普通车床的数控改造方法及设计Zt

snowgirl19

目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。本文以车床的数控改造为例，介绍了机床数控改造的方法，包括其结构的改造设计，性能与精度的选择以及最后改造方案的确定。  

关键词：数控；改造；车床  

0 机床数控改造的意义  

1）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。  
2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。  
3） 提高生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。  

1 普通车床的数控化改造设计  

机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。  

2 数控车床的性能和精度的选择  

并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。  
1）轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。  
2）进给运动：  
进给速度：Z向（通常为8～400mm/min）；X向（通常为2～100 mm/min）。  
快速移动：Z向（通常为1.2～4m/min）；X向（通常为1.2～3m/min）。  
脉冲当量：在0.025～0.005mm内选取，通常Z向为X向的2倍。  
加工螺距范围：包括能加工螺距类型（公制、英制、模数、径节和锥螺纹等），一般螺距在10mm以内都不难达到。  
3）进给运动驱动方式（一般都选用步进电机驱动）。  
4）给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。  
5）刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。  
6）其他性能指标选择：  
插补功能：车床加工需具备直线和圆弧插补功能。  
刀具补偿和间隙补偿：为了保证一定的加工精度，一般需考虑设置刀补和间隙补偿功能。  
显示：采用数码管还是液晶或者显示器显示，显示的位数多少等问题要根据车床加工功能实际需要确定，一般来说，显示越简单成本越低，也容易实现。  
诊断功能：为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作，可在数控改造系统设计时加入必要的器件和软件，使其能指示出机床出现故障或者功能失效的部分等，实现有限的诊断功能。  
以上是车床数控改造时需要考虑的一些通用性能指标，有的车床改造根据需要还会有些专门的要求，如车削大螺距螺纹、在恶劣的环境下工作的防尘干扰、车刀高精度对刀等，这个时候应有针对性的专门设计。  

3 车床数控改造方案选择  

当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可根据此来确定改造方案。目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：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。  
目前较典型的经济型专用车床数控改造系统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、数码管二坐标同时显示、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一般为：Z为0.01mm，X向为0.005mm（要与相应导程的丝杠相配套）。  
3）加工程序大多靠面板按键输入，代码编制，掉电自动保护存储器存储；可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。  
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、超程报警，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。
4 车床数控改造实例  

如图1-1所示为CA6140型普通车床数控化改造例，它采用了一种比较简单但是较为典型的改装方案，改造后的车床进给运动由步进电机A和B驱动，它们分别安装在床头箱内（或床身尾部）和拖板后方，通过减速齿轮和纵横向丝杠带动车床的纵横进给运动。（插图1-1）  
为使改造后的车床能充分发挥数控车床的效能，纵横向丝杠螺母副一般需要调换成滚珠丝杠螺母副。当利用原丝杠螺母副时，为了减少改造工作量，纵向驱动电机及减速箱一般装在床身尾部，这时连接车床原传动系统（主轴系统）和纵向丝杠传动的离合器尚未拆除，工作时应使处于脱开位置。同理，脱落蜗杆等原横向自动进给机构若未拆除，工作时也应使其处于空档（空挡）位置。改造后的进给脉冲当量的量值靠步进电机步距角、减速齿轮比、丝杠导程三者协调确定。三者之间换算关系可以以下式表示：  
（θ/360）×（ac/bd）×T=δ  
式中θ——步进电机步聚角（度）；  
T——所驱动丝杠导程（mm）;  
a,b,c,d——齿轮齿数，当单级减数时，令c、d等于1；  
δ——脉冲当量值（mm）。  
步进电机的参数根据阻力矩及切屑用量的大小和机床型号来选择，普通车床（如C6140、C620等）的数控改造中多采用0.08——0.15（N·m）静力矩的步进电机，如选0.08（N·m）的作为横向进给电机；选0.15（N·m）的作为纵向进给电机。  
若需要，可将原刀架换成自动转位刀架，则可以用程序数控转换刀具进行切屑加工。当数控系统发出换刀信号时，首先继电器K1动作，换刀电动机正转驱动蜗轮蜗杆机构，使上刀体上升。当上刀体上升到一定的高度时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转进行选刀。刀架上方的发信盘中对应每个刀位都安有一个传感器，当上刀体旋转到某个刀位时，该刀位的传感器向数控系统输出信号，数控系统将刀位信号与指令刀位信号进行比较，当两信号相同时，说明上刀体已旋转到所选刀位。此时数控系统控制继电器K1释放，继电器K2吸合，换刀电动机反转，活动销在反靠盘上初定位。在活动销反靠的作用下，螺杆带动上刀体下降，直到齿牙盘咬合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。此时数控系统控制继电器K2释放，换刀电动机停转，完成换刀动作。也可以保留原刀架仍采用手动转换刀具，但在换刀时必须设置程序暂停。如果需要加工螺纹，则要在主轴外端或其他适当部位装上一个脉冲发生器C，用它发出脉冲使步进电机准确地配合主轴的旋转而产生相应的进给运动，即保证主轴每转一转，车刀移动一个导程。  
上述改造方案中，不更换丝杠方法当数控系统出现故障时，仍可以加工，但滑动丝杠螺母副容易磨损故需要经常检修，而且功率和加工精度均不如滚珠丝杠螺母副驱动方式。另外，拖板与床身的导轨不够平行或垂直，以及两者之间摩擦力过大，丝杠轴线与导轨间存在平行度误差等问题均会使驱动阻力增加。为了减阻力以提高步进电机的力矩有效率和加工精度.  
机床改造完毕后，还应该对其进行安装调试及验收。一般来说，应特别注意安装的位置和基础，使机床处于良好稳定的工作环境。其次是全面检查各器件、插件的连接情况以及各油路、电路的情况，再进行数控系统的连接。当完成数控系统的调整，具备了机床联机通电试车的条件，可切断数控系统的电源，连接电动机的动力线，恢复报警设定，准备通电试车。试车的目的是考核机床的安装是否稳固，各传动、操纵、控制、润滑、液压、气动等系统是否正常和灵敏可靠。改造后的数控机床的验收是和安装调试工作同步进行的。一台机床数控改造完好后的检测验收工作是一项复杂的工作，其试验检测手段及技术要求也很高，它需要使用各种高精度的仪器，对机床的机、电、液、气各部分及整机进行单项性能综合性能检测，包括运行刚度和热变形等一系列试验，其中应特别注意机床数控功能的检验，最后得出该机床的综合评价。  

5 结论  

经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。其改造涉及到机械、电气、计算机等领域，是一项理论深、实践强的系统工程。在进行数控改造时，应该做好改造前的技术准备。改造过程中，机械修理与电气改造相结合，先易后难、先局部后全局。
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[ 本帖最后由 liangjian1 于 2007-9-27 19:53 编辑 ]

snowgirl19

目前我国机械加工行业，仍以普通机床为主要加工设备，据有关资料报导，中国机床的数控化率仅为2.8%，而先进国家的机床的数控化率为16%左右，用数控技术改造普通机床已成为企业的迫切需要。
机床数控化改造，打破了普通机床数控化改造的一般思维模式，在技术上有所突破，有所创新，具有“无风险、高性能、低成本”的主要特点。
    使用经验表明：数控机床中，一套数控系统的有效使用寿命在6～8年。由于电子技术迅速发展，世界上名牌的数控系统制造公司基本上都在3～5年内更换一代产品，所以数控系统使用到6～7年后，即使想修理也很难找到零备件。随着电子技术制造水平发展，数控系统及配套附件(伺服单元及电机等)的价格在整台机床中越来越低，例如在70年代时达到50%，80年代后逐步降至1/3到1/4以下，一些大型机床只占1/10左右，因此，只要化少量投入，就可使许多关键设备重新恢复“青春”。
    我国近几年内需要数控化改造的普通设备在10万台以上，旧数控机床在4000台以上，如果改造资金能落实，这将是一个能提供几十亿到上百亿元的广阔市场。因此在机械制造业中，尤其在机床制造行业中，应该充分利用自己的技术特长，去迅速占领市场，为国民经济的迅速发展作出自己的行业贡献。
    一台旧设备使用到一定年头后，必然会故障频繁发生、维修困难、生产效率降低、加工精度不稳定、甚至完全停机。对这样的设备是采取彻底报废、还是经过中大修数控改造？做出这种决定之前，首先要对现有设备的剩余使用价值作出评估。例如一台加工中心，主要构成的机电部件有：①CNC系统及操作子系统；②伺服系统(包括电动机)；③机床电气；④机械本体(床身、立柱、导轨和丝杠等)；⑤刀库机械手系统；⑥自动工作台交换系统(APC)等。每一个子系统根据实际情况，都可以作出相应剩余使用价值评估。例如对20年以前的数控系统，现在不可能在找不到零备件的前题下去重新整修它，那它的剩余价值是零。根据伺服系统的磨损程度，如果继续留用，应考虑整修后还有50％以上剩余价值；但考虑到新更换数控系统的匹配及追求好的伺服特性，即使旧的伺服系统没有完全损坏，或预计继续使用寿命不会太长，也可考虑彻底更换。这样，伺服系统的剩余价值也就决定了。机械部件的剩余价值一般都占较高比例，多项工程实践表明，一台高质量机床的机械大件磨损是有限的。例如，我们改造过的两台美国卧式加工中心，都是70年代末的产品，X方向行程1台为1.5m、1台为2.5m，导轨的直线度和扭曲都能调整到0.008mm/1000mm，导轨本身没有进一步修磨。即使重新更换花费也不多，因此机械部件都占有较高剩余价值。通常对一台设备来说，机械部分有60%以上剩余价值，电气部分有20%～50%以上剩余价值，这些都是值得改造的可考虑因素。
    对改造设备提出希望改造后能达到的目标期待值，即有什么样的机床精度和使用性能。有一些人认为，提出的改造指标应和同类新机床检验合格指标联系起来，甚至外观质量要求等，这里有合理的一面。但必须考虑它的基础是一台旧设备，是有缺陷的，要求提得太高投入的费用必然会大大增加。数控化改造和设备的中修、大修计划安排结合起来是比较合理的，可以达到较理想的使用效果。因此不从机、电、液以至外观质量整体上考虑改造后的目标值，而把它看成只要简单的换一个电气系统，改造后必然会留下一堆问题。
    在确定改造目标值后，要进行投入财力和人力的估算，即投入资金的评估。投入资金多少与制订改造目标高低密切相关。投入的改造费用主要由下列项目构成：①数控系统及相关伺服系统；②机床电气及附件更换；③机床机械元部件精度修复和维修保养；④机床辅助系统(如液压系统、冷却系统等)维修保养；⑤机床外观质量的修复；⑥机床改造后的调试检测；⑦机床改造所需的技术劳务费。在受改造费用限制时，常去修改改造目标值，降低一些次要要求以减少投入费用。
    为了在经济上有定量分析的依据，我们选一台现在市场上性能相似的商品价格作为标准进行比较。例如有1台15年以前出品的卧式加工中心，电控部分已严重损坏无法维修，机械精度已丧失20％左右，估算其剩余价值在30万元左右，要改造时电控部分需投入2.5万元，机械部分整修需投入10万元，整机还要投入10万元技术劳务费，共计投入75万元。现在再买一台类似的机床需180万元。改造后机床使用性能和效率估计能达到新设备的70%～80%，使用寿命在6～8年以上(一个大修周期以上)，即这项改造方案的性能价格比是可取的。
    在评估中要注意：剩余价值过低的设备是不值得花大力气改造的；剩余价值偏低、投入价值太高的改造方案也是不可取的。因此旧设备数控化改造中，首要的对象是剩余价值较高的旧数控机床。这些设备机械结构和功能与新的电控系统容易实现匹配，综合效果较好。其次是普通机床中重、大型设备，这些设备原值都较高，至今还往往都是部门关键设备，值得花大力气为它改造。对一些原价值不高的设备，觉得马上报废又可惜！还想改造后再利用一阶段的设备，在确定改造应用指标时就应慎重。即从实用出发提出投入不要太大的应用指标。电控部分尽量采用廉价的简易系统，改造工作量压缩在一定范围内，用减少投入来争取实用的经济效果。
通常的机床数控化改造步骤基本如下：
    (1)旧设备基本评估；
    (2)确定改造方案；
    (3)落实改造投入资金；
    (4)寻找委托单位，签订有关改造合同协议；
    (5)整理消化机床现有资料、数据；
    (6)现场测绘旧设备电气、机械部件；
    (7)对CNC、PLC、机床电气、机械改造内容进行设计、订货、制造；
    (8)对机床其余机电系统、液压系统、辅件进行现场拆修、保养、更换；
    (9)对机床改造部分进行现场施工、安装和连接；
    (10)机床联调试验；
    (11)修调恢复机床几何精度、定位精度；
    (12)机床及控制系统各部分功能联动试验，工作可靠性运行；
    (13)机床交检查验收；
    (14)机床试生产切削运行。
    当然，对某项具体工程要做的内容可能会有增减，但基本内容大致都包括了。
改造工作经常遇到的难点
      对一台使用了多年的旧设备要作出确切评估是有一定困难的，尤其许多设备常缺乏必要、系统的技术档案。有的二手设备原始资料已丢失，有的设备已损坏不能进行再测试等，所以要确切了解各部件磨损的程度，定量地评估各部件的剩余价值是很困难的。过高或过低评估，对确定改造方案及改造后性能价格比都带来很多影响。因此做这项工作时，聘请有丰富经验的专家、做必要的测绘、测试试验、作必要的行情调研等工作都是必要的，尤其是定量分析。
    在做每台机床改造方案时，往往都有多种方案，总的说来改造投入资金与取得效果应成正比。盲目追求高指标和高投入是不必要的，客观地说花再大的价钱也不能算一台新设备。因此恰当的投入，争取实用的使用指标是选择最佳方案的基本原则。在做方案时，应根据机床现有实际水平，做出几种可供选择的方案，由委托方和承制方协商，在满足使用单位实际使用寿命的前题下，采取最少的投入，这样的改造方案就可以认为是比较好的方案。

    改造一台机床必然要更换许多零部件及电控系统。作为机床用户，总是希望还能使用的元器件尽量保留，如保留原设备的伺服电机、液压系统、辅助部件等，这样改造后的一台设备中，必然新旧零部件混合使用，效果会如何呢？我们曾改造过一台五轴五联动卧式加工中心，数控系统使用了较好的日本FANUC公司16M，在总调试车时数控系统工作情况很好，但液压油管由于严重老化，不断出现破裂漏油，在一个多月调试阶段内，光换油管就占用了几个工作日。所以在确定选择零部件时，要考虑等效、等使用时间的匹配。即全功能的机床才配用全功能数控系统，新的部件有多年以上使用有效期时，保留的老部件使用寿命也要求与它相匹配，或者有相应措施。例如机床改造时考虑机械大件的精度修复、滚珠丝杠精度修复和重调预载、液压油管和密封圈的更换、新的数控系统数字式控制和老机床上模拟量控制的伺服电机不匹配时就要考虑更换伺服电机，或者采用较老的模拟量控制数控系统。对一些各种来路的国外旧机床，还必须考虑公制和英制的标准化问题，英制的标准件、螺纹、管接头、轴承都会给更换带来一些新的问题，甚至还要准备英制通用工具。
验收技术条件的确定
    验收条件是每个改造项目必须考虑的，这往往在执行改造项目时，委托方和承接方最容易出现分歧的地方。这反映在委托方对设备有较高希望值、承接方对原设备估计不足出现漏洞、而验收条件又没有统一标准可依等情况下，到项目后期验收时最容易出现各说各的理的局面。所以在制订验收条件时，可以参考同类新机床的行业标准和该机床的出厂合格单原始记录，分析该机床目前精度保持情况，必要时做机床实际精度测试，依据这些原始数据双方针对改造部分提出合理的验收技术条件。例如一台机床改造只更换了数控系统，那在验收条件中对功能和工作可靠性应有详细规定，但对机床几何精度提要求就欠缺考虑。总之旧设备改造工作是综合性的高技术工作，不可预见的因素较多，所以在验收时总会出现一些反复，这时双方能够以合作伙伴的精神来友好协商，绝大部分问题都是能妥善解决的。
项目施工计划的掌握
    项目改造周期根据设备复杂程度约在1～6个月以上，在保证质量的前题下周期越短越好。对一台较复杂的中大型设备施工周期如下。
    旧设备技术资料消化、电气测绘、机械测绘、机床原始性能测试需20～40天；
    机械、电气、CNC设计订货和制造需90～150天(主要用于进口元部件订货周期和大型复杂零件制造周期)；
    机床改造部分安装连接需30～60天；
    机床联调和验收需30～40天。

上述周期仅供参考。

                               
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[ 本帖最后由 snowgirl19 于 2007-9-17 01:34 编辑 ]

huangshijun

很好的资料啊,谢谢楼主

wanglianbao

帖子很好。要是楼主自己写的，那楼主肯定是机加行业的高手了！

snowgirl19

不好意思是转贴，因为这几天正在找这方面的资料，看到好的，顺便发上来与大家共享。

hzdengjg

希望自己能改造就好了

soponcd

国内专业做数控化改造的公司不少，广泰数控是它们的代表之一。

shenjun

见过很简单的数控机床，将普通机床的进给控制部分改装成了数显方式的，精度还是要比普通机床高不少的。

晓寒

呵呵，以前是改过，委托别滴公司做得

apei0303

:哈哈 ，自己没有这个实力，！！

shibo6088

楼上的，都是从事的机床行业吗？
我也是的

希望多和大家交流

楼主发的确实是好东西

haodj

改普通车床，还不如就买台新的较简单的数控车床

csmlxm

学习学习，3Q