【文章內容簡介】 了機床數(shù)控化改造的必要性。 數(shù)控化改造的內容及優(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 控技術改造機床和生產線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產線數(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）服務集團、 US 設備公司等。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)控化改造的內容 機床與生產線的數(shù)控化改造主要內容有以下幾點： 其一是恢復原功能，對機床、生產線存在的故障部分進行診斷并恢復； 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，恢復原精度；對其不滿足生產要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進行更新； 其四是技術更新或技術創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術更新或技術創(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，還應對主要部件進行相應的改造使其達到一定的設計要求，才能獲得預期的改造目的。 ① 滑動導軌副 對數(shù)控車床來說，導軌除應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。在結構上要能達到無間隙 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實際情況采取相應的措施，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，絕對防止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。 對我國數(shù)控技術和產業(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，在世界產業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的 轉移，即要掌握先進制造核心技術，否則在新一輪國際產業(yè)結構調整 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濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。 我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術和產業(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)控產品都列為國家的戰(zhàn)略物質，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 鍵技術以及支持產業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套技術作為研究開發(fā)的內容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強調市場需求為導向，即以數(shù)控終端產品為主，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)關鍵設備等 )帶動數(shù)控產業(yè)的發(fā)展。重點解決 數(shù)控系統(tǒng)和相關功能部 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 靠性和生產規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產品 。沒有規(guī)模就不 會有價格低廉而富有競爭力的產品 。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，要強調產、學、研以及最終用戶的緊密結 合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標，按國家意志實施攻關，以解決國家之急需。 在競爭前數(shù)控技術方面，強調創(chuàng)新，強調研究開發(fā)具有自主知識產 權的技術和產品，為我國數(shù)控產業(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。 本文的選題及主要研究內容 本文的選題 在我簽約的徐州華東機械廠建材機械分廠內，共有臥式車床兩臺，建材廠主要生產大型建材設備，所以要常常加工好多小的零件，如螺釘，小型的軸套等。由于這是常年生產建材設備，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進度。 所以設想決定對其數(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，會為廠帶來很大經濟利益。 主要研究內容 1. C6150 車床數(shù)控化改造總體機械部件設計。 的設計和選用。 包括了進給滾珠絲杠的設計與選用，消隙減速齒輪系的設計計算與校核，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計 設計要求 設計基本思路 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)來驅動各軸的運動。經過嚴密的計算和論證，選擇絲杠和驅動電機，根據使用要求，選擇系統(tǒng)配置和設計控制電路。 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完成的工作內容有 :控制主軸正反轉和實現(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，應保證主軸轉一轉，刀架移動一個被加工螺紋的螺距或導程。這些工作內容，就是數(shù)控化改造數(shù)控系統(tǒng)控制的對象。察看 C6150 車床及有關資料，并且參照數(shù)控車床的改造經驗，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計的是簡易型經濟數(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機械精度要求，修理的主要目的是恢復機床導軌、主軸、拖板的精度，撤除機床主軸箱和溜板箱內的傳動部件以及傳動絲杠，只保留導軌、主軸、溜板、尾座。修理后已恢復其主要部件的精度。 設計目的 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 總體方案設計 由于是經濟型數(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 C616 車床有關資料，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)據進行計算處理。步進電動機經同步帶輪傳動或直接傳動后，帶動滾珠絲杠轉動 ，從而實現(xiàn)縱向、橫向進給運動。主軸變速采用變頻器調速控 制。 圖一 C6150 改造后系統(tǒng)傳動圖 普通車床的自動化改造 11 滾珠絲杠的設計計算與選用 滾珠絲杠 滾 珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產品。 滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，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，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。 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運動轉換成線性運動，或將扭矩轉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動力矩達到 1/3 以下 ,即達到同樣運動結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備連貫生產出來的，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 絲杠轉速 普通車床的自動化改造 12 Pxi(N) Pzi(N) % (N) r/min 強力切削 2022 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)代機床設計手冊》取 Ph? 5mm 2） 確定 當量轉速與當量載荷 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