基于普通车床的数控化改造设计

乙乙飞

数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。本文针对目前国内企业现状，提出简易型经济数控改造思路和设计方法供数控技术人员参考。
' n, X8 D8 i  k) V, n2　设计任务与总体方案确定
5 u# J( E  u5 M$ H. ?# [, ?C616车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。察看C616车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体改造方案为：
; O  z; ]# U, u) S1 z2 j* R0 j: U①对机床的改造部位是：拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；主轴后端加一光电编码器用波纹管连接，供加工螺纹使用；
& D9 c/ Y' k2 R' }0 D  d$ s1 R②数控系统选用江苏东方数控新技术公司生产的NIM-9702数控系统；
③驱动系统的设计。由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。
总体改造如图1所示。

图1　C616车床总体改造图
3　机械部分设计
6 z7 H  L7 {& W& A纵向进给机构的改造。拆除原机床的进给箱，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可减小改装现场，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性略优于以前。
横向进给机构改造。保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。
7 E4 a9 L5 o% }/ `' E0 W. S纵、横向进给机构都采用了一级齿轮减速，并用双片齿轮错齿法消除间隙，双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙，因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载较大时，弹簧弹力显得小，起不到自动消除间隙的作用；当负载较小时，弹簧弹力又显得大，则加速齿轮的磨损。为此采用人工定期调整螺钉紧固的办法来消除间隙。
  m, B2 m, W6 f5 m/ N刀架的改造。拆除原刀架和小拖板，换上数控刀架。
! t" |  y  f+ }6 S) s光电编码器与车床主轴之间用弹性元件联结，具体用波纹管联结。
9 R+ p; ?/ K  m+ }* A  }纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩，以保持防尘和机床整体美观。改造后的横向进给系统如图2所示。
$ w3 X' z0 M0 f; g: Y$ A
; G6 b2 B/ m$ t, q# \1 q) n( V图2　横向进给系统图
2 `9 Q2 t/ g! i( c4　数控系统简介及I/O连接
NIM-9702数控系统特点及主要技术指标：
" p( `( {: \* }% y1 D2 D6 h/ q: Z（1）是以单片机为核心的两坐标联动经济型数控系统；
（2）图形跟踪CRT显示；
（3）最小输出增量：X轴0.005，Z轴0.01；
* D0 `; K* [, O) L6 k（4）具有直线、圆弧、螺纹插补和间隙、刀具补偿功能；
（5）程序输入方式：键盘、RS-232C；
NIM-9702数控系统I/0接口主要实现与编码器接口、步进电机控制接口、数控刀架接口和开关量输入输出接口。
* z) ^0 z2 m2 J. H& g' z主轴编码器反馈信号接口。9芯D型插座，接受主轴编码器的头脉冲、码道脉冲，所选编码器每转脉冲应为1200P或2400P。
X轴、Z轴及主轴控制接口。15芯D型插座，用来控制X轴、Z轴步进电机的运动和主轴的转速。
开关量输入输出接口。37芯D型插座，开关量输入输出类型：①冷却液控制口；②辅助输入输出口；③刀架控制信号；④主轴控制信号；⑤主轴换档控制口；⑥超程信号输入口；⑦回零信号输入口。
6 g& y, R$ X/ s5 p- M, HRS-232通讯接口。9芯D型插座，用于连接RS232C接口的计算机或外部设备。
5　驱动系统改造设计
（1）步进电机驱动模块选择及控制设计
5 y6 |& N8 ^3 A$ Q步进电机驱动模块选杭州中达电机厂生产的型号为ZD-HB2068驱动模块，该驱动模块采用恒相流、变脉宽PWM调制、全功率MOS管组成驱动桥，动态性能好，可靠性高，其控制电路设计如图3所示。
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图3　驱动电路
0 T0 a% ^: D7 z图中CP控制脉冲输入（来自于数控系统的工作指令）；CW/CCW旋转方向指令输入，接高电平改变方向；F/H步距角切换指令输入，高电平为1.50；TIM为相原点输出指令端；RES清零端。
（2）主电路设计
5 @$ u. T3 o% R* p主轴变速以及正、反转控制采用变频器调速控制，数控刀架正、反转通过改变电路相序来实现，电路设计如图4所示。

$ ?1 c- x1 O5 F0 Z+ |* B图4　主电路
（3）主控电路设计
* E% T; n& N% `2 X. [主控电路完成数控系统、主轴电机、数控刀架以及驱动系统供电控制。电路设计如图5所示。
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图5　主控电路
该数控车床自改造后投入我校实习工厂以来运行正常，没有出现大的故障，它一方面承担学生数控操作实习，另一方面担任生产加工，对企业普及数控化将具有很大的推动作用。
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