普通机床的数控改造系统设计

黄义彩

【摘 要】本方案针对普通车床进行数控化改造，通过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、进给箱改造、导轨副改造、采用步进电机驱动等方式弥补了原有普通机床的局限性，改造之后设备的稳定性与实用性大大加强，效率、精度。实用性方面都得到较大提高。

【关键词】数控；滚珠丝杠传动；导轨副；进给箱；改造

一、引言

随着零件加工要求的精度不断提高，普通机床的已经难以满足要求，迫切需要进行数控改造，数控车床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了"柔性自动化"。可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面对零件的适应性强，更具有精度高、成本低， 加工的零件尺寸一致性好的特点， 适合现代化生产的需求。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。

二、设计方案

（一）数控改造系统总体方案设计

一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。基于以上准则，对普通机床进行数控化改造的具体方案如下：（1）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。根据方案，整体控制简图如下：纵向、横向均采用步进电动机→减速齿轮→滚珠丝杠螺母→溜板的传动方式（图1）。

（二）数控改造系统配置

考虑到经济型、实用性以及改造需要达到的目标车床数控改造系统应该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、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。2）配有步进电机驱动系统，脉冲当量或控制精度要与相应导程的丝杠相配套。3）面板按键输入，代码编制，掉电自动保护存储器存储；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，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。

（三）关键部件改造

数控改造要对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。例如（1）滑动导轨除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，要有合理的导轨防护和润滑。（2）数控机床上通常使用的高精度等级齿轮。（3）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。一般情况滑动丝杠应不低于6级。

1.进给箱改造

齿轮箱传动链长，反向间隙累积增大，大大降低了传动精度。进给箱部分的改造就是要取消原齿轮箱，并换为一级减速机构，传动元件要有消隙装置，以减小传动间隙，提高精度。现用双片齿轮错齿法消除间隙，双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙，因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载较大时，弹簧弹力显得小，无法自动消除间隙；当负载较小时，弹簧弹力又显得大，则加速齿轮的磨损。为此采用人工定期调整螺钉紧固的办法来消除间隙。

2.导轨副改造

普通机床的导轨多采用铸铁或淬火钢滑动导轨，其静摩擦系数大，动静摩擦系数相差较大，低速时易出现爬行，影响运动的平稳性和定位精度，力矩损失大。采用在原导轨上粘接聚四氟乙烯软带的方法，实现比较方便，而且费用低、动静摩擦系数相差小、耐磨性强，具有良好的自润滑性和抗振性，进给运动无爬行、运行平稳。

3.滚珠丝杠副改造

普通机床常采用普通滑动丝杠副；而数控机床要求移动部件灵敏度、精度高、反应快、无爬行，采用滚珠丝杠副可满足上述要求。在机床数控化改装中，凡希望角位移和实现位移精确转换的场合大多是用滚珠丝杠副。其特点为传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好。在滚珠丝杠副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递。因而以极小滚动摩擦代替了传统丝杠的滑动摩擦。使滚珠丝杠副传动效率达到90%以上，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的1/3左右，发热率也因此得以大幅降低。其发热率低，温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预紧消除轴向间隙等措施，使丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。滚珠丝杠螺母副的滚珠循環方式一般分外循环和内循环两种（图2）。

三、改造效果

普通机床的数控化改造之后，优势明显：（1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。（2）实现柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。（3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要"修配"。（4）可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。（5）由以上四条派生的好处。如：降低劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装等。

四、结论

本方案针对普通车床进行数控化改造，通过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、进给箱改造、导轨副改造、采用步进电机驱动等方式弥补了原有普通机床的局限性，改造之后设备的稳定性与实用性大大加强，效率、精度。实用性方面都得到较大提高。

【参考文献】

[1]胡占齐，杨莉主编.机床数控技术.[M].北京：机械工业出版社，2002

[2]王爱玲主编.现代数控机床.[M].北京：国防工业出版社，2003