機床大修與數控化改造
2020-10-4 來源： 南通大學工程訓練中心 作者：金曉明
摘要：普通機床適用于一些常規加工、粗加工以及較低精度加工。由于機床長期運轉或不當操作或缺少必要的維保，使得機床機構可能出現嚴重磨損，降低了加工精度。由于市場的競爭日益激烈，成本、質量、生產率和產量、交貨期，這些因素都決定了需要對機床部分機構進行大修及數控化升級改造，可以提高產品的加工效率和加工精度，同時在原有機床基礎上進行改造可以降低成本、縮短設備升級改造周期。
關鍵詞：普通機床；大修改造；機床精度；數控改造
1 、行業背景和需求
近年來隨著“國之重器”的不斷出現，凸顯出制造業的重要性，而各個制造行業的發展都與機床裝備的發展密切相關。
由于機床長期運轉或不當操作或缺少必要的維保，使得機床機構可能出現嚴重磨損，降低了加工精度。
由于市場的競爭日益激烈，成本、質量、生產率和產量、交貨期，這些因素都決定了數控化升級改造前需要對機床部分機構進行大修，這樣才可以提高產品的加工效率和加工精度，在原有機床基礎上進行改造可以降低成本、縮短設備升級改造周期。
2 、大修改造方案的確定
2.1 技術可行性評估
技術可行性評估是大修和改造的第一步。通常來看，普通機床在數控改造前，大部分都需要進行部件修理，對被改造機床進行結構、性能、精度等技術現狀的全面分析。確定修理的要求、范圍、內容，包括機床原有結構是否合理，基礎部件及結構件是否足以支撐改造等；也要確定因數控改造而需進行機械結構改造的要求、內容。
將普通機床改造成數控機床，要考察各坐標軸的機械傳動結構及導軌副的形式等是否適用；還要確定電氣改造與機械修理、改造之間的時間順序，按照不同的步驟交替進行，縮短改造工期。機械性能的完好是數控改造成功的基礎。測量機床目前的各項精度與出廠精度進行對比，是否存在差距。機床經長期使用或閑置后，在機械、液壓、潤滑、清潔等方面會不同程度地存在問題。
因此根據對現有機床的評估和改造需求，首先要進行全面保養，然后對機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，又可在改造結束時做對比分析用。
2.2 普通機床功能部件
以改造數控車床步驟為例：
①數控系統，方案一、數控系統＋兩軸步進系統：方案二、數控系統＋兩軸伺服系統。
②電動刀架電機的更換。
③控制箱更新：包括低壓電器，變壓器，行程開關等。
④機械部分：1）機械精度恢復：a）重新貼塑；b）導軌磨削：2）機械各部件修復、清理、重裝。
⑤現場整機聯調。
2.3 數控改造方案
X、Y 軸均作數控改造，絲桿換成滾珠絲杠，驅動形式改為步進驅動或伺服驅動，控制系統采用西門子數控系統。如圖 1 所示，電機輸出用同步齒形帶傳動至絲杠，絲杠在一對 NSK 軸承和一只輔助軸承支承下，帶動螺母往復運動，工作臺和刀架均設有雙向限位開關，刀架還配有斷電制動器，2 只電機座鑄造而成。
圖 1 絲杠運動示意圖
2.4 主要部件的選用
2.4.1 進給機構的選用
進給傳動機構的動作過程：是以電機為動力源，由齒輪（帶輪、直聯）傳動傳遞動力帶動絲桿作旋轉運動，絲桿再帶動刀架作進給運動。傳動方式：①齒輪傳動；②帶輪傳動；③直聯傳動。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速，要求高精度，高強度的地方。
本進給傳動結構主要有以下特點：結構簡單，加工方便；體積小巧靈活，安裝方便；運動平穩且保證一定得加工精度；壽命長，安全環保。以電機、傳動機構（齒輪、帶輪、直聯）、絲桿與支撐為主干。絲桿由支撐機構懸掛在床身一側，用內六角圓柱頭螺釘和墊圈將支撐機構固定在床身外側。絲桿以電機為動力源，通過傳動機構傳遞動力帶動絲桿旋轉，絲桿再帶動刀架形成進給運動。
本傳動進給機構可以采用多種傳動方式和多種絲桿支撐方式，針對不同的數控機床采用合理的機構，以保證設計結構簡單合理、運行可靠穩定、進給準確和較高的加工精度。
2.4.2主軸
主軸單元是影響機床性能的最關鍵部件。
因為主軸直接帶動刀具或工件進行切削運動，其轉速和精度直接影響工件的加工精度和生產率。主軸單元的轉速和回轉精度是評價數控機床整體性能的重要指標，是用戶購買機床時所考慮的主要參數。高速主軸單元的性能涉及主軸的設計方法、材料、結構、軸承、潤滑冷卻、溫升、平衡、噪音等多項相關技術。其中一些技術問題是相互矛盾和制約的，例如，主軸轉速高，溫升就高，主軸軸承預負荷就較低，這樣就減低了剛度，加工精度就會下降。因此需要根據機床的自身狀態及使用要求來選配主軸單元，這樣做到既能滿足機床全部功能要求又不會增加成本。
3 、數控化改造的內容
3.1 系統的選擇
數控系統按有無測量裝置可分為開環數控系統和閉環數控系統。閉環數控系統根據測量裝置采樣點的位置又可分全閉環數控系統和半閉環數控系統兩種。（圖 2-圖 4）在做數控改造時，根據機床的自身狀態及使用要求來選配數控系統。根據機床的功能要求選擇相應控制系統的類型，做到既能滿足機床全部功能要求又不會提高標準增加成本。
3.2 電機的選配
確定負載的性質（如水平還是垂直負載等），轉矩、慣量、轉速、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。此以確定電機和配用動器或控制器的型號。電機的選擇應根據具體應用情況而定。
3.3 試加工驗收
機床精度驗收和試切削加工驗收。
3.3.1 機床精度（表 1）
3.3.2 試切削件加工（表 2）
3.4 人員培訓
機床改造后，需要對使用人員做出專業培訓。因此提前為使用人員設計合的操作及安全防護知識培訓十分重要，否則改造后的機床很難迅速投入生產使用。培訓內容一般應包括操作面板按鈕及指示燈的功能、含義；操作系統的功能范圍、使用方法；維護保養及安全防護要求；自動化編程和編程標準等等。
按系統操作編程說明書規定的各種指令及功能均可正常使用，保證參數設定合理。
4 、結語
綜上所述，普通機床是加工行業普遍使用的設備之一，在這個基礎做出的數控改造，投入較小，改造周期縮短，可以盡快使設備在生產中創造效益。因此，做好普通機床設備的維修和數控改造工作，按照不同的需求有制定改造解決方案，保障設備精度，提高壽命，提高加工工藝和加工效率，創造出更多的經濟效益和社會效益。
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