機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)研究

◎葉華欣

機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)研究

◎葉華欣

對(duì)舊式機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，在提高產(chǎn)品的加工精度和生產(chǎn)率的同時(shí)，減少了能源的消耗和對(duì)環(huán)境的污染，而且促進(jìn)資源節(jié)約和再利用，實(shí)現(xiàn)舊機(jī)床產(chǎn)品的高值化利用。

機(jī)床數(shù)控化改造的意義

我國(guó)是一個(gè)機(jī)床大國(guó)，目前機(jī)床的保有量達(dá)700多萬(wàn)臺(tái)，然而廢舊機(jī)床的數(shù)目也相當(dāng)龐大，這些機(jī)床面臨大修提升，甚至功能性報(bào)廢或技術(shù)性淘汰，同時(shí)我國(guó)的機(jī)床數(shù)控化率不足3%，而發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)超過(guò)20%。這使我國(guó)機(jī)械生產(chǎn)效率、精度始終處于一種長(zhǎng)期不理想的狀態(tài)，從而使我們加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長(zhǎng)，導(dǎo)致在國(guó)際市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。大規(guī)模的引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)機(jī)床，雖然可以提高我國(guó)的制造水平，然而這樣就需要大量的資金，且一直處于技術(shù)迎進(jìn)的狀態(tài)。而那些老的、廢舊的機(jī)床沒(méi)有發(fā)揮它們應(yīng)有的價(jià)值，造成資源大面積的浪費(fèi)。而機(jī)床數(shù)控化改造是突破我國(guó)現(xiàn)在制造瓶頸的一種有效且可行的方法。

機(jī)床數(shù)控化總體改造

機(jī)床導(dǎo)軌改造。普通機(jī)床的導(dǎo)軌多數(shù)采用滑動(dòng)導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是靜摩擦系數(shù)大，在低速時(shí)易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，直接影響運(yùn)動(dòng)部件的平穩(wěn)性和定位精度。為了克服這一缺點(diǎn)，數(shù)控改造時(shí)，若把滑動(dòng)導(dǎo)軌改為滾動(dòng)導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，要求工藝復(fù)雜，許多零部件需要加工或更換，改裝工作量大、費(fèi)用多、周期長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難，在一般的數(shù)控改造中應(yīng)用較少。常用的改裝方案是采用貼塑導(dǎo)軌，即在原來(lái)導(dǎo)軌上粘貼聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶。這樣能有效防止爬行，具有自潤(rùn)滑性，延長(zhǎng)導(dǎo)軌壽命。且零部件不需要更換，加工部位少，改裝工作量小、周期短、費(fèi)用低。

拖板的改進(jìn)。不論是點(diǎn)位控制、直線控制，還是輪廓控制，被加工零件的最終坐標(biāo)精度都將受到拖板運(yùn)動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。除拖板及相配件精度要高外。由驅(qū)動(dòng)電機(jī)到絲杠間的傳動(dòng)齒輪也要采用間隙消除結(jié)構(gòu)，以滿足傳動(dòng)精度和靈敏度的要求。常用的消除間隙的方法有剛度調(diào)整法和柔性調(diào)整法。剛性調(diào)整法傳動(dòng)剛度較好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但調(diào)整起來(lái)很費(fèi)時(shí)。柔性調(diào)整法一般用彈簧彈力自動(dòng)消除齒側(cè)間隙，傳動(dòng)剛度較低，傳動(dòng)平穩(wěn)性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，改造中可根據(jù)機(jī)床加工目標(biāo)選用，具體選用可參考有關(guān)資料。

主軸旋轉(zhuǎn)精度調(diào)整與維修。主軸旋轉(zhuǎn)精度調(diào)整與維修包括調(diào)整錐形螺紋松緊度、更換主軸軸承及采用電刷鍍技術(shù)修復(fù)軸承座孔磨損。

保證齒輪精度。一般機(jī)床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中，為了保證傳動(dòng)精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級(jí)都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無(wú)間隙傳動(dòng)。因而改造時(shí)，機(jī)床主要齒輪須滿足數(shù)控機(jī)床要求，以保證機(jī)床加工精度。

主傳動(dòng)機(jī)械部分的改進(jìn)。為了滿足各種加工要求，要使主軸從低到高獲得多種不同轉(zhuǎn)速。普通機(jī)床的主軸一般通過(guò)主軸齒輪箱實(shí)現(xiàn)多級(jí)變速，并且變速時(shí)一般還需由手工拉動(dòng)撥叉進(jìn)行換擋。一般機(jī)械齒輪擋數(shù)較多，變速箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，尤其高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，振動(dòng)和噪聲較大，會(huì)對(duì)零件加工精度產(chǎn)生不良影響。數(shù)控機(jī)床可以采用交流或直流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，并為擴(kuò)大輸出扭矩，增加了24擋齒輪減速。對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，可考慮采用交流變頻調(diào)速，即仍然利用原主軸交流電動(dòng)機(jī)，再配備上相應(yīng)的變頻器。而對(duì)于原主軸齒輪箱部分，應(yīng)根據(jù)齒輪箱的結(jié)構(gòu)和機(jī)械磨損程度，考慮改進(jìn)或保留主軸齒輪箱，由于采用無(wú)級(jí)變速，可減少變換擋數(shù)，對(duì)于手動(dòng)換擋應(yīng)考慮采用電氣自動(dòng)換擋。

滑動(dòng)絲杠與滾珠絲杠絲杠傳動(dòng)直接關(guān)系到傳動(dòng)鏈精度：絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動(dòng)扭矩要求，被加工件精度要求不高時(shí)可采用滑動(dòng)絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計(jì)誤差以及相配螺母間隙。一般情況下滑動(dòng)絲杠應(yīng)不低于6級(jí)。螺母間隙過(guò)大則更換螺母。采用滑動(dòng)絲杠相對(duì)滾珠絲杠價(jià)格較低，但難以滿足精度較高零件的加工。滾珠絲杠摩擦損失小、效率高(其傳動(dòng)效率可在90%以上)、精度高、壽命長(zhǎng)，啟動(dòng)力矩和運(yùn)動(dòng)時(shí)力矩相接近，可降低電機(jī)啟動(dòng)力矩，因此可滿足較高精度零件加工要求。

縮短傳動(dòng)鏈：進(jìn)給系統(tǒng)的改進(jìn)主要是減少進(jìn)給箱內(nèi)的齒輪對(duì)數(shù)?？s短進(jìn)給傳動(dòng)鏈，由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠或只有一級(jí)變速裝置，這樣可大大減少傳動(dòng)鏈各級(jí)之間的誤差傳遞，同時(shí)增加傳動(dòng)元件，消除間隙裝置，提高反向精度。普通機(jī)床在數(shù)控化改造時(shí)，往往是取消原進(jìn)給箱，換成僅一級(jí)減速的進(jìn)給箱或同步帶傳動(dòng)。傳遞元件要有消除或減小間隙的裝置并由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。目前，我國(guó)自行研制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，大多采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服系統(tǒng)，其步進(jìn)脈沖當(dāng)量多為0.0lmm，實(shí)際加工出的零件，綜合誤差可小于0.05mm，其控制精度要比目前手工操作高很多。提升系統(tǒng)控制精度的主要工作是選擇合適性價(jià)比的數(shù)控系統(tǒng)及相應(yīng)的伺服系統(tǒng)。

數(shù)控系統(tǒng)的選擇。在實(shí)際工程中，數(shù)控系統(tǒng)的選擇存在以下問(wèn)題：①功能選擇不合理，或是所選系統(tǒng)的功能遠(yuǎn)多于改造后機(jī)床的功能，或是一些必需的系統(tǒng)功能沒(méi)有購(gòu)買。前者會(huì)造成成本浪費(fèi)，后者會(huì)造成功能的短缺，影響其他功能的使用而造成損失。②系統(tǒng)檔次與機(jī)床檔次不匹配。造成了系統(tǒng)功能的浪費(fèi)或機(jī)床的優(yōu)良性能發(fā)揮不出來(lái)。③數(shù)控系統(tǒng)、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的品種和牌號(hào)太雜，在連接各部件時(shí)會(huì)出現(xiàn)輸入／輸出信號(hào)不匹配及在傳送中信號(hào)產(chǎn)生滯后。這些問(wèn)題的解決關(guān)鍵在于要根據(jù)機(jī)床本身的精度、結(jié)構(gòu)、性能要求和價(jià)位，恰當(dāng)選擇數(shù)控系統(tǒng)，一般遵循下列原則：①根據(jù)數(shù)控機(jī)床的類型選擇，如車、銑、磨等類型。②根據(jù)數(shù)控機(jī)床的性能指標(biāo)選擇。如：支持的最小移動(dòng)單位、刀補(bǔ)數(shù)量等。盡量選擇既能滿足性能指標(biāo)要求，性價(jià)比又較高的系統(tǒng)。③基本功能和選擇功能的選取。如果基本功能能夠滿足，盡量不購(gòu)買選擇功能。但功能要一次訂全，避免裝機(jī)后因不能增補(bǔ)一些功能而造成整體功能降低。④優(yōu)先考慮能成套提供進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)器的廠家及內(nèi)置PLC的系統(tǒng)。

進(jìn)給伺服系統(tǒng)的選擇及伺服驅(qū)動(dòng)裝置的確定。伺服系統(tǒng)按照控制方式可分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)能夠及時(shí)地把運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等信息反饋給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)在與實(shí)際信息進(jìn)行比較后及時(shí)發(fā)出補(bǔ)償控制命令，從而減少了誤差的可能性，提高了精度。所以，當(dāng)要求定位誤差范圍內(nèi)時(shí)，可采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。這樣各種影響定位精度的因素都可以得以補(bǔ)償。但是，考慮到閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試和維修困難的缺點(diǎn)，選擇伺服系統(tǒng)時(shí)要綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、成本及機(jī)床規(guī)格大小等因素。

目前大多數(shù)伺服驅(qū)動(dòng)裝置都已經(jīng)形成系列，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)需要合理選擇。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以把輸入的數(shù)字指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移，通過(guò)電機(jī)定子的換相次數(shù)(脈沖數(shù))來(lái)決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角，通過(guò)換相的頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而電機(jī)的轉(zhuǎn)向則由通電順序決定。由于步進(jìn)電機(jī)成較低，又易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，故被廣泛應(yīng)用在開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中。而在閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)中多采用響應(yīng)速度快、精度和效率高、調(diào)速范圍較寬、負(fù)載能力較大、控制特性優(yōu)良的直流伺服電動(dòng)機(jī)。

機(jī)床再制造不是一般人所理解的對(duì)廢舊機(jī)床進(jìn)行翻新和恢復(fù)性能的過(guò)程。舊機(jī)床的改造有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，要想實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高精度、高速度等性能，只有更全面地考慮各方面因素，才能改造出高質(zhì)量的數(shù)控機(jī)床，才能更好的提高我們現(xiàn)階段的制造水平。

（作者單位：龍巖出入境檢驗(yàn)檢疫局）