摘 要：采用先進(jìn)的數(shù)控車床，已經(jīng)成為當(dāng)今世界制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。把臥式車床改裝成數(shù)控車床，是一條提高機(jī)床數(shù)控化率的具有可行性和經(jīng)濟(jì)性的途徑。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)機(jī)床 數(shù)控化改造 必要性 特點(diǎn) 步驟

隨著制造業(yè)現(xiàn)代化水平的不斷提高，機(jī)床數(shù)控化率相應(yīng)提高。利用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)車床進(jìn)行數(shù)控化改造，對(duì)提高生產(chǎn)效率、保證加工質(zhì)量、進(jìn)一步提高車床設(shè)備的先進(jìn)性，不僅具有可行性，還具有經(jīng)濟(jì)性。本文就車床的數(shù)控化改造談幾點(diǎn)看法。

一、車床數(shù)控化改造的必要性

數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均與計(jì)算機(jī)有關(guān)。

一是數(shù)控機(jī)床可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床不能加工的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。

二是數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，相比傳統(tǒng)機(jī)床效率提高了3～7倍。計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)功能，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來(lái)，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更改一個(gè)程序，就可以實(shí)現(xiàn)另一個(gè)工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批量生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱作實(shí)現(xiàn)了“柔性自動(dòng)化”。

三是數(shù)控機(jī)床加工的零件精度高，尺寸分散度小，裝配容易，不再需要修配。

四是數(shù)控機(jī)床可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減小零件在機(jī)床間的搬運(yùn)頻率。

五是數(shù)控機(jī)床擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而加工可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管。

由于數(shù)控機(jī)床具有以上五大優(yōu)越性，因此大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。

從宏觀上看，大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床的本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過(guò)程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還在產(chǎn)品中開(kāi)發(fā)CAD、CAE、虛擬制造，在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理系統(tǒng)）、CIMS等，在生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)包括人工智能等，最終使得產(chǎn)品在國(guó)際軍品和民品市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。我國(guó)機(jī)床擁有量中數(shù)控機(jī)床的比例（數(shù)控化率）還比較低，因此每年都需進(jìn)口大量機(jī)電產(chǎn)品。這也就從宏觀上再次說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。

二、車床數(shù)控化改造的特點(diǎn)

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，目前我國(guó)車床主要是臥式車床，型號(hào)陳舊，技術(shù)水平落后，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)的發(fā)展。采用先進(jìn)的數(shù)控車床，已經(jīng)成為當(dāng)今世界制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。鑒于國(guó)內(nèi)制造業(yè)中普通機(jī)床的占有率較高，提高車床數(shù)控化率有兩個(gè)可行的途徑，一是購(gòu)置新的數(shù)控車床，二是把臥式車床改裝成數(shù)控車床。

花大量的資金更換全新的數(shù)控車床，給企業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)較大，同時(shí)報(bào)廢大量的普通車床也是很大的浪費(fèi)。因此，各個(gè)企業(yè)可根據(jù)自身的情況，酌情提高車床的數(shù)控化率，可以購(gòu)置一批精度高、性能強(qiáng)的數(shù)控車床，或數(shù)控化改造一批尚有一定精度的臥式車床。

1.臥式車床數(shù)控化改造的特點(diǎn)

（1）車床改造針對(duì)性強(qiáng)，能滿足生產(chǎn)的要求。因?yàn)檐嚧驳母脑旆桨甘歉鶕?jù)原機(jī)床中存在的問(wèn)題提出的，要改哪些地方、改到什么程度都要有的放矢，能與生產(chǎn)結(jié)合，可以直接將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，企業(yè)有積極性。

（2）車床改造可以充分利用原車床的絕大部分零、部件，大大節(jié)約原材料和資金，見(jiàn)效快，改造周期短，可滿足生產(chǎn)急需。因?yàn)榕f車床數(shù)控化改造中，大部分床身、立柱等基礎(chǔ)件和許多傳動(dòng)部分都不需更換，費(fèi)用只有購(gòu)買新車床費(fèi)用的l/15～1/10，工期大大縮短，節(jié)約了成本。

（3）改造后的車床性能穩(wěn)定可靠，車床應(yīng)用范圍得到擴(kuò)大，能適應(yīng)多品種、小批量零件的生產(chǎn)。因?yàn)檐嚧驳拇笮蜆?gòu)件一般是鑄鐵制成的，而鑄鐵件年代越久時(shí)效越充分，精度比新鑄件更加穩(wěn)定。改造不需要改變支撐類大型構(gòu)件，只需修復(fù)或更換中小型部件就可以獲得與新車床類似的效果。改造后的車床功能有較大的提高，除了保有原有功能外，還可以滿足各種復(fù)雜型面類零件的加工要求，擴(kuò)大了車床的應(yīng)用范圍。

（4）經(jīng)過(guò)數(shù)控化改造，可以有效提高工件加工精度和生產(chǎn)效率。改造依據(jù)了生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展要求，及時(shí)提高了生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和效率，提高了設(shè)備質(zhì)量。

（5）可以充分發(fā)揮企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)力量的作用，調(diào)動(dòng)技術(shù)人員的積極性，同時(shí)對(duì)工人技術(shù)水平的要求也不會(huì)太高。

（6）在改造期間，通過(guò)拆解舊車床、裝配新的零部件等改造過(guò)程，間接培養(yǎng)了數(shù)控人才，讓其對(duì)機(jī)床的特性有更詳細(xì)的了解，從而縮短了操作使用和維護(hù)方面的培訓(xùn)時(shí)間，見(jiàn)效快。

2.車床數(shù)控化改造的成效

通過(guò)車床數(shù)控化改造，可以使其具有如下優(yōu)點(diǎn)：可以加工出臥式車床加工不了的曲線、曲面等復(fù)雜零件；可以實(shí)現(xiàn)加工柔性自動(dòng)化，效率比靠凸輪或擋塊等實(shí)現(xiàn)模擬自動(dòng)化的機(jī)床高3.7倍；加工精度高，尺寸分散度小，易于裝配；可實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，提高了加工精度，同時(shí)減小了被加工零件在機(jī)床間的搬運(yùn)頻率；擁有自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)機(jī)床加工工藝中的工序，機(jī)床利用率得以大幅提高；若購(gòu)置一臺(tái)新的數(shù)控機(jī)床，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床價(jià)格也要10萬(wàn)元，進(jìn)口設(shè)備的價(jià)格更高，而對(duì)臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造也能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，改造的成本只要2萬(wàn)～3萬(wàn)元；由于采用了自動(dòng)化加工技術(shù)，可以大大降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少?gòu)U品率，提高工作效率。

三、車床數(shù)控化改造的基本步驟

1.設(shè)計(jì)總體改造方案

數(shù)控機(jī)床由機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)和外圍設(shè)備三部分組成。臥式車床改造的目的是利用數(shù)控系統(tǒng)控制原有車床自動(dòng)完成機(jī)械加工任務(wù)，提高車床的加工精度和生產(chǎn)率。

在考慮經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床改造的具體方案時(shí)，所遵循的原則是，在滿足需要的前提下，對(duì)原有車床盡可能減少改動(dòng)量，以降低改造成本。改造中需要解決的問(wèn)題是：增加數(shù)控裝置，設(shè)計(jì)微機(jī)控制裝置或選用經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控系統(tǒng)；將現(xiàn)有機(jī)械傳動(dòng)的進(jìn)給控制裝置改造成數(shù)控控制的無(wú)級(jí)自動(dòng)變速的進(jìn)給系統(tǒng)；將絲杠換成滾珠絲杠，提高傳動(dòng)精度；把手動(dòng)控制的刀架轉(zhuǎn)位裝置改造成數(shù)控裝置控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架；加裝脈沖編碼器，實(shí)現(xiàn)螺紋的自動(dòng)切削。若對(duì)改造后機(jī)床的要求較高，則要改造主軸，重新設(shè)計(jì)主軸箱，使用主軸伺服電動(dòng)機(jī)或電主軸。

2.數(shù)控化改造項(xiàng)目

（1）控制系統(tǒng)的選定。目前市場(chǎng)上數(shù)控系統(tǒng)的類型比較多，選擇前首先應(yīng)對(duì)擬改造的臥式車床的功能有一個(gè)充分的了解，可按照價(jià)格合理、技術(shù)先進(jìn)、服務(wù)方便的原則選擇微機(jī)系統(tǒng)式數(shù)控系統(tǒng)。若選擇微機(jī)系統(tǒng)，需要完成軟、硬件的設(shè)計(jì)，即要完成X軸、Z軸的進(jìn)給控制。分別完成X、Z向的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)車削端面、外圓、任意錐度圓弧面、球面等加工。為了能夠加工螺紋，配用主軸同步脈沖傳感器，可加工導(dǎo)程在6mm以下的螺紋工件。整個(gè)系統(tǒng)屬于開(kāi)環(huán)控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)力大，成本較低，抗干擾性能強(qiáng)，能很好地滿足生產(chǎn)的需要，但是設(shè)計(jì)工作量大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高。

另外，還可以根據(jù)實(shí)際情況選擇經(jīng)濟(jì)型車床的數(shù)控系統(tǒng)，調(diào)制、安裝簡(jiǎn)單，可靠性較高，價(jià)格較貴。

（2）機(jī)械部分的改造。

①滑動(dòng)導(dǎo)軌副。對(duì)數(shù)控車床來(lái)說(shuō)，導(dǎo)軌除了應(yīng)該具有臥式車床導(dǎo)軌的精度和工藝性外，還要有良好的耐磨性，并減少因摩擦力而致死區(qū)。同時(shí)還要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對(duì)加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤(rùn)滑。一般臥式車床的導(dǎo)軌材料為HT200，機(jī)床改造時(shí)可在原床鞍下滑面經(jīng)機(jī)械加工后貼一層聚四氟乙烯軟帶。聚四氟乙烯軟帶與鑄鐵配合時(shí)，具有良好的減磨性能，動(dòng)摩擦因數(shù)約為鑄鐵的1/8～1/3，能有效地防止機(jī)床的爬行。此外，床鞍與床身、中滑板與小滑板應(yīng)接觸均勻，接觸面積不應(yīng)小于70%，接觸點(diǎn)數(shù)不應(yīng)小于10點(diǎn)/cm2，這是保證加工精度和尺寸一致性的關(guān)鍵之一。

②絲杠傳動(dòng)副。一般數(shù)控車床或數(shù)控系統(tǒng)要求采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，目的是為了提高機(jī)床的進(jìn)給精度，減小傳動(dòng)副的摩擦阻力。根據(jù)JB/T 2886—2008絲杠精度標(biāo)準(zhǔn)可知，滾珠絲杠分為九級(jí)。臥式車床使用的是7級(jí)精度的滑動(dòng)絲杠。將3級(jí)精度的滾珠絲杠與7級(jí)精度的滑動(dòng)絲杠比較，從精度來(lái)講，二者的差異并不大，因此建議選用3級(jí)滾珠絲杠來(lái)替換原有絲杠。這樣的好處是傳動(dòng)速度快，反向靈敏，精度較高，所需轉(zhuǎn)矩小。

③拖板系統(tǒng)。拖板的運(yùn)動(dòng)是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對(duì)象，不論是點(diǎn)位控制還是連續(xù)控制。被加工零件的最后坐標(biāo)精度將受拖板運(yùn)動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響，尤其是用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為拖動(dòng)元件的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)更是如此。因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令僅使拖板運(yùn)動(dòng)，而沒(méi)有位置檢測(cè)和反饋，故實(shí)際移動(dòng)值和系統(tǒng)指令值的差別造成加工誤差。因此，除了床鞍、中滑板（小滑板已被取消）配合精度要求較高外，在傳動(dòng)裝置的布局上還應(yīng)采用減速齒輪箱來(lái)提高傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩和傳動(dòng)精度（分辨率為0.01mm）。

④主軸同步傳感器。主軸同步傳感器的作用就是傳遞信息給數(shù)控裝置，保持主軸的速度和刀架進(jìn)給量一致。安裝時(shí)要求機(jī)床主軸轉(zhuǎn)一圈，傳感器也要轉(zhuǎn)一圈，這樣才能保證發(fā)給數(shù)控裝置的信號(hào)準(zhǔn)確，車削螺紋時(shí)不亂扣。

⑤車刀刀架的改造。將原來(lái)的小滑板拆掉，改用四刀位的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架或盤(pán)式回轉(zhuǎn)刀架，數(shù)控系統(tǒng)最多能控制4～12把車刀，可順時(shí)針連續(xù)換刀。

（作者單位：河南省職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)教研室）