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數(shù)控機(jī)床

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機(jī)床大修與數(shù)控化改造
2020-10-4  來源： 南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心  作者：金曉明


     摘要：普通機(jī)床適用于一些常規(guī)加工、粗加工以及較低精度加工。由于機(jī)床長期運(yùn)轉(zhuǎn)或不當(dāng)操作或缺少必要的維保，使得機(jī)床機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，降低了加工精度。由于市場的競爭日益激烈，成本、質(zhì)量、生產(chǎn)率和產(chǎn)量、交貨期，這些因素都決定了需要對機(jī)床部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行大修及數(shù)控化升級改造，可以提高產(chǎn)品的加工效率和加工精度，同時(shí)在原有機(jī)床基礎(chǔ)上進(jìn)行改造可以降低成本、縮短設(shè)備升級改造周期。

     關(guān)鍵詞：普通機(jī)床；大修改造；機(jī)床精度；數(shù)控改造
  
     1 、行業(yè)背景和需求
   
     近年來隨著“國之重器”的不斷出現(xiàn)，凸顯出制造業(yè)的重要性，而各個(gè)制造行業(yè)的發(fā)展都與機(jī)床裝備的發(fā)展密切相關(guān)。

     由于機(jī)床長期運(yùn)轉(zhuǎn)或不當(dāng)操作或缺少必要的維保，使得機(jī)床機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，降低了加工精度。

     由于市場的競爭日益激烈，成本、質(zhì)量、生產(chǎn)率和產(chǎn)量、交貨期，這些因素都決定了數(shù)控化升級改造前需要對機(jī)床部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行大修，這樣才可以提高產(chǎn)品的加工效率和加工精度，在原有機(jī)床基礎(chǔ)上進(jìn)行改造可以降低成本、縮短設(shè)備升級改造周期。

     2 、大修改造方案的確定
  
     2.1 技術(shù)可行性評估
   
     技術(shù)可行性評估是大修和改造的第一步。通常來看，普通機(jī)床在數(shù)控改造前，大部分都需要進(jìn)行部件修理，對被改造機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)、性能、精度等技術(shù)現(xiàn)狀的全面分析。確定修理的要求、范圍、內(nèi)容，包括機(jī)床原有結(jié)構(gòu)是否合理，基礎(chǔ)部件及結(jié)構(gòu)件是否足以支撐改造等；也要確定因數(shù)控改造而需進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)改造的要求、內(nèi)容。

     將普通機(jī)床改造成數(shù)控機(jī)床，要考察各坐標(biāo)軸的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌副的形式等是否適用；還要確定電氣改造與機(jī)械修理、改造之間的時(shí)間順序，按照不同的步驟交替進(jìn)行，縮短改造工期。機(jī)械性能的完好是數(shù)控改造成功的基礎(chǔ)。測量機(jī)床目前的各項(xiàng)精度與出廠精度進(jìn)行對比，是否存在差距。機(jī)床經(jīng)長期使用或閑置后，在機(jī)械、液壓、潤滑、清潔等方面會(huì)不同程度地存在問題。

     因此根據(jù)對現(xiàn)有機(jī)床的評估和改造需求，首先要進(jìn)行全面保養(yǎng)，然后對機(jī)床做一次改前的幾何精度、尺寸精度測量，記錄在案。這樣既可以對改造工作起參考作用，又可在改造結(jié)束時(shí)做對比分析用。

     2.2 普通機(jī)床功能部件
  
     以改造數(shù)控車床步驟為例：

      ①數(shù)控系統(tǒng)，方案一、數(shù)控系統(tǒng)＋兩軸步進(jìn)系統(tǒng)：方案二、數(shù)控系統(tǒng)＋兩軸伺服系統(tǒng)。
      ②電動(dòng)刀架電機(jī)的更換。
      ③控制箱更新：包括低壓電器，變壓器，行程開關(guān)等。
      ④機(jī)械部分：1）機(jī)械精度恢復(fù)：a）重新貼塑；b）導(dǎo)軌磨削：2）機(jī)械各部件修復(fù)、清理、重裝。
      ⑤現(xiàn)場整機(jī)聯(lián)調(diào)。

       2.3 數(shù)控改造方案
  
       X、Y 軸均作數(shù)控改造，絲桿換成滾珠絲杠，驅(qū)動(dòng)形式改為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)或伺服驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)采用西門子數(shù)控系統(tǒng)。如圖 1 所示，電機(jī)輸出用同步齒形帶傳動(dòng)至絲杠，絲杠在一對 NSK 軸承和一只輔助軸承支承下，帶動(dòng)螺母往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作臺和刀架均設(shè)有雙向限位開關(guān)，刀架還配有斷電制動(dòng)器，2 只電機(jī)座鑄造而成。
  
 
   
圖 1 絲杠運(yùn)動(dòng)示意圖
   
     2.4 主要部件的選用
  
     2.4.1 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的選用
   
     進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作過程：是以電機(jī)為動(dòng)力源，由齒輪（帶輪、直聯(lián)）傳動(dòng)傳遞動(dòng)力帶動(dòng)絲桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲桿再帶動(dòng)刀架作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)方式：①齒輪傳動(dòng)；②帶輪傳動(dòng)；③直聯(lián)傳動(dòng)。絲桿支撐方式：滾珠絲桿支撐：

     1）一端軸向固定一端自由，常用于短絲桿和豎直安裝的絲桿。2）一端固定一端簡支，常用于較長的臥式安裝絲桿。3）兩端固定，常用于長絲桿或高轉(zhuǎn)速，要求高精度，高強(qiáng)度的地方。

     本進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便；體積小巧靈活，安裝方便；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且保證一定得加工精度；壽命長，安全環(huán)保。以電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（齒輪、帶輪、直聯(lián)）、絲桿與支撐為主干。絲桿由支撐機(jī)構(gòu)懸掛在床身一側(cè)，用內(nèi)六角圓柱頭螺釘和墊圈將支撐機(jī)構(gòu)固定在床身外側(cè)。絲桿以電機(jī)為動(dòng)力源，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿再帶動(dòng)刀架形成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

     本傳動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)可以采用多種傳動(dòng)方式和多種絲桿支撐方式，針對不同的數(shù)控機(jī)床采用合理的機(jī)構(gòu)，以保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單合理、運(yùn)行可靠穩(wěn)定、進(jìn)給準(zhǔn)確和較高的加工精度。

  
 
 
 

       2.4.2主軸

       主軸單元是影響機(jī)床性能的最關(guān)鍵部件。

       因?yàn)橹鬏S直接帶動(dòng)刀具或工件進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速和精度直接影響工件的加工精度和生產(chǎn)率。主軸單元的轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度是評價(jià)數(shù)控機(jī)床整體性能的重要指標(biāo)，是用戶購買機(jī)床時(shí)所考慮的主要參數(shù)。高速主軸單元的性能涉及主軸的設(shè)計(jì)方法、材料、結(jié)構(gòu)、軸承、潤滑冷卻、溫升、平衡、噪音等多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)。其中一些技術(shù)問題是相互矛盾和制約的，例如，主軸轉(zhuǎn)速高，溫升就高，主軸軸承預(yù)負(fù)荷就較低，這樣就減低了剛度，加工精度就會(huì)下降。因此需要根據(jù)機(jī)床的自身狀態(tài)及使用要求來選配主軸單元，這樣做到既能滿足機(jī)床全部功能要求又不會(huì)增加成本。

      3 、數(shù)控化改造的內(nèi)容
   
      3.1 系統(tǒng)的選擇
  
      數(shù)控系統(tǒng)按有無測量裝置可分為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)測量裝置采樣點(diǎn)的位置又可分全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)兩種。（圖 2-圖 4）在做數(shù)控改造時(shí)，根據(jù)機(jī)床的自身狀態(tài)及使用要求來選配數(shù)控系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)床的功能要求選擇相應(yīng)控制系統(tǒng)的類型，做到既能滿足機(jī)床全部功能要求又不會(huì)提高標(biāo)準(zhǔn)增加成本。

      3.2 電機(jī)的選配
  
     確定負(fù)載的性質(zhì)（如水平還是垂直負(fù)載等），轉(zhuǎn)矩、慣量、轉(zhuǎn)速、精度、加減速等要求，上位控制要求（如對端口界面和通訊方面的要求），主要控制方式是位置、轉(zhuǎn)矩還是速度方式。供電電源是直流還是交流電源，電壓范圍。此以確定電機(jī)和配用動(dòng)器或控制器的型號。電機(jī)的選擇應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況而定。

      3.3 試加工驗(yàn)收
   
      機(jī)床精度驗(yàn)收和試切削加工驗(yàn)收。

      3.3.1 機(jī)床精度（表 1）
  

      3.3.2 試切削件加工（表 2）
  

      3.4 人員培訓(xùn)
  
       機(jī)床改造后，需要對使用人員做出專業(yè)培訓(xùn)。因此提前為使用人員設(shè)計(jì)合的操作及安全防護(hù)知識培訓(xùn)十分重要，否則改造后的機(jī)床很難迅速投入生產(chǎn)使用。培訓(xùn)內(nèi)容一般應(yīng)包括操作面板按鈕及指示燈的功能、含義；操作系統(tǒng)的功能范圍、使用方法；維護(hù)保養(yǎng)及安全防護(hù)要求；自動(dòng)化編程和編程標(biāo)準(zhǔn)等等。

       按系統(tǒng)操作編程說明書規(guī)定的各種指令及功能均可正常使用，保證參數(shù)設(shè)定合理。

       4 、結(jié)語
  
       綜上所述，普通機(jī)床是加工行業(yè)普遍使用的設(shè)備之一，在這個(gè)基礎(chǔ)做出的數(shù)控改造，投入較小，改造周期縮短，可以盡快使設(shè)備在生產(chǎn)中創(chuàng)造效益。因此，做好普通機(jī)床設(shè)備的維修和數(shù)控改造工作，按照不同的需求有制定改造解決方案，保障設(shè)備精度，提高壽命，提高加工工藝和加工效率，創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 
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