目前機床數(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機床數(shù)控化率不到3％。用普通機床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。本文以車床的數(shù)控改造為例，介紹了機床數(shù)控改造的方法，包括其結構的改造設計，性能與精度的選擇以及最后改造方案的確定。
關鍵詞：數(shù)控；改造；車床
0 機床數(shù)控改造的意義
1）節(jié)省資金。 機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進行徹底改造升級也只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。
2）性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應力變形而影響精度。
3） 提高生產(chǎn)效率。 機床經(jīng)數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高 3至5倍。對復雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產(chǎn)準備周期。
1 普通車床的數(shù)控化改造設計
機床的數(shù)控改造，主要是對原有機床的結構進行創(chuàng)造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機電一體化的典型代表，其機械結構同普通的機床有諸多相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機床不是簡單地將傳統(tǒng)機床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機床的基礎上，僅對局部加以改進而成（那些受資金等條件限制，而將傳統(tǒng)機床改裝成建議數(shù)控機床的另當別論）。傳統(tǒng)機床存在著一些弱點，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機床對加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)率以及使用壽命等要求。現(xiàn)代的數(shù)控技術，特別是加工中心，無論是其支承部件、主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、輔助功能等部件結構，還是整體布局、外部造型等都已經(jīng)發(fā)生了很大變化，已經(jīng)形成了數(shù)控機床的獨特機械結構。因此，我們在對普通機床進行數(shù)控改造的過程中，應在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標盡可能地與數(shù)控機床相接近。
2 數(shù)控車床的性能和精度的選擇
并不是所有的舊機床都可以進行數(shù)控改造，機床的改造主要應具備兩個條件：第一，機床基礎件必須有足夠的剛性。第二，改造的費用要合適，經(jīng)濟性好。在改裝車床前，要對機床的性能指標做出決定。改裝后的車床能加工工件的最大回轉(zhuǎn)直徑以及最大長度、主電動機功率等一般都不會改變。加工工件的平面度、直線度、圓柱度以及粗糙度等基本上仍決定于機床本身原有水平。主要有下述性能和精度的選擇需要在改裝前確定。
1）軸變速方法、級數(shù)、轉(zhuǎn)速范圍、功率以及是否需要數(shù)控制動停車等。
2）進給運動：
進給速度：Z向（通常為8～400mm/min）；X向（通常為2～100 mm/min）。
快速移動：Z向（通常為1.2～4m/min）；X向（通常為1.2～3m/min）。
脈沖當量：在0.025～0.005mm內(nèi)選取，通常Z向為X向的2倍。
加工螺距范圍：包括能加工螺距類型（公制、英制、模數(shù)、徑節(jié)和錐螺紋等），一般螺距在10mm以內(nèi)都不難達到。
3）進給運動驅(qū)動方式（一般都選用步進電機驅(qū)動）。
4）給運動傳動是否需要改裝成滾珠絲杠傳動。
5）刀架是否需要配置自動轉(zhuǎn)位刀架，若配置需要確定工位數(shù)。
6）其他性能指標選擇：
插補功能：車床加工需具備直線和圓弧插補功能。
刀具補償和間隙補償：為了保證一定的加工精度，一般需考慮設置刀補和間隙補償功能。
顯示：采用數(shù)碼管還是液晶或者顯示器顯示，顯示的位數(shù)多少等問題要根據(jù)車床加工功能實際需要確定，一般來說，顯示越簡單成本越低，也容易實現(xiàn)。
診斷功能：為防止操作者輸入的程序有錯和隨之出現(xiàn)的錯誤動作，可在數(shù)控改造系統(tǒng)設計時加入必要的器件和軟件，使其能指示出機床出現(xiàn)故障或者功能失效的部分等，實現(xiàn)有限的診斷功能。
以上是車床數(shù)控改造時需要考慮的一些通用性能指標，有的車床改造根據(jù)需要還會有些專門的要求，如車削大螺距螺紋、在惡劣的環(huán)境下工作的防塵干擾、車刀高精度對刀等，這個時候應有針對性的專門設計。
3 車床數(shù)控改造方案選擇
當數(shù)控車床的性能和精度等內(nèi)容基本選定后，可根據(jù)此來確定改造方案。目前機床數(shù)控改造技術已經(jīng)日趨成熟，專用化的機床數(shù)控改造系統(tǒng)所具備的性能和功能一般均能滿足車床的常規(guī)加工要求。因此，較典型的車床數(shù)控改造方案可選擇為：配置專用車床數(shù)控改造系統(tǒng)，更換進給運動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、采用步進電機驅(qū)動進給運動、配置脈沖發(fā)生器實現(xiàn)螺紋加工功能、配置自動轉(zhuǎn)位刀架實現(xiàn)自動換刀功能。
目前較典型的經(jīng)濟型專用車床數(shù)控改造系統(tǒng)具有下列基本配置和功能：
1）采用單片微機為主控CPU，具有直線和圓弧插補、代碼編程、刀具補償和間隙補償功能、數(shù)碼管二坐標同時顯示、自動轉(zhuǎn)位刀架控制、螺紋加工等控制功能。
2） 配有步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，脈沖當量或控制精度一般為：Z為0.01mm，X向為0.005mm（要與相應導程的絲杠相配套）。
3）加工程序大多靠面板按鍵輸入，代碼編制，掉電自動保護存儲器存儲；可以對程序進行現(xiàn)場編輯修改和試運行操作。
4）具有單步或連續(xù)執(zhí)行程序、循環(huán)執(zhí)行程序、機械極限位置自動限位、超程報警，以及進給速度程序自動終止等各類數(shù)控基本功能。
4 車床數(shù)控改造實例
如圖1-1所示為CA6140型普通車床數(shù)控化改造例，它采用了一種比較簡單但是較為典型的改裝方案，改造后的車床進給運動由步進電機A和B驅(qū)動，它們分別安裝在床頭箱內(nèi)（或床身尾部）和拖板后方，通過減速齒輪和縱橫向絲杠帶動車床的縱橫進給運動。（插圖1-1）
為使改造后的車床能充分發(fā)揮數(shù)控車床的效能，縱橫向絲杠螺母副一般需要調(diào)換成滾珠絲杠螺母副。當利用原絲杠螺母副時，為了減少改造工作量，縱向驅(qū)動電機及減速箱一般裝在床身尾部，這時連接車床原傳動系統(tǒng)（主軸系統(tǒng)）和縱向絲杠傳動的離合器尚未拆除，工作時應使處于脫開位置。同理，脫落蝸桿等原橫向自動進給機構若未拆除，工作時也應使其處于空檔（空擋）位置。改造后的進給脈沖當量的量值靠步進電機步距角、減速齒輪比、絲杠導程三者協(xié)調(diào)確定。三者之間換算關系可以以下式表示：
（θ/360）×（ac/bd）×T=δ
式中θ——步進電機步聚角（度）；
T——所驅(qū)動絲杠導程（mm）;
a,b,c,d——齒輪齒數(shù)，當單級減數(shù)時，令c、d等于1；
δ——脈沖當量值（mm）。
步進電機的參數(shù)根據(jù)阻力矩及切屑用量的大小和機床型號來選擇，普通車床（如C6140、C620等）的數(shù)控改造中多采用0.08——0.15（N·m）靜力矩的步進電機，如選0.08（N·m）的作為橫向進給電機；選0.15（N·m）的作為縱向進給電機。
若需要，可將原刀架換成自動轉(zhuǎn)位刀架，則可以用程序數(shù)控轉(zhuǎn)換刀具進行切屑加工。當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀信號時，首先繼電器K1動作，換刀電動機正轉(zhuǎn)驅(qū)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(zhuǎn)盤起作用，帶動上刀體旋轉(zhuǎn)進行選刀。刀架上方的發(fā)信盤中對應每個刀位都安有一個傳感器，當上刀體旋轉(zhuǎn)到某個刀位時，該刀位的傳感器向數(shù)控系統(tǒng)輸出信號，數(shù)控系統(tǒng)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(zhuǎn)到所選刀位。此時數(shù)控系統(tǒng)控制繼電器K1釋放，繼電器K2吸合，換刀電動機反轉(zhuǎn)，活動銷在反靠盤上初定位。在活動銷反靠的作用下，螺桿帶動上刀體下降，直到齒牙盤咬合，完成精定位，并通過蝸輪蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固。此時數(shù)控系統(tǒng)控制繼電器K2釋放，換刀電動機停轉(zhuǎn)，完成換刀動作。也可以保留原刀架仍采用手動轉(zhuǎn)換刀具，但在換刀時必須設置程序暫停。如果需要加工螺紋，則要在主軸外端或其他適當部位裝上一個脈沖發(fā)生器C，用它發(fā)出脈沖使步進電機準確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相應的進給運動，即保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀移動一個導程。
上述改造方案中，不更換絲杠方法當數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，仍可以加工，但滑動絲杠螺母副容易磨損故需要經(jīng)常檢修，而且功率和加工精度均不如滾珠絲杠螺母副驅(qū)動方式。另外，拖板與床身的導軌不夠平行或垂直，以及兩者之間摩擦力過大，絲杠軸線與導軌間存在平行度誤差等問題均會使驅(qū)動阻力增加。為了減阻力以提高步進電機的力矩有效率和加工精度.
機床改造完畢后，還應該對其進行安裝調(diào)試及驗收。一般來說，應特別注意安裝的位置和基礎，使機床處于良好穩(wěn)定的工作環(huán)境。其次是全面檢查各器件、插件的連接情況以及各油路、電路的情況，再進行數(shù)控系統(tǒng)的連接。當完成數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)整，具備了機床聯(lián)機通電試車的條件，可切斷數(shù)控系統(tǒng)的電源，連接電動機的動力線，恢復報警設定，準備通電試車。試車的目的是考核機床的安裝是否穩(wěn)固，各傳動、操縱、控制、潤滑、液壓、氣動等系統(tǒng)是否正常和靈敏可靠。改造后的數(shù)控機床的驗收是和安裝調(diào)試工作同步進行的。一臺機床數(shù)控改造完好后的檢測驗收工作是一項復雜的工作，其試驗檢測手段及技術要求也很高，它需要使用各種高精度的儀器，對機床的機、電、液、氣各部分及整機進行單項性能綜合性能檢測，包括運行剛度和熱變形等一系列試驗，其中應特別注意機床數(shù)控功能的檢驗，最后得出該機床的綜合評價。
5 結論
經(jīng)過大量實踐證明普通機床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟性、實用性和穩(wěn)定性。其改造涉及到機械、電氣、計算機等領域，是一項理論深、實踐強的系統(tǒng)工程。在進行數(shù)控改造時，應該做好改造前的技術準備。改造過程中，機械修理與電氣改造相結合，先易后難、先局部后全局。
