第十一章機床的數控技術改造學習目的與要求了解機床數控改造的條件；了解國外機床技術改造的發展趨勢；了解機床改造的主要對象和機床改造的一般步驟理解進行數控改裝主要應考慮的因素；了解車、銑床的數控改造方法。12.1機床改造概述12.1.1機床數控改造的條件并不是所有的舊機床都適合于進行數控改造。機床的改造主要應具備如下條件：（1）機床基礎件必須有足夠的剛性。數控機床屬于高精度機床，工件或刀具的移動精度要求很高。通常閉環系統的脈沖當量為0.001mm，開環系統的脈沖當量為0.005mm或0.01mm。高的定位精度和輪廓加工精度要求機床的基礎件具有很高的動靜剛度。基礎件剛性不好則受力后容易變形，且這種變形具有很大的不確定性，無法用數控系統中的補償機能進行補償。因此，基礎件剛性不好的機床不適宜進行數控改造。

（2）改造費用合適、經濟性好。機床改造費用分為機床與電氣兩部分。一方面是維修和改動原機床部分，更換已磨損的部件。另一方面是更換原機床控制柜，用新的數控系統和強電裝置來代替。改造費用與原機床零件的利用率有關，也與采用何種數控系統有關。出于經濟上的考慮，目前國內除重型機床和有特殊要求的機床外，通常均采用功率步進電動機驅動的經濟型數控系統進行機床改造。改造總費用要因用戶而異，一般來說，如果不超過同類規格設備價格的一半，在經濟上就算合適。

12.1.2國外機床技術改造的發展趨勢由于企業資金缺乏，普遍重視對現有機床的改造，許多大企業都定制了機床改造的長遠規劃。自20世紀60年代以來，國外機床改造市場十分活躍，機床改造也正在逐步從機床制造業中分化出來，目前美國已有200多家專業機床改造公司。機床改造主要是實現數控改造，數控改造大體可分為兩類：一類是在現有的普通機床上加裝數控裝置和可編程控制器；另一類是采用更先進的數控系統代替現有數控機床的控制裝置。

12.1.3機床改造的主要對象

1．大型、重型機床該類機床許多役齡都很長，其控制系統落后，操作復雜，效率低下。而大型、重型數控機床價格十分昂貴，這類大型普通機床與數控機床相比，形狀復雜、噸位重的基礎件，如底座、工作臺、床身、立柱、橫梁等都是必不可少的，它們都是鑄件或焊接鋼。改造時重復利用這些基礎件，必然大大縮短改造周期，降低成本費用。而且這些基礎件自然時效長，內應力的消除使得機床的主要基礎件穩定性好。因此大型、重型機床的數控化改造可大大節省開支，在國外已被廣泛采用，并取得了良好的效果。

2．普通中小型車床、銑床普通中小型車床、銑床在數控化改造時，其機械部分只作較小改動，再配以經濟型數控系統和步進電動機即可滿足通常數控車、銑床復雜零件的加工，并且價格便宜。這種較廉價的數控改造方案具有很大的實用價值，目前在我國已得到了廣泛的推廣和使用。

12.1.4機床改造的一般步驟

（1）明確微機改造的任務和目標。在確定機床微機改造的總體方案時，首先要提出明確的技術經濟指標。例如，有的是為了解決難加工的曲線曲面，有的是為了提高勞動生產率，有的是為了提高零件加工的一致性，這些一般都應有明確的工藝目的，由此確定改造的對象和技術要求，并將具體的技術參數用文件形式固定下來，編寫出設計任務書，作為設計的原始依據。

（2）總體方案設計。總體方案設計的內容包括：系統運動方式的確定，伺服系統的選擇，執行機構的結構及傳動方式的確定和計算機系統的選擇等。應根據設計任務和要求進行調研，查閱技術資料，提出系統的總體方案，并對方案進行分析比較和論證，最后再確定總體方案。確定方案時，應仔細考慮機床與控制部分相互間的各種要求，作出合理的設計，不僅要考慮各種高效能、自動化要求，也要考慮被改造機床的具體條件，使技術的先進性與經濟的合理性較好地統一起來。

（3）設計計算及結構改裝。根據機床改造后的加工工藝范圍，初步選定切削用量和刀具運動路線等，計算切削力及切削功率，從而計算出進給系統需要的功率和力矩等，以選擇數控系統及驅動元件。多數的微機數控裝置配用步進電動機，也有一些性能要求較高的系統采用直流伺服電動機。機床的工作臺(或刀架)及其傳動機構是機床改造的重點，改造的好壞直接影響到伺服系統的品質，可以說機床的微機改造是從機械部分改造的整體方案入手的，設計時可借鑒數控機床的結構特點及設計要求。隨著數控機床的發展，許多數控機床的零配件也已經開始成批生產，形成了專門的配套供應，如滾珠絲杠螺母副、車床的自動換刀刀架等目前都有現成的產品供應，這給機床改造工作帶來了很大方便。

（4）制造、安裝、調試。制造、安裝、調試是改造的關鍵之一。一般應預先將數控系統、接口電路等脫機運行，機械及液壓氣動裝置也應單獨運行，在確定無誤后，才能聯機調試。調試時應遵循先手動、后自動，先空運行、后試切的原則。調試合格后，要按設計要求進行負荷切削試驗和各項精度指標的考核，直至加工出合格的產品為止，然后交付車間使用，并協助培訓操作和維修人員。設備投產后要及時總結，在可能的條件下，采用更新的技術，進一步完善原設計。

12.2機床的經濟型數控技術改造

12.2.1數控改造主要技術方案的選擇

1．數控系統目前在市場上有各種經濟型和標準型數控系統供應，其中，經濟型數控系統具有結構簡單、操作方便、技術容易掌握及制造成本低等優點，在中、小型機床數控化改裝中應用較多。隨著生產和技術的發展，目前，標準型數控系統在大型、中型機床數控化改裝中的應用亦日益廣泛。總的來說，標準型數控系統性能完善，與機械、強電接合方便，可靠性高。而經濟型數控系統性能相對較差，系統平均年無故障工作時間較短，適用于有一定修理能力的單位。

在選擇數控系統時，應了解系統的控制軸數，特別是聯動軸數，因為這與數控系統的價格有直接的關系。對于僅需實現點位控制的改裝，就不要求控制軸聯動，只有需要進行輪廓控制的場合，才需選用具有聯動功能的數控系統。例如，改裝鉆床時，可選用兩個控制軸的點位數控系統；改裝車床時，若需加工圓錐、圓弧和其他曲面，則需控制兩軸聯動；改裝銑床時，若只加工平面凸輪類表面，兩軸聯動就可以滿足要求，而加工空間曲面時，則至少要三軸以上聯動。

2．控制方式通常控制系統的控制方式分為開環、閉環和半閉環三種。開環系統無位置檢測反饋裝置，其加工精度由執行元件和傳動機構的精度來保證。這種控制方式的定位精度較低(一般只能達到±0．02mm／300mm)，且多以步進電動機為驅動元件，受步進電動機性能的影響進給速度一般不高。但該控制方式投資少，安裝調試方便，因此適用于精度要求一般的中小型機床改裝，也是目前機床數控化改裝中應用最為普遍的一種。半閉環控制方式雖然改裝費用較大，但控制精度較高(可達±0.01mm／300mm以上)，且多以直流、交流伺服電動機為驅動元件，速度也比開環控制方式高，安裝調試也比較方便，因此適用于控制精度要求高的大、中型機床的改裝。閉環控制由于需直接測量出移動部件的實際位置，要在機床的相應部位安裝直線檢測元件，工作量大、費用高、調試困難，它的穩定性與機械部分的各種非線性因素有很大關系，因此在機床數控化改裝中一般不采用這種控制方式。

3．伺服驅動元件

目前在機床數控化改裝中常用的驅動元件有步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機。這些驅動元件配以適當的功放裝置，即組成伺服驅動系統。

4．主傳動許多機床在數控化改造時，主傳動部分不作太大的變動，這是因為機床改造的功能通常要求不高。盡管原機床的普通交流異步電動機開環驅動方式當電網電壓或切削轉矩變化時，電動機轉速也會隨之波動，影響零件加工的表面粗糙度，且由于變速仍采用復雜的變速箱變速，體積龐大，高速運行時振動和噪聲都較大，對零件加工精度會產生不良影響；但是主軸改為閉環驅動方式的成本太高，因此除有特殊要求，通常主軸傳動鏈保留不變，主軸箱內的變速機構也不改動，原電氣系統不動。對車床改造時，如需具有螺紋加工功能，則通常在主軸傳動鏈上加裝主軸編碼器。對自動化程度要求較高的場合，可采用交流異步電動機開環變頻調速系統。采用開環變頻調速系統可實現數控系統控制的自動無級變速。

5．進給傳動整個機床的數控改造絕大多數工作都在進給機構上。

1）進給箱普通機床進給機構為齒輪箱，齒輪箱傳動鏈長，機構復雜，反向間隙累積增大，大大降低了傳動精度。進給箱部分的改造就是要取消原齒輪箱，并換為一級減速機構，傳動元件要有消隙裝置，以減小傳動間隙，提高精度。

2)導軌副普通機床的導軌多采用鑄鐵—鑄鐵或鑄鐵—淬火鋼滑動導軌，其靜摩擦系數大，動靜摩擦系數相差較大，低速時易出現爬行，影響運動的平穩性和定位精度，力矩損失大。而將導軌改造為滾動導軌或靜壓導軌工藝復雜、費用大、周期長。較為常見的是采用在原導軌上粘接聚四氟乙烯軟帶的方法，這種方法實現起來比較方便，而且費用低、動靜摩擦系數相差小、耐磨性強，具有良好的自潤滑性和抗振性，進給運動無爬行、運行平穩，因而得到了廣泛采用。當然在有些要求不高的場合下，也可以不改動原機床導軌而選用較大的電動機。

3)絲杠在機床數控化改裝中常涉及的傳動元件是將旋轉運動變為直線運動的傳動副。普通機床常采用普通滑動絲杠副；而數控機床要求移動部件靈敏度、精度高、反應快、無爬行，采用滾珠絲杠副可滿足上述要求。在機床數控化改裝中，凡希望角位移和實現位移精確轉換的場合大多是用滾珠絲杠副。使用時應注意：由于滾珠絲杠副具有可逆傳動的特性，沒有自鎖能力，因此在垂直升降系統和高速大慣量系統中需設置制動機構。當然，滾珠絲杠副由于制造工藝復雜、加工精度要求高，故價格要比普通滑動絲杠副高出許多。

由于滾珠絲杠副的徑向尺寸較大，在進行數控化改造時，許多相關的部位都需修改，因此，為使改裝方案容易實現，在可能的情況下，往往仍用原普通滑動絲杠，但為消除絲杠與螺母間隙，則應將原單螺母副改成可調間隙的雙螺母副。如果在機床數控化改裝中，需采用其他傳動元件，則應注意采用消隙措施，如雙齒輪消隙機構或采用同步齒形帶傳動，以提高反向精度。

4)聯軸器為消除傳動系統中的反向間隙，提高重復定位精度，伺服驅動元件所用的聯軸器(如果有的話)多數采用無鍵連接的形式，如錐銷剛性聯軸器和錐環聯軸器等。

6．刀架系統

在刀架系統的改造中，將車床原普通手動轉位刀架改造為自動轉位刀架最為普遍，下面以常用的螺旋型四工位刀架為例介紹其控制原理。

圖12－1螺旋型四工位刀架結構圖

圖12－1所示為螺旋型四工位刀架結構，圖12－2所示為螺旋型四工位刀架控制原理。當數控系統發出換刀信號時，首先繼電器K1動作，換刀電動機正轉驅動蝸輪蝸桿機構使上刀體上升。當上刀體上升到一定的高度時，離合轉盤起作用，帶動上刀體旋轉進行選刀。刀架上方的發信盤中對應的每個刀位都安裝有一個傳感器(如霍爾開關、感應開關等)，當上刀體旋轉到某刀位時，該刀位的傳感器向數控系統輸出信號，數控系統將刀位信號與指令刀位信號進行比較，當兩信號相同時，說明上刀體已旋轉到所選刀位。此時數控系統控制繼電器K1釋放，繼電器K2吸合，換刀電動機反轉，活動銷反靠在反靠盤上初定位。在活動銷反靠的作用下，螺桿帶動上刀體下降，直至齒牙盤咬合，完成精定位，并通過蝸輪和蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固。此時，數控系統控制繼電器K2釋放，換刀電動機停轉，從而完成換刀動作。

圖12－2螺旋型四工位刀架控制原理圖

12.2.2普通機床數控化改造實例

1．臥式車床的數控化改造

1）總體方案設計

(1)設計任務。利用微機對C616型臥式車床的縱、橫向進給系統進行開環控制，縱向脈沖當量為0.01mm，橫向脈沖當量為0.005mm，驅動元件采用步進電動機。改造后的機床能完成一般車削及加工任意錐面、球面、螺紋等加工工序，并能控制主軸開停變速、刀架轉位及一些輔助功能，使加工實現自動化。

(2)總體方案確定。根據設計任務，系統應采用輪廓控制形式。控制系統硬件由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口、光電隔離電路及步進電動機功率放大電路等組成。縱向、橫向均采用步進電動機—減速齒輪—滾珠絲杠螺母—溜板的傳動方式。刀架更換為四刀位自動回轉刀架。改造后的車床傳動系統如圖12－3所示。

圖12－3改造后的車床傳動系統

2）機械部分改造設計與計算機械部分設計內容包括：傳動元件的設計計算及選用，運動部件的慣性計算，步進電動機的選擇等。

3）車床改造后的機械結構特點（1）主傳動系統。為保留原有的主傳動系統和變速操縱機構，保留機床的原有功能，簡化改造量，只選擇了功率大一些的電動機。

（2）進給傳動系統。它包括縱向進給系統、橫向進給系統和導軌副等。①縱向進給系統。拆除原進給箱，在原機床進給箱的位置安裝齒輪箱體，在原絲杠位置安裝縱向進給滾珠絲杠。縱向滾珠絲杠采用三點支撐形式。步進電動機的布置，可放在絲杠的任一端。由于拆除了進給箱，可在原安裝進給箱處布置步進電動機和減速齒輪，也可在滾珠絲杠的左端設計一個專用軸承支撐座，而在絲杠托架處布置步進電動機和減速箱。我們采用后一種布置方案。車床縱向傳動的支撐結構如圖12－4所示。

圖12－4車床縱向傳動的支撐結構

在絲杠的左端設計了一個專用軸承支撐座，采用一個軸套式滑動軸承作為徑向支撐，在滑動軸承的兩側分別布置一對推力球軸承，承受兩個方向的軸向力。支撐短軸與滾珠絲杠通過聯軸套連接起來。滾珠絲杠的右端通過聯軸套和減速箱的輸出軸連接，在絲杠托架上布置一個軸套式滑動軸承作為徑向支撐，減速箱固定在絲杠托架上。滾珠絲杠的中間支撐為滾珠螺母，它與床鞍直接連接。

②橫向進給系統。橫向進給系統的橫向滾珠絲杠也采用三點支撐形式。步進電動機都安裝在床鞍的后部。在靠近操作者一端，布置一根支撐短軸，通過一個聯軸套與滾珠絲杠連接起來。利用車床原橫向進給絲杠的滑動軸套作為徑向支撐，并對原支撐處進行適當改裝，布置一對推力球軸承，以實現軸向支撐。在遠離操作者的一端，用一個聯軸套和一根連接短軸把滾珠絲杠與減速箱輸出軸連接起來。滾珠螺母直接固定在中滑板上。車床橫向傳動的支撐結構如圖12－5所示。

圖12－5車床橫向傳動的支撐結構

③導軌副。為減少運動部件移動時的摩擦阻力，尤其是減少靜摩擦阻力，床鞍和刀架移動部件的導軌上可粘貼摩擦系數低的聚四氟乙烯軟帶。

(3)掛輪箱。拆除原掛輪箱，在此位置安裝主軸編碼器。同軸安裝方式如圖12－6所示，連接方式如圖12－7所示。主軸脈沖編碼器作為主軸位置的信號反饋元件，目的是用來檢測主軸轉角的位置，并且將其變化情況輸送給數控裝置，在加工螺紋時能按照所需加工的螺距進行處理。主軸脈沖編碼器為光學元件，安裝、使用時應注意，以防損傷。車床主軸轉速不能超過許用最高轉速。

圖12－6同軸安裝方式

圖12－7連接方式

(4)安裝電動卡盤。為了提高經濟型數控車床的加工效率，還可考慮安裝電動三爪自定心卡盤裝置。這種裝置可與數控裝置的收發信電路相配合，實現自動夾緊、松開動作，以提高加工過程的自動化程度。

（5）自動回轉刀架的安裝。采用LD4系列電動刀架取代原手動四方刀架，如圖12－8所示。刀架的定位過程如下：系統發生換刀信號→刀架電動機正轉→刀臺上升并轉位→刀架到位發出信號→刀架電動機反轉→初定位→精定位夾緊→刀架電動機停轉→換刀應答。刀架的到位信號由刀架定軸上端的4個霍爾開關和永久磁鐵檢測獲得。4個霍爾開關分別為4個刀位的位置，當刀臺旋轉時，帶動磁鐵一起旋轉，當到達規定刀位時，通過霍爾開關輸出到位信號。

圖12－8

LD4系列電動刀架

2.銑床的數控化改造銑床的應用十分廣泛，主要用于加工平面或成型表面。若要在立式銑床上加工圓弧、凸輪等平面曲線時，就要借助于圓工作臺、分度頭等機床附件，并對機床進行相應調整。因為銑床的加工精度較低，所以機床調整費事。因此對銑床進行數控化改造的也較多，改造的目的一方面是為了提高加工精度，另一方面是為了利用數控方法加工任意圓弧面和凸輪的曲面。銑床的數控化改造，一般主要解決進給系統的數控化，其主傳動系統保持不變。改造的方法和程序與臥式車床基本相同。下面只對機械部分的改動進行說明。

1）工作臺的進給運動因為改造后的機床主要加工圓弧、凸輪等平面曲線的輪廓，所以采用微機數控系統實現三坐標兩軸聯動控制，工作臺縱向(X軸)、橫向(Y軸)及垂直方向(Z軸)的運動分別由步進電動機經過一級齒輪減速后，由滾珠絲杠螺母副拖動。由于銑削時作用在電動機軸上的負載轉矩較大，因此要選擇大功率的步進電動機。而大功率步進電動機的驅動較困難，步進電動機沒有過載能力，在高速運動時轉矩下降很多，容易丟步。要使改造后的銑床進給伺服性能較好，在改造中也常采用直流伺服電動機驅動。銑床改造方案如圖12－9所示。

圖12－9銑床改造方案

2）結構設計（1）應盡量消除齒輪副和絲杠副的間隙，齒輪采用雙片薄齒輪錯齒法消除間隙，除采用間隙消除裝置外，也可以用軟件補償進給量的方法(即編程序固化在計算機中來補償)消除，以提高加工工件的精度。

（2）若采用直流伺服電動機作驅動元件，則伺服電動機的軸端為光軸，齒輪與電動機軸、電動機軸與傳動軸采用錐環無鍵連接較方便。圖12－10所示為采用無鍵連接消隙聯軸器的結構。圖12－10中2、3為錐面相互配合的錐環，當擰緊螺釘6經壓蓋4施加軸向力時，由于錐環之間的楔緊作用，內外環