【文章內(nèi)容簡介】 控化改造的必要性。 數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺 （ 1） 國外改造業(yè)的興起 在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個 永恒 的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)普通車床的自動化改造 7 控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（ Remanufacturing）業(yè)。從事再 生業(yè)的著名公司有： Bertsche工程公司、 ayton 機床公司、 DevliegBullavd（得寶）服務(wù)集團、 US 設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（ Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。 （ 2） 數(shù)控化改造的內(nèi)容 機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點： 其一是恢復(fù)原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)； 其二是 NC 化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù) 控系統(tǒng)，改造成 NC 機床、 CNC 機床； 其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進行更新； 其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。 （ 3） 數(shù)控改造中主要機械部件改裝探討 一臺新的數(shù)控機床，在設(shè)計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數(shù)控改造 時應(yīng)盡量達到上述要求。不能認為將數(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(yīng)對主要部件進行相應(yīng)的改造使其達到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。 ① 滑動導軌副 對數(shù)控車床來說，導軌除應(yīng)具有普通車床導向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響，要有合理的導軌防護和潤滑。 ② 齒輪副 一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數(shù)控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高。在結(jié)構(gòu)上要能達到無間隙 傳動，因而改造時，機床主要齒輪必須滿足數(shù)控機床的要求，以保證機床加工精度。 ③ 滑動絲杠與滾珠絲杠 絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于 6 級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。 滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在 90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運動時力矩相接近，可以降低電 機啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。 ④ 安全防護 必須以安全為前提。在機床改造中要根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解 普通車床的自動化改造 8 形勢考慮 我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的 轉(zhuǎn)移，即要掌握先進制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整 中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。 我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先 從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定 。其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“ 考克斯報告”就是最好的例證。 發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場 需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導 21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān) 鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強調(diào)市場需求為導向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機 (如量大面 廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 )帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決 數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部 件 (數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 )的可 靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品 。沒有規(guī)模就不 會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品 。當然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終 難以有出頭之日。 在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調(diào)產(chǎn)、學、研以及最終用戶的緊密結(jié) 合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標，按國家意志實施攻關(guān)，以解決國家之急需。 在競爭前數(shù)控技術(shù)方面，強調(diào)創(chuàng)新，強調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn) 權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠 定基礎(chǔ)。 本文的選題及主要研究內(nèi)容 本文的選題 在我簽約的徐州華東機械廠建材機械分廠內(nèi)，共有臥式車床兩臺，建材廠主要生產(chǎn)大型建材設(shè)備，所以要常常加工好多小的零件，如螺釘，小型的軸套等。由于這是常年生產(chǎn)建材設(shè)備，所以所要加工的零件也需要很多。因為零件太多，像墊片之類，有時就是加工好了這個又缺少另一個，而用普通臥式車床去加工有時一個人加工的東西都會誤差很大，這樣給所造設(shè)備帶來很多的小問題。而如果要新買一臺新的數(shù)控車床，一是總體成本太高，因為性價比不是太高，容易浪費資源，二是建材廠沒有工人精通數(shù)控 車床，所以要培訓工人一定又要花費很多時間影響生產(chǎn)進度。 所以設(shè)想決定對其數(shù)控改造，改造的同時讓操作人員一直在旁邊學習，學習怎么改裝，怎么安裝，并講解如何使用。 把所要加工的零件程序輸入到存儲器中，用到時直接調(diào)用即可，這樣一個人即可操作普通車床的自動化改造 9 兩臺機床，而且效率提高了好大，精度也會提高很高，會為廠帶來很大經(jīng)濟利益。 主要研究內(nèi)容 1. C6150 車床數(shù)控化改造總體機械部件設(shè)計。 的設(shè)計和選用。 包括了進給滾珠絲杠的設(shè)計與選用，消隙減速齒輪系的設(shè)計計算與校核，進給用步進電機的選擇與校核。 3．主軸脈沖發(fā)生器的安裝 4．刀架的選用 。選用 8031 型號的單片機控制進給系統(tǒng)與刀架，并把脈沖發(fā)生器的數(shù)據(jù)通過單片機來加工螺紋。 第 2 章 數(shù)控車床總體改造方案及機械部分設(shè)計 設(shè)計要求 設(shè)計基本思路 改造 C6150 車床的基本思路是把原來的機床進行大修，只保留機床導軌、主軸、溜板、尾座等部件，其余的全部撤除。帶之以滾珠絲杠和步進電機，用單片機系統(tǒng)來驅(qū)動各軸的運動。經(jīng)過嚴密的計算和論證，選擇絲杠和驅(qū)動電機，根據(jù)使用要求，選擇系統(tǒng)配置和設(shè)計控制電路。 改造方 案的確定 C6150 車床主要用于對中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工，這些零件加工工藝要求機床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有 :控制主軸正反轉(zhuǎn)和實現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速 。刀架能實現(xiàn)縱向和橫向的進給運動，并具備在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具 。冷卻泵、潤滑泵的啟停 :加工螺紋時，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動一個被加工螺紋的螺距或?qū)С獭＿@些工作內(nèi)容，就是數(shù)控化改造數(shù)控系統(tǒng)控制的對象。察看 C6150 車床及有關(guān)資料，并且參照數(shù)控車床的改造經(jīng)驗，確定總體改造方案為 :①對機床的改造部位是 :拆掉手動刀架和小拖板裝上數(shù)控刀架 。拆掉普 通絲桿、光桿進給箱、溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副 。主軸后端加一光電編碼器用波紋管連接，供加工螺紋使用由于改造設(shè)計的是簡易型經(jīng)濟數(shù)控，所以在考慮具體方一案時，基本原則是在滿足需要的前提下，對于機床盡可能減小改動量，以降低成本?？傮w改造如下圖所示。 對該機床進行機械修理以便恢復(fù)機械精度要求，修理的主要目的是恢復(fù)機床導軌、主軸、拖板的精度，撤除機床主軸箱和溜板箱內(nèi)的傳動部件以及傳動絲杠，只保留導軌、主軸、溜板、尾座。修理后已恢復(fù)其主要部件的精度。 設(shè)計目的 利用數(shù)控系統(tǒng)對縱、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，縱 向脈沖當量為 ，橫向脈沖為 ，驅(qū)動元件采用步進電動機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架，主軸采用變頻器控制。 普通車床的自動化改造 10 總體方案設(shè)計 由于是經(jīng)濟型數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足使用要求的前提下，對機床的改動盡可能少，以降低成本。根據(jù) C616 車床有關(guān)資料，總體方案的確定如圖 22 所示 :采用單片機 8031 控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算處理。步進電動機經(jīng)同步帶輪傳動或直接傳動后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動 ，從而實現(xiàn)縱向、橫向進給運動。主軸變速采用變頻器調(diào)速控 制。 圖一 C6150 改造后系統(tǒng)傳動圖 普通車床的自動化改造 11 滾珠絲杠的設(shè)計計算與選用 滾珠絲杠 滾 珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。 滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。 滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 1)與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為 1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動 ,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到 1/3 以下 ,即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的 1/3。在省電方面很有幫助。 2)高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面 ,對溫度 濕度進行了嚴格的控制 ,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 3)微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾 珠運動 ,所以啟動力矩極小 ,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象 ,能保證實現(xiàn)精確的微進給。 4)無側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓 ,由于予壓力可使軸向間隙達到負值 ,進而得到較高的剛性 (滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力 ,在實際用于機械裝置等時 ,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強 )。 5)高速進給可能 滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給 (運動 )。 縱向滾珠絲杠的設(shè)計與計算 已知條件： 工作臺重量 1W =80KG=800N 工件及夾 具最大重量 2W =200N 工作臺最大行程LK =950mm 工作臺導軌的摩擦系數(shù)為 u= 快速進給速度 maxV =4m/min 定位精度為20um/300mm,全行程 25um,重復(fù)定位精度為 10um 要求壽命為 10000 小時（單班制工作十年）。各種切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V和時間比例 q 及其他見下表 表一各種切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V 和時間比例 q 切削方式 縱向切削力 垂向切削力 進給速度 Vi(m/min) 工作時間百分比 絲杠軸向載荷 絲杠轉(zhuǎn)速 普通車床的自動化改造 12 Pxi(N) Pzi(N) % (N) r/min 強力切削 2021 1200 10 2200 60 一般切削 1000 500 30 1150 80 精切削 500 200 1 50 620 100 快速進給 0 0 ４ ５ 1000 375 FFZD40053P3 圖二 進給用滾珠絲杠裝配圖 1） 確定滾珠絲杠副的導程 max* maxVPh in? maxV ：工作臺最高移動速度 maxn ：電機最高轉(zhuǎn)速； I ：傳動比 電機與絲杠間為齒輪連接式， i=4（取一級減速齒輪） 由上表查得 maxV =4m/min， maxn =1500r/min 代入得 Ph? 查《現(xiàn)代機床設(shè)計手冊》取 Ph? 5mm 2） 確定當量轉(zhuǎn)速與當量載荷 普通車床的自動化改造 13 （ 1） 各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速 Vini ph? 由上表查的 1v =, 2v =, 3v =1, 4v =4 代入得 1n? 120， 2n? 160， 3n? 200， 4n? 800 （ 2） 各種切削方式下，絲杠軸向載荷 12( ) / 10i