车床的数控改造方法及设计

1、车床的数控改造方法及设计数控车床的性能和精度的选择并不是所有的旧机床都可以进行数控改造， 机床的改造主要应具备两个条件：第 一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改 装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转 直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线 度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和 精度的选择需要在改装前确定。1）轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。2）进给运动：进给速度：Z向（通常为8400mm/min ; X向（通常为2100 mm/min

2、）。快速移动：Z向（通常为1.24m/min）; X向（通常为1.23m/min）。脉冲当量：在0.0250.005mm内选取，通常Z向为X向的2倍。加工螺距范围：包括能加工螺距类型（公制、英制、模数、径节和锥螺纹等）， 一般螺距在10mm以内都不难达到。3）进给运动驱动方式（一般都选用步进电机驱动）。4）给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。5）刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。6）其他性能指标选择：插补功能：车床加工需具备直线和圆弧插补功能。刀具补偿和间隙补偿：为了保证一定的加工精度，一般需考虑设置刀补和间隙补 偿功能。显示：采用数码管还是液晶或者显示器显示， 显示的位数

3、多少等问题要根据车床 加工功能实际需要确定，一般来说，显示越简单成本越低，也容易实现。诊断功能： 为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作， 可在数控改造 系统设计时加入必要的器件和软件， 使其能指示出机床出现故障或者功能失效的 部分等，实现有限的诊断功能。以上是车床数控改造时需要考虑的一些通用性能指标， 有的车床改造根据需要还 会有些专门的要求， 如车削大螺距螺纹、 在恶劣的环境下工作的防尘干扰、 车刀 高精度对刀等，这个时候应有针对性的专门设计。车床数控改造方案选择当数控车床的性能和精度等内容基本选定后， 可根据此来确定改造方案。 目前机 床数控改造技术已经日趋成熟， 专用化的机床数

4、控改造系统所具备的性能和功能 一般均能满足车床的常规加工要求。 因此，较典型的车床数控改造方案可选择为： 配置专用车床数控改造系统， 更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、 采 用步进电机驱动进给运动、 配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、 配置自动转位刀 架实现自动换刀功能。目前较典型的经济型专用车床数控改造系统具有下列基本配置和功能：1）采用单片微机为主控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、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功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 0.005m m （要与相应导程的丝杠相配

5、套）。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，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。车床数控改造实例 如图1-1所示为CA6140型普通车床数控化改造例，它采用了一种比较简单但是 较为典型的改装方案，改造后的车床进给运动由步进电机 A和B驱动，它们分别 安装在床头箱内 （或床身尾部） 和拖板后方， 通过减速齿轮和纵横向丝杠带动车 床的纵横进给运动。（插图 1-1 ） 为使改造后的车床能充分发挥数控车床的效能， 纵横向丝杠螺母副一般需要调换 成滚珠丝

6、杠螺母副。 当利用原丝杠螺母副时， 为了减少改造工作量， 纵向驱动电 机及减速箱一般装在床身尾部， 这时连接车床原传动系统 （主轴系统） 和纵向丝 杠传动的离合器尚未拆除， 工作时应使处于脱开位置。 同理， 脱落蜗杆等原横向 自动进给机构若未拆除，工作时也应使其处于空档（空挡）位置。改造后的进给脉冲当量的量值靠步进电机步距角、 减速齿轮比、 丝杠导程三者协调确定。 三者 之间换算关系可以以下式表示：（9 /360 ）X（ ac/bd ）x T=b式中9步进电机步聚角（度）；T所驱动丝杠导程（mrh ；a,b,c,d 齿轮齿数，当单级减数时，令 c、d 等于 1；S 脉冲当量值（mrh。步进电机

7、的参数根据阻力矩及切屑用量的大小和机床型号来选择， 普通车床（如 C6140 C620等）的数控改造中多采用0.08 0.15 （静力矩的步进电机， 如选0.08 （Nm的作为横向进给电机；选0.15 （Nm的作为纵向进给电机。若需要，可将原刀架换成自动转位刀架， 则可以用程序数控转换刀具进行切屑加 工。当数控系统发出换刀信号时，首先继电器 K1 动作，换刀电动机正转驱动蜗 轮蜗杆机构，使上刀体上升。当上刀体上升到一定的高度时，离合转盘起作用， 带动上刀体旋转进行选刀。刀架上方的发信盘中对应每个刀位都安有一个传感 器，当上刀体旋转到某个刀位时， 该刀位的传感器向数控系统输出信号， 数控系 统将

8、刀位信号与指令刀位信号进行比较， 当两信号相同时， 说明上刀体已旋转到 所选刀位。此时数控系统控制继电器 K1释放，继电器K2吸合，换刀电动机反转， 活动销在反靠盘上初定位。 在活动销反靠的作用下， 螺杆带动上刀体下降， 直到 齿牙盘咬合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。此时数控系 统控制继电器K2释放，换刀电动机停转，完成换刀动作。也可以保留原刀架仍 采用手动转换刀具， 但在换刀时必须设置程序暂停。 如果需要加工螺纹， 则要在 主轴外端或其他适当部位装上一个脉冲发生器C,用它发出脉冲使步进电机准确地配合主轴的旋转而产生相应的进给运动， 即保证主轴每转一转， 车刀移动一个 导程

9、。上述改造方案中， 不更换丝杠方法当数控系统出现故障时， 仍可以加工， 但滑动 丝杠螺母副容易磨损故需要经常检修， 而且功率和加工精度均不如滚珠丝杠螺母 副驱动方式。 另外， 拖板与床身的导轨不够平行或垂直， 以及两者之间摩擦力过 大，丝杠轴线与导轨间存在平行度误差等问题均会使驱动阻力增加。 为了减阻力 以提高步进电机的力矩有效率和加工精度 .机床改造完毕后， 还应该对其进行安装调试及验收。 一般来说， 应特别注意安装 的位置和基础， 使机床处于良好稳定的工作环境。 其次是全面检查各器件、 插件 的连接情况以及各油路、 电路的情况， 再进行数控系统的连接。 当完成数控系统 的调整， 具备了机床

10、联机通电试车的条件， 可切断数控系统的电源， 连接电动机 的动力线， 恢复报警设定， 准备通电试车。 试车的目的是考核机床的安装是否稳 固，各传动、操纵、控制、润滑、液压、气动等系统是否正常和灵敏可靠。改造 后的数控机床的验收是和安装调试工作同步进行的。一台机床数控改造完好后的 检测验收工作是一项复杂的工作，其试验检测手段及技术要求也很高，它需要使 用各种高精度的仪器，对机床的机、电、液、气各部分及整机进行单项性能综合 性能检测，包括运行刚度和热变形等一系列试验， 其中应特别注意机床数控功能 的检验，最后得出该机床的综合评价。机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达

11、 到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表， 其机械结构同普通的机 床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系 统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条 件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间 存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等 要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进 给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已 经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。 因此，我们在对普通 机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标 尽可能地与数控机床相接近。仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e