数控机床原理、结构与维修第9章.

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1、第第9 9章章 普通机床 数控化改造 学习目的与要求 n了解机床数控改造的条件和原则； n理解机床数控改造的方向和途径； n了解机床改造的一般步骤； n掌握数控改造主要技术方案的选择 ； n了解车床和铣床的数控改造方法。 学习导引示例 C616型卧式普通车床的数控化改造 n n n目前我国机床的拥有量约为400万台，其中40 以上是车床，而且多数役 龄都很长。采用价格较低、性能适宜的经济型数控系统，容易实现对一般卧 式车床的改造，而且经济效果也比较明显。这种改造方法在许多工厂都已获 得成功。以下通过介绍普通机床数控化改造方法来进行C 6 1 6型卧式车床的 数控化改造，如图9-1所示改造后的车

2、床传动系统。 图9-1 改造后的车床传动系统 n机床的技术改造是以应用新的技术，特别是微电子技术的成就 和先进经验，改变原有机床的结构，装上或更换新部件、新附件 、新装置，或将单台机组成流水线、自动线所采取的技术措施， 以补偿机床的有形磨损和无形磨损。 n9.1.1 机床数控改造的条件 n (1) 机床基础件必须有足够的刚性。数控机床属于高精度机 床，工件或刀具的移动精度要求很高。如果基础件刚性不好则受 力后容易变形，这种变形具有不确定性，无法用数控系统的补偿 机能进行补偿。 n (2) 改造费用合适、经济性好。机床改造费用分为机床与电 气两部分。改造费用与原机床。零件的利用率有关也与采用何

3、种数控系统有关。出于经济上的考虑，目前国内除重型机床和有 特殊要求的机床外，通常均采用功率步进电动机驱动的经济型数 控系统进行机床改造。改造总费用要因用户而异。一般来说，如 果不超过同类规格设备价格的一半，在经济上就算合适。 n 9.1 机床改造概述 n 机床数控改造要遵循针对性、先进适用性、可能性和经济的原则。 n9.1.3 机床数控改造的方向和途径 n 推广应用数控及微机、数显、可编程控制器。静压(静动压)技术改 造机床，重点是改造大型、中型机床，精密、关键技术和在生产中起重 要作用的中小型机床。 n 普通车床、磨床、齿轮加工机床，可采用数控技术及微机加以改造。 加工一定批量的轴、套、盘类

4、零件的小型机床，一般可选用单片机控制 步进电动机的经济型数控系统加以改造。 n 大批量流水线生产的自动线，自动、半自动机床和一些专用、高效精 密机床，可用一位机等组成可编程控制器加以改造。 n 大中型、重型机床改造时重复利用形状复杂、吨位重的基础件，如底 座、工作台、床身、立柱、横梁等，大大缩短改造周期，降低成本费用 。可安装数显装置(感应同步器、光栅等)加以改造。对于需要解决零件 加工定位精度和进给精度的镗床、车床、铣床、磨床、钻床等，一般用 数显技术改造。这在国外已被广泛采用，并取得了良好的效果。 n9.1.2 机床数控改造的原则 运作 n (1) 明确微机改造的任务和目标。 n (2)

5、总体方案设计。 n (3) 设计计算及结构改装。 n (4)绘制机床改装零件图和完成机床数控改造的所有技术资 料。 n (5) 制造、安装、调试。 n （6）设备投产后要及时总结。 n9.1.4 机床数控改造的一般步骤 n 9.2.1 数控改造主要技术方案的选择 n (1) 数控系统:经济型数控系统具有结构简单，操作方便，技术容 易掌握及制造成本低等优点，在中、小型机床数控化改装中应用较 多。只有需要进行轮廓控制的场合，才需选用具有联动功能的数控 系统。例如，改装钻床时，可选用两个控制轴的点位数控系统. n （2）控制方式 :开环系统无位置检测反馈装置，该控制方式投资 少，安装调试方便，因此，

6、适用于精度要求一般的中小型机床改装 。半闭环控制方式控制精度较高，且多以直流、 n 交流伺服电动机为驱动元件，速度也比开环控制方式高，适用于控 制精度要求高的大、中型机床的改装。 n （3）伺服驱动元件 :在机床数控化改装中常用的驱动元件有步进电 动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。 n n 9.2 机床的经济型数控技术改造 三种不同生产类型的生产管理特点 n（4）主运动变速 n 1) 主传动系统:对普通机床进行数控改造时，一般可保留原有的主传 动系统和变速操纵机构。 如果要提高机床的自动化程度，可用双速和四 速电动机代替原机床的主电动机。经济型数控车床加工螺纹或丝杠时， 需配置主轴脉冲发生

7、器作为车床主轴位置信号的反馈元件. n 2) 进给传动系统 经济型数控车床，适用微机控制的步进电动机来执 行机床的进给运动。为使进给传动链最短，步进电动机应与进给运动的 丝杠联接. n3) 自动回转刀架的安装快速准确的换刀是每台数控机床所必须具备的 功能 n(5) 机械系统 n1) 导轨副 在原动导轨上粘接上聚四氟乙烯导轨软带，能有效的防止 爬行，具有自润滑性，提高导轨寿命 . n2) 传动元件 凡希望角位移和实现位移精确转换的场合大多是用滚珠 丝杠副。 n n9.3 C616型卧式普通车床的数控化改造实例 n1. 总体方案设计 n (1) 设计任务。利用微机对 C616型卧式车床的纵、横向进

8、给 系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.0 1 m m，横向脉冲当量为 0.005 m m，驱动元件采用步进电动机。改造后的机床能完成一般 车削及加工任意锥面、球面、螺纹等加工工序，并能控制主轴开停变 速、刀架转位及一些辅助功能。 n(2) 总体方案确定。根据设计任务，系统应采用轮廓控制形式。 控制系统硬件由微机部分、键盘及显示器等组成。纵向、横向均采用 步进电动机一减速齿轮一滚珠丝杠螺母一溜板的传动方式。刀架更换 为四刀位自动回转刀架。改造后的车床传动系统如图9-1所示。 n 2. 机械部分改造设计与计算、 n 机械部分设计内容包括：传动元件的设计计算及选用，运动部 件的惯性计算，步进电动机

9、的选择等。 n 3. 车床改造后的机械结构特点 n n(1) 主传动系统 为保留原有的主传动系统和变速操纵机构 ，保留机床的原有功能，简化改造量，只选择了功率大一些的 电动机。 n(2) 进给传动系统 它包括纵向进给系统、横向进给系统和 导轨副等。 纵向进给系统 拆除原进给箱，在原机床进给箱的位置安 装齿轮箱体，在原丝杠位置安装纵向给滚珠丝杠。纵向滚珠丝 杠采用三点支撑形式。步进电动机的布置，可放在丝杠的一端 。可在滚珠丝杠的左端设计一个专用轴承支撑座，而在丝杠托 架处布置步进电动机和减速箱。车床纵向传动的支撑结构如图 9-5所示。 n图9-5 车床纵向传动的支撑结构 n1、4一推力球轴承 2

10、、1 0一径向滑动轴承 3一左端轴承座 5一左接杆 6、9一联轴套； n 7一滚珠丝杠螺母副 8一螺母座 11一丝杠托架 12一消隙减速箱 13一步进电动机 图9-6 车床横向传动的支撑结构 1一步进电动 机 2一消隙减速箱 3一支撑架 4、5、8一联轴套 6一滚珠丝杠螺母副 7一螺母座 9一支承短轴 n 横向进给系统 横向进给系统的横向滚珠丝杠也采用三点支撑 形式。步进电动机都安装在床鞍的后部。在靠近操作者一端，布置 一根支撑短轴，通过一个联轴套与滚珠丝杠连接起来。利用车床原 横向进给丝杠的滑动轴套作为径向支撑，并对原支撑处进行适当改 装，布置一对推力球轴承，以实现轴向支撑。在远离操作者的一

11、端 ，用一个联轴套和一根连接短轴把滚珠丝杠与减速箱输出轴连接起 来。滚珠螺母直接同定在中滑板上。车床横向传动的支撑结构如图 9-6所示。 导轨副 床鞍和刀架移动部件的导轨上可粘贴摩擦系数低的 聚四氟乙烯软带。 (3) 挂轮箱。拆除原挂轮箱，在此位置安装主轴编码器。同轴安装方式如 图9-7所示，连接方式如图9-8所示。 图9-7 同轴安装方式 图9-8 连接方式 n (4) 安装电动盘。为了提高经济犁数控车床的加工效率，还可考虑安装电 动三爪自定心卡盘装置。这种装置可与数控装置的收发信电路相配合，实现 自动夹紧、松开动作以提高加工过程的自动化程度。 n (5) 自动回转刀架的安装。采用LD4系列

12、电动刀架取代原手动四方刀架， n如图9-9所示。刀架的定位过程如下：系统发生换刀信号刀架 电动机正转刀台上升并转位刀架到位发出信号刀架电动 机反转初定位精定位夹紧刀架电动机停转换刀应答。 刀架的到位信号由刀架定轴上二端的4个霍尔开关和永久磁铁 检测获得。4个霍尔开尔分别为4个刀位的位置，当刀台旋转时 ，带动磁铁一起旋转。当到达规定刀位时，通过霍尔行关输出 到位信号。 n 图9-9 LD4系列电动刀架 n 1一罩壳 2一刀台 3一刀架座 4一刀架电动机 5一霍尔开关 6一永久磁铁 【 实例9-1】 加工双人字槽经济型数控铣床改造实例 n在普通铣床上用常规方法是无法对图9-10所 示人字槽零件进行

13、加工的。普通机床选用了 X62W铣床进行改造。铣床回转盘可用来扩 大机床功能，将铣刀水平装入主轴7：24孔 即可免去繁琐改造垂直方向机构和所需力矩 大等不足，再配上万能铣头等机床附件，使 人字槽的轴类及套类零件的加工更加方便。 图9-10 人字槽零件 2故障诊断与维修的步骤和原则 n铣床经数控改造后，如图9-11所示，不但可对多种系列的轴套类人字 槽配合零件进行加工，而且还可以对其它种类的同种零件进行加工，达 到一机多用的目的。 n 图9-11 改造后的铣床结构 n 1一铣刀 2一分度头 n 3、5、6一步进电动机4一支架 n 2数控系统的选择 n (1) 数控系统类型的选择 系统应具有 编程

14、、空行程、回零、手动、自动、MDI 方式及G功能、M功能、T功能、刀具半径 补偿、平面设定、尖角过渡等功能。选用 了JBK-30M型。 n (2) 主轴驱动及进给驱动的选择及校核 驱动系统的选择可用估算法求其参数。对 机床进行经济型数控改造时，一般仍采用 原机床主传动系统，仍采用原机床主传动 系统. n在使用滚珠丝杠情况下，选用步进电动机，则要根 据能量守恒原理先求出步进电动机输出轴上的启动 力矩： 查步进电动机相数、拍数对应的启动力矩表，如三相六拍 ： / =0.866，则步进电动机最大静矩 = 0.866。 由于其不同的启动转矩对应于不同的频率，选用步进电动 机时，应根据启动所需负载矩频特性曲线中查出允许的最大启 动频率 。工作时只要求启动频率满足下式 在这次X62W铣床改造中，三轴均选用华中理工大学生产的 130BF05A型步进电动机。最大静力矩为18Nm、步矩角0.6 、三相六拍。 虽然分度头所需驱动力矩较小，由计算选用JBF-7型步进 电动机，其最大静力矩为13Nm、步距角0.6。 再 见