数控车床的改造设计

comment
28 views


当前的世界已进入信息时代，科技进步新月异。生产领域和高科技领域中的竞争益加剧，产品技术进步、更新换代的步伐不断加快。现在单件小批量生产的零件已占到机械加工总量的80%以上，而且要求零件的质量更高、精度更高，形状也趋复杂化，这是摆在机床工业面前的一个突出问题。为了解决复杂、精密、单件小批量以及形状多变的零件加工问题，一种新型的机床——数字控制(Numerical control)机床的产生也就是必然的了。此次设计是数控机床主传动系统的设计，其中包括机床的机械传动系统设计，纵向进给运动设计，还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。

第二章 数控系统发展简史1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。

（一）国内数控机床现状

近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。

（二）国内数控机床的特点

1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。

2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。    

2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率 从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。

3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。

 第三章 数控车床主传动系统的特点数控车床主传动系统是指数控机床的工运动传动系统。主运动是机床实现切削的最基本的运动。在切削过程个，主运动为切除丁什毛坯—卜多余的金属提供所需的切削速度和动力，是切削过程中速度最高、消耗功率最多的运动。土运动也是切削加』获得要求的表c币形状所必需的成形运动。    

（一）与普通车床相比，数控车床的土传动系统有以下特点。    

1、所选用数控机床电动机的区别。rI前数控机床的主传动电动机已不再采用普通的交流异步电动机或传统的自流调速电动机，它们已逐渐被新型的交流调速电动机和直流调速电动机所代替。    

2、数控机床转速高，功率大。数控机床和上传动系统能使数控机床进行人功率田削和高速切削，实现高效率加于。    

3、变速范围人。数控机床的主传动系统要求有较人的凋速范围，—股R。，loo，以保证加』—时能选／g合理的切削用量，从而获得最佳的芍；产申．加工精度和袁l面质量。    

4、 数控机床主轴速度的变换迅速、可靠。数控机床的变速是按照摔制指令自动进行的．因此变速必须适应门动操作的要求。目前直流利交流主轴电动机的调速系统日趋完善，不仪能方便地实现宽范围的尤级变速，而且减少丁中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。

（二）数控车床主轴变速方式

目前，主传动系统大致可分为以下大类。

1.带有变速齿轮的主传动

如图3-1a）所示，通过少数几对齿轮降速，以满足主轴低速时对扭矩特性的要求。数控机床在交流或直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位大都采用液压缸和拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。

2.通过带传动的主传动

如图3-1b）所示，这种传动主要应用在小型数控机床上，由交流电机通过V带直接带动主轴。这种传动方式可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，但只能适用于低扭矩特性要求的主轴。

3.调速电机直接驱动的主传动

如图3-1c）所示，这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴影响较大。

（三）主轴组件

数控车床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精度，影响工件的加工精度；它的功率大小与回转速度，影响加工效率；它的自动变速、准停、换刀等，影响机床的自动化程度。因此，要求主轴部件具有与本机床工作性能相适应的高的回转精度、刚度、抗振性、耐磨性和低的温升；在结构上，必须很好地解决刀具或工件的装夹、轴承的配置、轴承间隙调整、润滑密封等问题。

1、 主轴组件的类型

主轴组件按运动方式可分为五类:

（1）只作旋转运动的主轴组件。此类主轴结构较为简单，如车床、铣床和磨床等的主轴组件。

（2）既有旋转运动又有轴向进给运动的主轴组件。如钻床和镗床等的主轴组件。其主轴组件与轴承装在套筒内，主轴在套筒内作旋转主运动，套筒在主轴箱的导向孔内作直线进给运动。

（3）既有旋转运动又有轴向调整移动的主轴组件。如滚齿机、部分立式铣床等的主轴组件。主轴在套筒内作旋转主运动，并可根据需要随主轴套筒一起作轴向调整移动。

（4）既有旋转运动又有径向进给运动的主轴组件。如卧式镗床的平旋盘主轴部件、组合机床的镗孔车端面头主轴组件。主轴作旋转运动时，装在主轴前端平旋盘上的径向  块可带动刀具作径向进给运动。

（5）主轴作旋转运动又作行星运动的主轴组件。

（四）主轴

主轴是主轴组件的重要组成部分。它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及热处理等，对主轴组件的工作性能有很大的影响。主轴结构随主轴系统设计要求的不同而有多种形式。

主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨度。评价和考虑主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。

1. 主轴直径    

主轴直径越大，其刚性越高，但轴承和轴上其它零件的尺寸也相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也就越大，要保证主轴的旋转精度就越困难，同时极限转速也下降。

2. 主轴内孔直径    

主轴内孔用来通过棒料，用于通过刀具夹紧装置固定刀具以及传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，可通过的棒料直径就越大，机床的使用范围就越宽，同时主轴部件也越轻。主轴孔径大小主要受主轴刚度的制约。当主轴的孔径与主轴直径之比小于0.3时，空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；为0.5时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%；大于0.7时，空心主轴的刚度急剧下降。

3. 悬伸长度    

主轴的悬伸长度与主轴前端结构的形状尺寸、前轴承的类型和组合方式以及轴承的润滑与密封有关。主轴的悬伸长度对主轴的刚度影响很大，主轴悬伸长度越短，其刚度越好。

4. 主轴的支承跨距   

主轴组件的支承跨距对主轴本身的刚度都有很大的影响。

主轴的轴端用于安装夹具和刀具，要求夹具和刀具在轴端定位精度高，定位刚度好，装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。

（五）主轴轴承

主轴轴承也是主轴组件的重要组成部分，应根据数控机床的规格、精度采用不同的主轴轴承。一般中、小规格的数控机床（如车床、铣床、钻镗床、加工中心、磨床等）的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承，重型数控机床采用液体静压轴承，高精度数控机床（如坐标磨床）采用气体静压轴承，转速达（2～10）×104r/min的主轴可采用磁力轴承或氮化硅材料的陶瓷滚珠轴承。

第四章 主轴组件的润滑与密封主轴组件的润滑与密封是使用和维护过程中值得重视的问题。良好的润滑效果可以降低轴承的工作温度，延长其使用寿命。密封不仅要防止灰尘、屑末和切削液进入，还要防止润滑油的泄漏。

（一）主轴润滑

数控机床主轴的转速高，为减少主轴发热，必须改善轴承的润滑方式。润滑的作用是在摩擦副表面形成一层薄油膜，以减少摩擦发热。在数控机床上的润滑一般采用高级油脂封入方式润滑，每加一次油脂可以使用7～10年。也有用油气润滑，除在轴承中加入少量润滑油外，还引入压缩空气，使滚动体上包有油膜起到润滑作用，再用空气循环冷却。

（二）主轴的密封

主轴的密封有接触式和非接触式两种。

几种非接触密封的形式如图3-2所示。图3-2a)是利用轴承盖与轴的间隙密封，在轴承盖的孔内开槽是为了提高密封效果；这种密封用于工作环境比较清洁的油脂润滑处。图3-2b)是在螺母的外圆上开锯齿形环槽，当油向外流时，靠主轴转动的离心力把油沿斜面甩到端盖的空腔内，油液再流回箱内。图3-2c)是迷宫式密封的结构，在切屑多、灰尘大的工作环境下可获得可靠的密封效果；这种结构适用于油脂或油液润滑的密封。

接触式密封主要有油毡圈和耐油橡胶密封圈密封两种。

第五章 主轴的准停主轴准停功能又称主轴定位功能（spindle specified position stop）,即当主轴停止时能控制其停于固定位置。它是自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削的转矩通常是通过刀杆的端面键传递的。这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能，如图3-3所示。

主轴准停可分为机械准停和电气准停。

机械准停采用机械凸轮等机构和光电盘方式进行初定位，然后由定位销（液压或气动）插入主轴上的销孔或销槽完成定位，换刀后定位销退出，主轴才可旋转。采用此方法定向比较可靠、准确，但结构复杂。

电气准停有磁传感器准停、编码器型准停和数控系统准停。常用的磁传感器准停装置如图3-4所示，它是在主轴上安装一个发磁体，使之与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹1～2mm处固定一个磁传感器。磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接，当主轴需要定向准停时，便控制主轴停止在调整好的位置上。

第六章 数控车床的进给运动系统

（一）概述

数控车床进给运动系统，尤其是轮廓控制的进给运动系统，必须对进给运动的位置和运动的速度两个方面同时实现自动控制，与普通机床相比，要求其进给系统有较高的定位精度和良好的动态响应特性。一个典型数控机床闭环控制的进给系统，通常由位置比较放大单元、驱动单元、机械传动装置及检测反馈元件等几部分组成。这里所说的机械传动装置是指将驱动源的旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、转动变移动的丝杠螺母副及导向元件等等。为确保数控机床进给系统的传动精度、灵敏度和工作的稳定性，对机械部分设计总的要求是消除间隙，减少摩擦，减少运动惯量，提高传动精度和刚度。另外，进给系统的负载变化较大，响应特性要求很高，故对刚度、惯量匹配都有很高的要求。

为了满足上述要求，数控机床一般采用低摩擦的传动副，如减摩滑动导轨、滚动导轨及静压导轨、滚珠丝杠等；保证传动元件的加工精度，采用合理的预紧、合理的支承形式以提高传动系统的刚度；选用最佳降速比，以提高机床的分辨率，并使系统折算到驱动轴上的惯量减少；尽量消除传动间隙，减少反向死区误差，提高位移精度等。

（二）电机与丝杠之间的联接

数控车床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求。实现进给驱动的电机主要有三种：步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。目前，步进电机只适应用于经济型数控机床，直流伺服电机在我国正广泛使用，交流伺服电机作为比较理想的驱动元件已成为发展趋势。数控机床的进给系统当采用不同的驱动元件时，其进给机构可能会有所不同。电机与丝杠间的联接主要有三种形式，如图3-5所示。

1．带有齿轮传动的进给运动

数控车床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求，如图3-5a）所示。由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求，总存在着一定的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽量减小齿轮侧隙。但这种联接形式的机械结构比较复杂。

2．经同步带轮传动的进给运动

如图3-5b）所示，这种联接形式的机械结构比较简单。同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适于低扭矩特性要求的场所。安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂。

3．电机通过联轴器直接与丝杠联接

如图3-5c）所示，此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中，普遍采用这种联接形式。

(三）滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置，在数控机床上得到了广泛的应用。它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。

1、 滚珠丝杠螺母副工作原理

滚珠丝杠螺母副工作原理，如图3-6所示。图中丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，当它们对合起来就形成了螺旋滚道。在滚道内装有滚珠，当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个地又滚回到丝杠与螺母之间，构成一个闭合的回路。

2、滚珠丝杠螺母副结构

滚珠丝杠的螺纹滚道法向截面有单圆弧和双圆弧两种不同的形状，如图3-7所示(a)为单圆弧、b)为双圆弧)。其中单圆弧工艺简单，双圆弧性能较好。

3、滚珠的循环方式

滚珠循环方式分为外循环和内循环两种方式。

（1） 外循环

滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠间重新进入循环。如图3-8a）所示为插管式，它用弯管作为返回管道，这种形式结构工艺性好，但由于管道突出于螺母体外，径向尺寸较大。如图3-8b）所示为螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种形式的结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。

（2）内循环  

这种循环靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道,使滚珠成单圈环, 如图3-9所示,滚珠从螺纹滚道进入反向器,借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道,实现循环。一般一个螺母上装有2～4个反向器，反向器沿螺母圆周等分分布。其优点是径向尺寸紧凑，刚性好，因其返回滚道较短，摩擦损失小。缺点是反向器加工困难。

 (四)滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整

滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和丝杠的刚度，必须消除轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。

常用的螺母丝杠消除间隙方法有：

1、垫片调隙式。如图3-10所示，调整垫片厚度使左右两螺母不能相对旋转，只产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。这种方式结构简单，刚性好，调整时需要卸下调整垫圈修磨，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。

2、螺纹调隙式。如图3-11所示，滚珠丝杠左右两螺母副以平键与外套相联，用平键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，只要拧动圆螺母1即可消除间隙并产生预紧力，然后用螺母2锁紧。这种调整方法具有结构简单、工作可靠、调整方便的优点，但预紧量不很准确。

3、齿差调隙式。如图3-12所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为z1和z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量。例如，z1=81，z2=80，滚珠丝杠的导程为t=6mm时，s=6/6480≈0.001mm。这种调整方法能精确调整预紧量，调整方便、可靠，但结构尺寸较大，多用于高精度的传动。

4、单螺母变位螺距预加负荷。如图3-13所示，它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间使用螺纹滚道在轴向产生一个△L0的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。这种调隙方法结构简单，但负荷量须预先设定且不能改变。

(五)滚珠丝杠的支承方式

数控车床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座、丝杠端部的轴承及其支承加工的不精确性和它们在受力后的过量变形，都会给进给系统的传动刚度带来影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配合，并应保证孔对端面的垂直度，螺母座应增加适当的肋板，并加大螺母座和机床结合部件的面积，以提高螺母座的局部刚度和接触刚度。滚珠丝杠的不正确及支承结构的刚度不足，会使滚珠丝杠的寿命大大下降。因此要注意轴承的选用和组合，尤其是轴向刚度要求较高，为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及其支承方式是十分重要的。常用的支承方式有下列几种，如图3-14所示。

1、一端装止推轴承（固定-自由式）。这种安装方式如图3-14a）所示。其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠，如用于数控机床的调整环节或升降台式数控机床的垂直坐标中。

2、一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定-支承式）  这种安装方式如图3-14b）所示。当滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减小丝杠热变的影响，止推轴承的安装位置应远离热源（如液压马达）。

3、两端装止推轴承。这种安装方式如图3-14c）所示。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。

4、两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定-固定式）。这种安装方式如图3-14d）所示。为了提高刚度，

丝杠两端采用双重支承，如止推轴承

和深沟球轴承，并施加预紧拉力。这

种结构形式，可使丝杠的热变形能转

化为止推轴承的预紧力。

(六)制动装置

由于滚珠丝杠副的传动效率高，无

自锁作用，故必须装有制动装置（特别

是滚珠丝杠处于垂直传动时）。

图3-15所示为数控卧式铣镗床主轴箱进给丝杠的制动装置示意图。当机床工作时，电磁铁线圈通电吸住压弹簧，打开摩擦离合器。此时步时电动机受控制系统的指令脉冲后，通过液压转矩放大器及减速齿轮，带动滚珠丝杠转动，主轴铁线圈亦同时断电，在弹簧作用下摩擦离合器压紧，使得滚珠丝杠不能自由转动，主轴箱就不会因自重而下沉了。超越离合器也可用作滚珠丝杠的制动装置。

（七）滚珠丝杠的保护

滚珠丝杠副可用润滑来提高耐磨性及传动效率。润滑剂分为润滑油及润滑脂两大类。润滑油用机油、90～180号透平油或140号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油通过壳体上的油孔注入螺母空间内。

滚珠丝杠副和其它滚动摩擦的传动元件，只要避免磨料微粒及化学活性物质进入，就可以认为这些元件几乎是不产生磨损的情况下工作的。但如果在滚道上落入脏物，或使用肮脏的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运转，而且使磨损急剧增加。

通常采用毛毡圈对螺母副进行密封，毛毡圈的厚度为螺距的2～3倍，而且内孔做成螺纹的形状，使之紧密地包住丝杠，并装入螺母或套筒两端的槽孔内。密封圈除了采用柔软的毛毡之外，还可以采用耐油橡胶或尼龙材料。由于密封圈和丝杠直接接触，因此防尘效果较好，但也增加了滚珠丝杠螺母副的摩擦阻力矩。为了避免这种摩擦阻力矩，可以采用由较硬塑料制成的非接触式迷宫密封圈，内孔做成与丝杠螺纹滚道相反的形状，并留有一定的间隙。

对于暴露在外面的丝杠，一般采用螺旋刚带、伸缩套筒、锥形套筒以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩，以防止尘埃和磨粒粘附到丝杠表面。除与导轨的防护罩相似外，这几种防护罩一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。

第七章 机床数控化改造的必要性  

（一）微观看改造的必要性

从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。   

1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。    

2 、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了"柔性自动化"。    

3、 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要"修配"。    

4、可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。    

5、 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。    

6、 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少   了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。   

（二）宏观看改造的必要性

从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已达20.8％，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。

数控化改造的市场空间，机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如："在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个"永恒"的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出：    

1．国内的市场

我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6％。我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。    

2. 进口设备和生产线的数控化改造市场

我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从1979～1988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。

这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。

这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。

（三）车床改造的效益分析

提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点：    

1、 减少了投资和交货的期限   

同购置新的数控机床相比，一般可以节省60%到80%的费用，改造的费用大大减低。    

2、机械的稳定性可靠   

机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。    

3、熟悉了解设备结构性能，便于操作维修，购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。    

4、可以充分利用现有的条件      

可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。    

5、可更好的因地制宜合理筛选功能     

购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。    

6、可及时采用最新技术，充分利用社会资源   

由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。  

第八章 车床的数控改造

（一）数控车床工作原理及组成

1. 数控车床工作原理：

数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。    

2.数控机床的组成：

数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1

    （二）设计内容及任务

普通车床的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计、电磁离合器的设计计算。

本设计任务是对卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01 /脉冲，横向最小运动单位0.005 /脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。    

（三）数控部分的设计改造    

1、数控系统运动方式的确定

数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于C618车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。    

2、伺服进给系统的设计改造    

数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。

闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。

半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。

开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。

经过上序比较，由于所改造的C618车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。    

3、数控系统的硬件电路设计   

数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。

数控装置的设计方案通常有：   

（l） 可以全部自己设计制作

（2） 可以采用单板机或STD模块或工控机改制

（3） 可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动

 在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。第二种则更加不经济。所以不课程设计将采取第三钟方案。

（四）机械改造部分的设计    

1、主传动部分的改造设计
 将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。    

2、进给机构的改造

将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。

3、其它部件的改造    

刀架部分：拆除原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动机刀架，该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等优点。