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1、第6章普通机床的数控化改造 本章概述本章将对普通机床数控化改造的方法和方案选择作一般性的介绍 简单介绍典型开环伺服进给系统的设计计算及机械结构特点 以卧式车床数控化改造为例 详细分析设计步骤 改造方法 介绍数显技术在机械设备改造中的应用 教学目标1 知道数控化改造的优越性 掌握数控化改造的主要内容 理解用微机技术改造普通机床2 知道普通机床数控化改造的过程 3 了解直线感应器 光栅尺和磁尺在机械设备改造中的应用 下一页 第6章普通机床的数控化改造 6 1普通机床数控化改造的方法6 2普通机床数控化改造实例6 3数显技术在机械设备改造中的应用 6 1普通机床数控化改造的方法 数控机床在现代机械加
2、工中起着举足轻重的作用 机床数控化率已成为衡量一个国家工业水平的重要标志 提高机床数控化率有两个途径 一是购买新的数控机床 即更新设备 二是改造旧机床 配置数控系统 把旧机床改造成数控机床 所谓机床的数控化改造是指应用现代的数控成熟技术和经验 以适应生产的具体要求为目的 改变现有机床的结构 给旧机床换上新部件 新装置和新附件 提高现有机床的技术性指标 使之全部或局部达到新数控机床的水平 返回 下一页 6 1普通机床数控化改造的方法 6 1 1机床数控化改造的一般步骤1 明确微机改造的任务和目标在确定机床微机改造的总体方案时 首先要提出明确的技术经济指标 例如 有的是为了解决难加工的曲线曲面 有
3、的是为了提高劳动生产率 有的是为了提高零件加工的一致性等 一般都应有明确的工艺目的 由此确定改造的对象和技术要求 将具体的技术参数用文件形式固定下来 编写出设计任务书 作为设计的原始依据 上一页 返回 下一页 6 1普通机床数控化改造的方法 2 总体方案设计总体方案设计的内容包括 系统运动方式的确定 伺服系统的选择 执行机构的结构及传动方式的确定 计算机系统的选择等内容 应根据设计任务和要求进行调研 查阅技术资料 提出系统的总体方案 并对方案进行分析比较和论证 最后确定总体方案 确定方案时 应仔细地考虑机床与控制部分相互间的各种要求 做出合理的设计 不仅要考虑各种高效能 自动化要求 也要考虑被
4、改造机床的具体条件 使技术的先进性与经济的合理性较好地统一起来 下一页 上一页 返回 6 1普通机床数控化改造的方法 3 设计计算及结构改装根据改造后机床的加工工艺范围 初步选定切削用量 刀具运动路线等 计算切削力及切削功率 从而计算出进给系统需要的功率和力矩等 以选择数控系统及驭动元件 大多数的微机数控装置配用步进电机 也有一些性能要求较高的系统采用直流伺服电机 机床的工作台 或刀架 及其传动机构是机床改造的重点 改造的好坏直接影响到伺服系统的品质 可以说机床的微机改造是从机械部分改造的整体方案人手的 设计时可借鉴数控机床的结构特点及设计要求 随着数控机床的发展 许多数控机床的零配件也已经开
5、始成批生产 形成专门的配套供应 如滚珠丝杠螺母副 车床的自动换刀刀架等目前都有现成产品供应 这给机床改造工作带来很大方便 为防止出错 机械 液压气动回路 软件 接口电路和强电逻辑回路需交叉设计 还应充分注意信号检测元件的安装 连接设计 上一页 下一页 返回 6 1普通机床数控化改造的方法 4 制造 安装 调试制造 安装 调试是改造的关键之一 一般应预先将数控系统 接口电路等脱机运行 机械及液压气动装置也应单独运行 在确定无误后 才能联机调试 调试时应遵循先手动 后自动 先空运行 后试切的原则 调试合格后 要按设计要求进行负荷切削试验和各项精度指标的考核 直至加工出合格的产品为止 然后交车间使用
6、 并协助培训操作和维修人员 设备投产后要及时总结 在可能的条件下 采用更新的技术 进一步完善原设计 上一页 下一页 返回 6 1普通机床数控化改造的方法 机床数控化改造的优越性采用国内外先进工艺 先进技术对旧机床进行改造有以下优点 1 机床改造针对性强 容易适宜生产的要求 因为机床的改造方案是根据原机床中存在的问题提出的 需要改哪些地方 改到什么程度都有的放矢 能与生产紧密结合 可以直接将科学技术转化为生产力 使企业有积极性 2 机床改造可以充分利用原机床的绝大部分 大大节约原材料和资金 同时见效快 改造周期短 可满足生产急需 因为旧机床数控化改造大部分床身 立柱等主要基础件和许多传动部分不须
7、更换 与新机床制造相比只需其1 15一1 10的时间 工期大大缩短 从而节约了成本 解决了生产急需 下一页 上一页 返回 6 1普通机床数控化改造的方法 3 改造后的机床性能稳定可靠 机床应用范围得到扩大 适应多品种 小批量的零件生产 这是因为机床的大型结构件一般是铸铁制成的 而铸铁件年代越久则时效越充分 精度比新铸件更加稳定 改造不需要改变支撑类大型构件 只需修复或更换若干中小型部件就可获得与新机床类似效果 改造后的机床功能有较好的提高 除了保留原有功能外 还可以满足各种复杂型面类零件加工 极大地扩大了机床的应用范围 4 经过数控化改造 可以有效提高工件加工精度和生产效率 因为改造时可根据生
8、产技术的发展要求 及时提高生产设备的自动化水平和效率 提高设备质量和档次 如某单位3 4m的立式车床改造后 加工球体轴承座零件 其2m直径偏差仅为0 035mm 满足了设计要求 并且机床改造后的工作效率提高了5 6倍 上一页 下一页 返回 6 1普通机床数控化改造的方法 5 可以充分发挥企业现有技术力量的作用 调动技术人员的积极性 同时降低对工人技术水平的要求 6 通过数控化改造 可以掌握设备的构造和性能 为企业培养了数控技术人才 在改造期间 通过拆解旧机床 装配新部件等改造过程 间接培养了数控人才 对机床的特性有了较详细的了解 在操作使用和维护方面培训时间短 见效快 6 1 2用微机技术改造
9、普通机床的方案1 用微机技术实现机床简易数控的工作原理采用微机技术实现机床简易数控的装置 主要由单片机 或单板机 控制程序 零件加工程序 马伙动电源装置 收发信板 步进电机等部分组成 在图6 1中表示了经济型数控车床的系统装置枢图 上一页 下一页 返回 6 1普通机床数控化改造的方法 在所示的系统装置中 微控制器在控制程序的控制下 可以使数控系统具有直线插补和圆弧插补加工工件轮廓的功能 具有进给速度控制和快速回零的功能 具有刀具补偿和反向间隙补偿的功能以及其他多种功能 当零件加工程序给出具体的位移尺寸 位移方向和进给速度以后 控制程序就会通过微控制器按照所输人的零件加工程序发出一系列的脉冲信号
10、 经隔离放大以后 分别驭动Z向和X向步进电机 使刀架按照要求的方向 速度 位移量实现纵向和横向运动 从而构成了一个经济型开环数控系统 2 普通机床数控化改造方案的确定原则为了提高机床微机改造的效益 在确定总体方案时需注意下列问题 上一页 下一页 返回 6 1普通机床数控化改造的方法 改造后的数控机床通常适用于加工具有一定批量的相类似零件 使其既有专用机床的特性 又有一定的柔性 因此不要勉强地要求其具备多种功能 否则花费大量的投资 而出现某些功能名义上能实现而实际上不能实现的效果 根据运动的控制情况选择合适的数控系统 点位控制系统适用于钻床 橙床和冲床的改造 直线控制系统适用于直线进给运动的车床
11、 铣床 磨床的改造 轮廊控制系统适用于曲线进给运动的车床 铣床 磨床等机床的改造 另外 数控装置按照驱动系统的控制原理又可分为开环控制 半闭环控制和闭环控制三种形式 在开环控制中 不设位置检测反馈装置 机床的加工精度直接由步进电机的运动精度和机床传动机构的精度来保证 由于开环系统结构简单 可靠性高 成本较低 在工作性能良好的情况下 加工误差可控制在0 02mm以内 精度能满足普通机床的需要 因而在机床改造中 对驱动系统大都选择为开环控制 上一页 下一页 返回 6 1普通机床数控化改造的方法 机床改造范围的大小 应根据机床自身精度及性能来决定装机床的技术状态 对于旧机床可结合机床大 中修理进行
12、时间 机床改造前必须检查被改这样可减少生产上的停机在充分了解机床原结构 性能的基础上 考虑改装的可能性及方便性 尽量保留原有结构 以降低改造的工作量和费用 在设计中尽量采用已经商品化的标准部件和外购元件数控化改造总体方案制定举例某车间加工图6 2所示的多种齿数规格的端面齿离合器 以前是在卧式铣床上利用分度头一个齿一个齿地加工 用这种加工方法 工人操作紧张 劳动强度大 而且一次分度错误则整个零件报废 所以对机床进行数控化改造 使其能自动分度铣削 上一页 下一页 返回 6 1普通机床数控化改造的方法 改造方案如图6 3所示 将分度头安装在纵向工作台面上 分度头主轴倾斜5 以加工出倾针的齿底部 在分
13、度头的手柄轴上加装一步进电机实现自动分度 另外 将纵向工作台手柄拆去 加装步进电机 使用一个车床两坐标数控系统即可实现离合器齿的自动加工 工作时按如下工作循环 纵向工作台快进一工作进给 切齿 一纵向工作台快退一分度头分度一 直至全部齿加工完毕停机 该方案简单易行 改造工作量不大 经实际改造后 机床具有加工同样结构各种齿数离合器的能力 收到了良好的经济效益 上一页 返回 6 2普通机床数控化改造实例 6 2 1卧式车床的数控化改造目前我国机床的拥有量超过了320万台 其中40 以上是车床 多数役龄都很长 用价格较低 性能适宜的经济型数控系统 改造精度要求一般的卧式车床容易实现 经济效果也比较明显
14、 在许多工厂都获得成功 现以C616型卧式车床数控化改造为例作一介绍 1 总体方案设计 1 设计任务利用微机对C616型卧式车床的纵 横向进给系统进行开环控制 纵向脉冲当量为0 Olmm 脉冲 横向脉冲当量为0 005mm 脉冲 马伙动元件采用步进电机 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 使加工实现自动化 下一页 返回 6 2普通机床数控化改造实例 2 总体方案确定根据设计任务 系统应采用连续控制系统 控制系统由微机部分 键盘及显示器 I O接口及光电隔离电路 步进电机功率放大电路等组成 纵向 横向均采用步进电机一减速齿
15、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6 4所示 2 车床改造的结构特点 1 纵向滚珠丝杠纵向滚珠丝杠必须采用三点支承形式 步进电机的布置 可放在丝杠的任一端 由于拆除了进给箱 可在原安装进给箱处布置步进电机和减速齿轮 也可在滚珠丝杠的左端设计一个专用轴承支承座 而在丝杠托架处布置步进电机和减速箱 机床改造常采用后一种布置方案 车床纵向传动结构的布置如图6 5所示 上一页 下一页 返回 6 2普通机床数控化改造实例 在丝杠的左端设计厂一个专用轴承支承座 采用一个轴套式滑动轴承作为径向支承 在滑动轴承的两侧分别布置一对推力球轴承 承受两个方向的轴
16、向力 支承短轴与滚珠丝杠通过联轴套连接起来 滚珠丝杠的右端通过联轴套和减速箱的输出轴连接 在丝杠托架上布置一个轴套式滑动轴承作为径向支承 减速箱固定在丝杠托架上 滚珠丝杠的中间支承为滚珠螺母 其与床鞍直接连接 2 横向滚珠丝杠横向滚珠丝杠也采用三点支承形式 步进电机一般都安装在床鞍的后部 靠近操作者一端 布置一根支承短轴 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承 并对原支承处进行适当改装 布置一对推力球轴承 以实现轴向支承 在远离操作者的一端 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 滚珠螺母直接固定在中滑板上 车床横向传动的支承结构如图6一6所示 上一页 下一页 返回 6 2普通机床数控化改造实例 3 导轨副为减少运动部件移动时的摩擦阻力 尤其是减少静摩擦阻力 床鞍和刀架移动部件的导轨可粘贴摩擦系数低的聚四氟乙烯软带 4 主轴脉冲发生器改造后的简易数控车床需要自动加工螺纹时 可以在主轴后端同轴安装或者异轴安装一个主轴脉冲发生器 作为主轴位置的信号反馈元件 目的是用来检测主轴转角的位置 并且将其变化情况输送给数控装置 使其能按照所
