【摘要】數(shù)控機床是多品種小批量生產(chǎn)的高效自動化的技術(shù)群體，它是把多工序加工、切削處理、刀具磨損和測量等各種功能集為一體的自動化機床。我國是世界上機床產(chǎn)量最多的國家，但數(shù)控機床的產(chǎn)品競爭力在國際市場中仍處于較低水平，在目前形式下將一大批閑置的普通機床或是舊數(shù)控系統(tǒng)的機床進行改造、升級，以較小的投入盡快使這批設(shè)備在生產(chǎn)中發(fā)揮效能、創(chuàng)造效益，是許多制造業(yè)企業(yè)正在做的一項工作。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控機床；數(shù)控系統(tǒng)；改造

1.引言

近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)己有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。國內(nèi)市場對數(shù)控機床有大量的需求，目前的現(xiàn)狀是國外機床產(chǎn)品大量充斥著市場，通過生產(chǎn)和進口數(shù)控機床并不能滿足我國日益增長的制造業(yè)需求，而淘汰大型企業(yè)原有的大量普通金屬切削機床不但會造成很大的浪費，而且會因為缺乏資金購買大量的數(shù)控機床來填補淘汰普通金屬切削機床后的機床空缺，造成停產(chǎn)。所以，目前數(shù)控化改造是適應(yīng)我國制造業(yè)迅猛發(fā)展，資金短缺，舊有機床所占比例大的國情所需。進行機床改造可以節(jié)省資金、提高生產(chǎn)效率，使機床性能穩(wěn)定可靠，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，提高企業(yè)效益。

機床的數(shù)控化改造，主要是對原有機床的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)造性的設(shè)計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。本文主要闡述了對普通臥式車床進行的數(shù)控化改造。主要做了以下幾方面的工作：第一，對機床存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)原功能。第二，加數(shù)控系統(tǒng)，改造成數(shù)控機床。第三，為提高精度、效率和自動化程度，對機械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對電氣控制部分進行重新設(shè)計和接線。

2.數(shù)控機床概述

數(shù)控機床是數(shù)字控制機床（Computer num-erical control machine tools）的簡稱，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。數(shù)控機床是機電一體化的典型產(chǎn)品，是集機床、計算機、電動機及控制、電力電子技術(shù)、自動控制、PLC、檢測等技術(shù)為一體的自動化設(shè)備。

數(shù)控系統(tǒng)是所有數(shù)控機床的核心。數(shù)控系統(tǒng)對輸入的加工程序進行數(shù)據(jù)處理，輸出各種信息和指令，控制主軸、進給軸和其他輔助裝置正確、及時和可靠地執(zhí)行加工程序所規(guī)定的任務(wù)。數(shù)控系統(tǒng)一般由輸入/輸出裝置，數(shù)控裝置，驅(qū)動控制裝置，輔助控制裝置四部分組成，機床本體為被控對象。

3.數(shù)控系統(tǒng)的選擇

數(shù)控系統(tǒng)的選擇應(yīng)根據(jù)改造后要達到的精度，各種性能指標(biāo)等選用性價比合適，技術(shù)先進的數(shù)控系統(tǒng)，當(dāng)然還要考慮售后維修服務(wù)的便捷性。數(shù)控系統(tǒng)的選擇主要依據(jù)是數(shù)控化改造后要達到的各種精度，以及驅(qū)動電動機的功率和用戶要求。

目前，市場上生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的廠家很多，比較著名有：國外的如德國的SIEMENS公司，日本的FANUC公司；國內(nèi)的如武漢華中數(shù)控股份有限公司，廣州數(shù)控設(shè)備廠，北京藍天數(shù)控公司。

FANUC數(shù)控系統(tǒng)以其高質(zhì)量、低成本、高性能、較全的功能，適用于各種機床和生產(chǎn)機械等特點，在市場的占有率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他的數(shù)控系統(tǒng)。FANUC數(shù)控系統(tǒng)將控制單元與LCD集成于一體，具有網(wǎng)絡(luò)功能和超高速串行數(shù)據(jù)通信功能。

4.電氣控制電路設(shè)計

在電氣控制系統(tǒng)的改造設(shè)計中，應(yīng)該遵循：在滿足控制要求的前提下，設(shè)計方案要簡單、經(jīng)濟，控制系統(tǒng)操作簡便，使用與維修方便。機床中的主軸電動機，冷卻泵電動機，刀架電動機等控制功能實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制。改造過程中更換同一型號的老化電器元件有變壓器，自動斷路器，接觸器等，主要增加的電氣元件包括主軸編碼器，X/Z軸驅(qū)動器，電動刀架控制器以及必要的控制開關(guān)，繼電器等。改造后拆除原電控箱，原位安裝改造后的電氣柜，最后還需電氣和機修人員共同進行通電調(diào)試。

4.1 主軸電路

改造后的數(shù)控車床主軸采用變頻器驅(qū)動三相交流異步電機實現(xiàn)主軸無級調(diào)速，去除機床原有的主軸變速箱，可以獲得更好的操作性能和切削性能。變頻器采用日本三菱公司的D720型通用變頻器。

4.2 伺服驅(qū)動控制電路

在普通車床的數(shù)控化改造中一般采用步進電動機和交流伺服電機。交流伺服電動機調(diào)速方便，體積小，目前廣泛用于數(shù)控機床的傳動系統(tǒng)。經(jīng)全面考慮，選用FANUC公司的交流伺服電動機作進給驅(qū)動，組成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)在伺服機構(gòu)中裝有角位移檢測裝置——旋轉(zhuǎn)編碼器，通過檢測伺服機構(gòu)的角位移間接檢測移動部件的直線位移，然后反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移值進行比較，用比較后的差值進行控制，直到差值為零。這種伺服機構(gòu)所能達到的精度、速度和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機構(gòu)，一般在大多數(shù)中小型數(shù)控機床使用。

FANUC伺服驅(qū)動部分從硬件結(jié)構(gòu)上分，主要有四個部分：

（1）軸卡：在全數(shù)字伺服控制中，將伺服控制的調(diào)節(jié)方式、數(shù)學(xué)模型甚至脈寬調(diào)制以軟件的形式融入系統(tǒng)軟件中，而硬件支撐采用專用的CPU或DSP等，這些部件最終集成在軸控制卡。軸卡的主要作用是速度控制與位置控制。

（2）放大器：接收軸卡（通過光纜）輸入的光信號轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號，經(jīng)過前級發(fā)達驅(qū)動IGBT模塊輸出電機電流。

（3）伺服電機：放大器輸出的驅(qū)動電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

（4）反饋裝置：由電機軸直連的脈沖編碼器作為半閉環(huán)反饋裝置。

軸卡接口COP10A輸出脈寬調(diào)制指令，并通過FSSB（Fanuc Serial Servo Bus發(fā)那科串行伺服總線）光纜與伺服放大器接口COP10B相連，伺服放大器整形放大后，通過動力線輸出驅(qū)動電流到伺服電機，電機轉(zhuǎn)動后，同軸的編碼器將速度反饋和位置反饋到FSSB總線上，最終回到軸卡上進行處理，如圖1所示。

4.3 刀架控制

數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了機床的設(shè)計和制造技術(shù)水平，對刀架的設(shè)計和控制要求如下：

（1）轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確可靠，工作平穩(wěn)安全。

（2）按最短路線就近選擇，轉(zhuǎn)位時間短。

（3）換刀時間短，刀具重復(fù)定位精度高，刀具存儲量足夠，結(jié)構(gòu)緊湊及安全可靠等。

（4）防水，防屑，密封性能優(yōu)良。

（5）夾緊剛度高，適宜重負(fù)荷切削，回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強度和剛度，以承受機床在切削加工時的切削抗力。

根據(jù)臥式車床的型號和主軸中心高度，選擇自動回轉(zhuǎn)刀架，拆除原手動刀架后裝上自動回轉(zhuǎn)刀架，并用墊板來調(diào)整其中心高。此刀架可實現(xiàn)多刀夾持、自動轉(zhuǎn)位、具有重復(fù)精度高、剛性好、使用壽命長等特點。

5.結(jié)論

該臥式車床改造后，大大提高了加工效率，提高了零件的加工質(zhì)量，節(jié)約了資金，縮短了生產(chǎn)周期，是工廠進行機械設(shè)備技術(shù)化改造的成功案例。

參考文獻

[1]王侃夫.數(shù)控機床控制技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]黃勇，陳子辰.機床數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，2001.

[3]龔仲華.數(shù)控機床故障診斷與維修[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.