经济型数控机床的设计

杨家坤 张德华

摘要：本文介绍了经济型数控机床的系统组成与特点，在此基础上完成数控机床设计、主要零部件的参数选用，根据使用单位的实际证明使用方案可行性，为经济型数控机床的技术改造提供适用的设计方法。

关键词：数控改造 普通机床 伺服控制

经济型数控机床是在普通机床的基础上加装数控系统的高级自动化机床，其除了具有价格低廉和操作方便的特点外，还能够较好的解决现状复杂、精密、小批量的加工问题，从而适合我国工业生产[1]。分析其系统组成与特点，改进伺服系统机械部分与相关的电气部分设计，完成机床的数控化改造，为经济型数控机床的技术改造提供一种精确、可靠的设计方法。

1 工作原理

1.1 系统组成

在使用数控机床加工工件时，首先应当给予数控机床工作指令，即编制零件加工程序。将加工程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启动、停止、进给运动的方向、速度和位移量，以及刀具选择交换，工件装夹和冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件以及其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、运行参数进行工作，从而达到加工出符合要求零件的目的。

数控机床主要由五大部分组成：如图1所示，信息输入、数控装置、伺服系统、机床本体和检测反馈装置。

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信息输入是数控机床的信息输入通道，加工零件的程序和各种参数、数据和输入设备送进计算机系统（数控装置）。对于经济型数控系统一般采用存储器作为载体。在操作面板上除了能够通过按键和键盘直接键入加工程序外，还能够将其在数码显示器或CRT显示器上显示出来。

数控装置主要由输入装置、存储器、控制器和运算器以及输出装置组成，其作为数控机床的核心能够接受输入装置的加工信息，此信息通过数控装置的系统软件处理后能够输出相应的指令脉冲，这些指令脉冲通过对伺服系统进行驱动来控制机床的各个运动部件按照规定要求做出各种动作。

伺服系统作为数控系统的执行部分，主要由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成。通过伺服系统能够将数控装置的各种指令转换成机床移动部件的运动速度、运动方向和位移量。机床中的每个运动执行部件都有自己的伺服系统，常用的伺服驱动系统主要有开环系统、闭环系统和半闭环系统。

与普通机床相比，数控机床的机床本体为了便于实现自动加工的需要，应当具有更好的刚度和抗振性。除了相对运动表面的摩擦系数要小、传动件之间的间隙要小之外，还要求其具有自动变速、自动换刀和自动诊断故障的功能。

测量装置，反馈回数控装置，以校核执行部件实际运动的速度、方向和位移量，并使之与加工指令相一致，开环数控系统中无测量装置。

1.2 系统特点

与国外同类型几十万元的系统相比，数控系统仅需1～2万元，由于其具有价格便宜的特点，因此，特别适合改造国内企业现有的普通机床。由于数控系统能够有效解决复杂零件加工精度控制的问题，从而提高了生产效率。经济型数控车床一般能够有效提高3～7倍的工效。由于数控系统能够通过变换不同的加工程序和更换不同的刀具对不同的零件进行加工，因此，此系统适合用于多品种且自动化加工中小批量的产品。通过此系统加工的产品具有良好的一致性，从而提高了合格率，降低了废品率，有效的提高了产品的质量。节约工装费用，缩短生产准备周期，降低成本；减轻工人的劳动强度[2]。

2 设计方案

经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两个方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。在设计总体方案的时候，除了考虑机床数控系统的运动方式、伺服系统类型和计算机的选择外，还要考虑传统方式以及执行机构的选择等。数控改造对机械传动系统的要求，采用低摩擦的传动副，如直线滚动导轨，以减小摩擦力，提高承载能力和刚性并保证传动平稳可靠。采用交流伺服电极半闭环控制系统能够在保证机械传统系统的传动精度和工件平稳性的前提下简化结构以及降低成本。

为了保证进给伺服系统的传统精度和平稳性，必须提高传动刚度和消除间隙，因此，在纵向和横向进给传动链上应当选择摩擦小以及传动效率高的滚珠丝杠螺母副，此外，还应当具有预紧机构[2][3]。设计的经济型数控车床主要的主要参数如下：

工件最大回转直径：床面上400mm，床鞍上210mm；工件最大长度1000mm；溜板及刀架重量：纵向800N，横向600N；主轴通孔直径48mm；主轴转速范围：正转（24级）10～1400r/min，反转（12级）14～1580r/min；进给量范围：纵向0.08～1.59mm/r，横向0.04～0.795mm/r；刀架快移速度：纵向2.4m/min，横向1.2m/min；最大进给速度：纵向0.6m/min，横向0.3m/min；切削螺纹范围0.25～12mm；电动机功率7.5kw；代码制：ISO制；脉冲分配方式：逐点比较法；脉冲当量：纵向0.01mm/脉冲，横向0.005mm/脉冲；控制轴数目：二轴联动（纵向横向）；最小指令值：纵向0.01mm；横向：以直径计0.01mm；刀具补偿量：0～99.99mm；进给传动链间隙最大补偿量：15个脉冲；定位精度：±0.015mm。

对普通车床进行数控化改造主要是将纵向和横向进给系统改造成微机控制的能够独立运动的进给伺服系统。利用数控装置，车床按预先输入的加工指令进行切削加工，由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动进行调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高生产效率和加工精度[4]。设计的经济型数控车床的主要功能：能控制刀具的位移方向、位移长度及走刀速度，加工程序中的位移长度以十进制数输入；单片机数控系统有16种走刀速度供用户选用，其范围为0～2.8m/min，可根据具体情况进行调整；加工过程中，为应付特殊情况，设有开关暂停、键急停和键回零功能；可控制车削端面、内外圆柱面、任意锥面、球面及用圆弧逼近的任意曲面；可控制加工右旋或左旋的各种内、外圆柱、圆锥螺纹及多头螺纹；程序中可给出一定延时。在加工中执行到延时程序时，刀具在相应时间内停止运动；为方便调试和校对原点，设有点动功能；具有自动循环加工功能，并可进行计数；具有自动诊断功能，当加工程序编制或操作有误时，程序停止运行，并显示相应的出错信息，以便修改；为简化加工程序，设有局部循环功能，为提高加工精度，设有间隙补偿功能。

此外，设计中还涉及到横向进给系统伺服系统的切削力计算，滚珠丝杠螺母副的计算与选型，交流伺服电机的选择，纵向进给伺服系统的设计，电机的选择、联轴器和键的选型与计算、减速齿轮的设计等。

3 总结

设计的经济型数控机床在本企业得到了应用，验证了改造设计的正确性与可行性，具有良好的性价比，为相关的研究实践提供一种适用方法，部分部位的改进设计仍在不断革新中。

参考文献：

[1]许志荣，朱俊，邓志辉.基于SINUMERIK 802C的经济型机床电气元件的分析[J].常州信息职业技术学院学报，2010，9（2）：26-

29.

[2]陈艳红.普通车床数控改造及精度分析[D].郑州：郑州大学，2009.5.

[3]余英良.机床数控改造设计与实例[M].北京：机械工业出版社，1998.4.

[4]张福荣，王钧，李志梅.数控机床进给运动对加工精度的影响[J].机床与液压，2006，4：92-99.