩刹住 ,从而防止了逆传动。但是在工作台垂直向下传动时 ,则必须克服这个额外加上的摩擦扭矩。摩擦扭矩的大小由摩擦阻尼装置右端的 螺母调整 ,碟簧提供了摩擦扭矩 ,还自动补偿摩擦阻尼装置因摩擦而产生的间隙。 工作台导轨 改造后的铣床导轨采用贴塑导轨。贴塑导轨的最大特点是它的动、静摩擦系数相差很小 ,因而有效地避免了爬行现象的发生 ,易于实施微量进给。贴塑导轨耐磨性好 ,易于保持导轨精度 ,粘贴工艺简单、易行。 伺服电机与进给丝杠的联结 图 4 伺服电机与滚珠丝杠的联结方式 在数控机床进给系统中 ,伺服电机与滚珠丝杠联结 ,要保证传动无间隙。只有这样才能准确执行脉冲指令 ,避免失步。为此 ,在数控机床上 ,主要采用三种联结方式 :直联式、齿 轮减速方式、齿形皮带方式。在本机床中 ,X、 是靠轴与毂之间成对 (一对或数对 )的内、外锥面贴合的弹性环构成的联结 ,属于无键联结 ,如图 4所示。柠紧螺母时 ,在轴向力的作用下 ,两锥环抵紧 ,内弹性环的内径 外弹性环的外径样在轴与毂孔的接触面上产生压力 ,由压紧力产生的摩擦力和摩擦力矩来传递轴向力和力矩。采用弹性锥环组合时 ,在同一轴向压力作用下 ,各对弹性锥环传递的摩擦力矩不同。一般第二对弹性锥环传递的力矩为第一对弹性锥环的 50%; 第三对仅为第一对的 25%。 因此 ,采用弹性锥环的对数以不超过 34为宜。本机床采用了 3对弹性锥环。这种弹性联结结构简单 ,安装调整方便。在数控机床进给系统中 ,伺服电机与滚珠丝杠联结 ,要保证传动无间隙。只有这样才能准确执行脉冲指令 ,避免失步。为此，在数控机床上 ,主要采用三种联结方式 :直联式、齿轮减速方式、齿形皮带方式。 数控系统结构体系的发展 数控系统是数控机床和数字化设备的核心 ,经过 50多年的发展 ,数控系统已由原来传统的封闭体系结构系统发展到了采用微型计算机的开放式结构数控系统 ,并且进一步与网络技术、信息技术 和控制技术相结合 ,向网络化、集成化和智能化方向发展。 传统数控系统是采用专用的封闭体系结构的数控系统 ,如 系统、0系统和 10系统等，由于其封闭的软硬件结构 ,系统功能的扩展、改变和维修都比较困难 ,一般须由系统供应商进行，目前 ,由于开放体系结构数控系统的发展 ,传统数控系统的市场正受到挑战 ,已逐渐缩小。 C”结构的开放式数控系统 这是一种专用数控软硬件技术与通用计算机结合而开发的产品 ,如16 60等数控系统， 它具有一定的开放性 ,但由于它的 分仍然是传统的数控系统 ,其体系结构仍是不开放的。因此 ,用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大 ,但价格昂贵。 C”结构的开放式数控系统 由“开放体系结构运动控制卡 + ”构成。这种运动控制卡通常选用高速处理器作为 有很强的运动控制和 美国 日本 类系统具有较好的开放性 ,它开放的函数库供用户在 而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。 系统的 而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 I/典型产品有美国 国 种系统的开 放性非常好 ,用户可以在其系统平台上 ,利用开放的 开发所需的各种功能 ,构成各种类型的高性能数控系统 ,软件开放式数控系统具有最高的性价比 ,成为当今数控技术发展的方向。 开放性系统可通过光纤与 连接 ,采用 能以高速、超精 (具有高精纳米插补功能 )为核心 ,并具有智能控制。特别适合于加工航空机械零件、汽车及家电的高精零件、各种模具和需 5轴加工的复杂零件 ,以及用作超精机械控制。高级复杂的功能可进行各种数学的插补 ,如直线、圆弧、螺 旋线、渐开线、螺旋渐开线和样条等插补 ,也可以进行 用 C 程序的数据输入量 ,减少加工时间 , 特别适合于模具加工。 大的联网通信功能适应工厂自动化需要 ,支持标准 连接。可联接工厂干线或控制层通信网络、设备层通信网络、 。高速内装 可用 C 语言在基本 大步数为 32000步。友好的用户界面 ,操作、维护方便 ,普遍采用触摸屏、 2件硬件的模块化结构等 ,给操作和系统维护带来很大方便。 高速化 目前车床和车削中心主轴转速达到 8000r/工中心的主轴转速一般都在15000r/0000r/高的达到 60000r/削进给速度一般达到20m/高的甚至达到 60m /充分发挥刀具材料性能、提高加工效率、降低加工成本 ,并且提高加工精度和表面加工品质 ,数控装备将进一步向更高速度或 超高速方向发展。 高可靠性 国外数控装置 000伺服系统 0000表现出非常高的可靠性。 柔性化、网络化、集成化 为适应制造自动化的发展 , 向 要求数控系统不仅能完成通常的加工功能 ,而且还能够具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头 (有时带坐标变换 )、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网功能 ,特别是依据用户的不同要求 ,可方便灵活地配置和集成。 智能化 （ 1） 为追求加工效率和加工品质方面的智能化 ,设备有自适应控制、工艺 参数自动生成的功能。 （ 2） 为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,具有前馈控制、电机参数自适应运算、自动识别负载自动选定模型和自整定等功能。 （ 3） 简化编程和简化操作方面的智能化 ,有智能化的自动编程和智能化的人机界面等功能。 （ 4） 具有智能诊断和智能监控方面的内容 ,方便系统的诊断及维修。 （ 5） 此外 ,还具有许多特别的智能功能 ,如加工运动规划、推理和决策能力 ,以及加工环境的感知能力、制造网络通信能力 (包括与人的交互 )、智能编程、智能数据库和智能监控等。 工艺复合化 以减少工序辅 助时间为主要目的的复合加工 ,正朝着多轴和多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后 ,通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施 , 完成多工序、多表面的复合加工 ,以减少非加工时间。因为在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升降速上。因此 ,复合功能的机床是近年来发展很快的机种 , 其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。 绿色化、安全 随着全世界对环境问题的关注 ,“ 绿色制造 ” 在全球兴起 ,相应的数控装备及其相关工 艺的绿色、无公害化和更好的安全性受到人们的重视。 高档数控