普通機床數控化改造設計中關鍵問題的研究

張春娜

普通機床數控化改造設計中關鍵問題的研究

張春娜

(三門峽職業技術學院，河南 三門峽 472000)

隨著中國制造2025強國計劃的持續推進，機電加工設備在各生產領域的應用越來越廣泛，已開始向智能化、自動化方向升級轉型。目前，我國大部分高校和中小生產企業還有擁有大量的傳統機電設備，其中普通機床就是代表性的傳統機電設備之一。隨著科技的發展，傳統結構的普通機床已經難以滿足當下高校的實驗實訓和企業的生產需求，因此針對這類普通機床進行技術升級改造，對于滿足高校的實訓實習需求，促進企業生產效能，降低生產成本，提高經濟效益意義重大。通過分析傳統普通機床數控化改造的內容和要點，針對改造設計過程中的關鍵問題，提出了相應的解決辦法，以期為普通機床的數控化改造提供一定參考。

普通機床；數控化改造；關鍵問題

針對零部件完整、生產年代較近的普通機床進行數控化技術升級改造，不但可以滿足目前大部分高校的實訓實習需求，還可以加快中小企業生產加工設備的更新，推動我國機床行業快速發展。

1　普通機床數控化改造的優勢

普通機床數控化改造后的優勢：①改造后的機床能夠支持多種類型零件輪廓加工作業；②改造后的機床不僅具備較高的自動化程度，還具有較小尺寸分散度，較高的加工精度；③改造后的機床工序更加集中，可實現自動補償，能夠有效降低工作強度。

目前，我國傳統機電設備的保有量較大，種類較多，應用的技術相對落后，因此對普通機床進行數控化改造經濟效益突出，可在保證機床運行穩定、可靠的基礎上，減少后期維修等各項費用[2]。

2　普通機床數控化改造的內容

目前，大部分普通機床數控化改造是經濟性改造，目的是使其能適用于盤類件、螺紋件、回旋體件等零部件的加工。設計人員要結合機床原技術參數和數控化改造后需要達到的定位精度、加工精度以及重復定位精度等來制定改造方案，并做好方案論證工作[3]。普通機床數控化改造流程如圖1所示。

圖1　普通機床數控化改造流程

3　普通機床數控化改造設計中的關鍵問題

3.1　電機的選擇

電機的選擇是普通機床實現數控化改造的關鍵環節，一般選用步進電機和交流伺服電機。步進電機通過脈沖數字信號進行操控，具有操作簡單，價格便宜等優勢，并且每轉一轉相應步距誤差會自動歸零。在進給驅動系統當中，通常選擇交流伺服電機，主要為永磁式交流伺服電機，這類電機結構簡單，運行效率高，可靠性強，但啟動特性欠佳，體積較大[4]。綜上所述，設計人員在選擇電機的過程中要結合實際情況，正確使用公式，準確計算電機參數，完整列出設計步驟[5]。

3.1.1步進電機的選擇步驟

第一步，選擇步距角，公式如下：

目前，市場中的步進電機主要有三種步距角，分別是為0.36°/0.72°(即五相電機)，1.5°/3°(即三相電機)，0.9°/1.8°(即二相與四相電機)。步距角應選擇和計算結果最接近的標準值，若需要進一步細分，可專門在驅動器上進行設置。通常情況下，當電機的相數越小，其負載轉矩也會更小。如果電機負載慣量較大，則會出現較明顯的低頻共振現象，特別在單三拍運行方式下，此類現象更突出[6]。

第二步，選擇步距精度。機床完成數控化改造后都為開環控制系統，在該系統中傳動件定位誤差以及步進電機步距精度都會對系統精度產生直接影響。步進電機產品樣本當中的步距精度主要是指在空載狀態下轉子偏離準確位置的偏移量最大值，屬于靜態誤差。而系統動態誤差是指在頻率出現突變、高頻以及低頻震蕩時實際點位和理論位置所保持的差。在實際運行中，轉子最后運動質量會對加工工件表面精度產生直接影響，具體可通過細分電路進行控制。靜態誤差的計算公式如下：

ΔJ=Δ+Δc+Δf。

式中：Δ代表電機步距誤差；Δc代表傳動件累計誤差；Δf代表摩擦負載所造成的隨機誤差。

第三步，選擇轉矩。轉矩選擇的關鍵是要正確計算最大定轉矩、定位轉矩以及啟動轉矩。首先，要正確計算最大凈賺距(Mmax)，在步進電機運行中，所需轉矩包含空載啟動狀態下折算至電機軸上相應加速度力矩(Mamax)，折算至電機軸上相應摩擦力矩(Mf)，因絲杠預緊造成的折算至電機軸上相應摩擦力矩(M0)，在切削過程中折算至電機軸上相應加速度力矩(Mat)以及折算至電機軸上相應切削負載力矩(Mt)。通常在快速空載啟動過程中，計算所需力矩公式為：M空=Mamax+Mf+M0；在切削過程中，計算所需力矩公式為：Mc=Mat+Mf+M0+Mt；在快速進給情況下，計算所需力矩公式為：Ms=M0+Mf；若在切削中出現Mmax，計算所需力矩仍選擇公式：Mc=Mat+Mf+M0+Mt。其次，選擇定位轉矩。定位轉矩與電源、矩角特性形狀、所要求位置精度等因素相關，若選擇反應式步進電機，在繞組沒有通電的情況下不會產生定位轉矩；若選擇永磁式步進電機，在繞組沒有通電的情況下依舊會有定位轉矩，不過轉矩比較小，也由于定位轉矩值偏低，通常不進行計算。最后，準確計算啟動轉矩。當步進電機在帶動負載運行狀態下，其所需負載轉矩要比最大凈轉矩要小，需結合靜轉矩最大值對啟動轉矩進行推算，也可按照電機說明書當中所述啟動矩頻特性確定啟動頻率，而后得到總摩擦負載(Mm=Mf+M0)，在此基礎上獲得f1[7]。

第四步，選擇步進電機驅動器。此環節的關鍵是要保證所輸入脈沖信號頻率比fmin要小，另外寬度應超過△t，因此要復核f1是否位于fmin范圍內，并考察1/f1是否超過△t?；陔姍C電流的具體情況，所配用驅動器應不小于該電流，若改造設計中有高精度或低振動的要求，可配合使用細分型驅動器，若設計為大轉矩電機，則最好選擇高壓型驅動器。

3.1.2交流伺服電機的的選擇步驟

在選擇交流電機過程中，主要選擇步驟為：開始→計算額定轉速→計算負載慣量→計算額定轉矩→預選電機→開始驗算→計算速度運行參數→確定加速轉矩小于最大轉矩(否則回到開始重新計算)→連續工作轉矩比額定轉矩要小(否則回到開始重新計算)→結束[8]。計算額定轉速(nN)的公式如下：

其中，額定轉速nN≥nmax。計算合理負載慣量的公式如下：

在將具體數值帶入到上述計算公式當中之后，可得出最大轉矩(Mmax)、額定力矩(MN)、額定轉動慣量(JN)、額定轉速(nN)的值，之后可根據這些參數選擇伺服電機，以保證其符合機床的性能要求[9]。

3.2　數控系統的選擇

目前，數控系統的選擇主要存在以下問題：①所選功能不恰當，在設計中所選系統功能要么遠超過改造后機床實際功能，或者沒有升級部分必須的系統功能；②系統與機床不匹配；③數控系統、驅動器、電機品種以及牌號過于雜亂。

綜上所述，選擇數控系統需要遵循以下原則：①結合數控機床類型進行合理選擇，比如考慮對車、磨、銑等類型；②結合數控機床性能指標進行選擇，比如可結合機床支持的刀補數量、最小移動單位等，以保證選擇的數控系統不僅能夠滿足各項性能指標要求，還具有較高性價比；③合理取舍基本功能和選擇功能，若所選系統各項基本功能可以達到要求，可不添加選擇功能；④優先選擇內置PLC，以及可成套提供主軸驅動器和進給伺服系統的數控系統產品。

目前使用最為普遍的數控系統是德國SIEMENS系統和日本FANUC系統，主要應用在高精度、高速以及大型機床當中，我國的數控系統大部分功能簡單，價格低廉，性能較為穩定，多用于經濟型數控機床中。

3.3　電氣控制的規范設計

目前，在進行普通機床數控化改造時，需要徹底改變原機床控制方式，對電氣控制系統進行重新設計和規劃，參考機床說明書進行線路布置和規劃，可確保電氣系統的穩定，也便于后期的管理與維修，而目前大部分說明書存在以下問題：①電路圖不齊全；②未嚴格依據標準繪制電路圖；③電氣元件清單所列元器件不全，型號不符合電路圖要求。

在設計和改造過程中，應嚴格按照標準合理繪制電路圖，最好使用與機床配套的原電氣元件。另外，在不對整體布局產生影響的情況下，最好保持元器件安裝位置不變。電路圖主要有元器件清單、元器件互聯圖、元器件位置圖、控制電路圖、CNC控制回路圖、電氣原理圖、主電路圖等關鍵數據，在電路圖設計過程中，要結合改造之后數控機床特點，先完成主電路圖的設計，注意電源、驅動器、數控裝置等各關鍵部位的設置和連接方式的標注。電氣原理圖包括CNC控制回路圖、元器件互聯圖等，在設計過程中要注意各種元器件的歸類放置，分清CNC的I/0接口、電源節點，注意不同元件所需的工作電壓電流要與頻率相匹配。此外，要保證機床的可靠、穩定運行，還需重視弱電與強電信號線的屏蔽、走線、系統以及機床接地等問題。

4　結語

要使普通機床完成數控化改造后能充分發揮其高精度、高速度、高自動化等優勢，設計人員需要結合機床原技術參數和數控化改造后需要達到的定位精度、加工精度以及重復定位精度等需求，正確選擇參數計算公式，準確計算出關鍵參數，完整列出設計步驟，并做好方案論證工作。在機床改造過程中，還要結合各種先進技術，對舊機床的價值進行充分挖掘，合理解決安裝、調試時遇到的問題，以降低維護和管理費用，提升設備運行的可靠性和穩定性。

[1] 譚進瑜,黃伯志.基于單片機的普通車床數控化改造設計[J].中國設備工程,2017(9):65-66.

[2] 辛宇馳.普通車床數控化改造設計方案探討[J].科學咨詢(科技·管理),2017(1):45-46.

[3] 李海榮.普通車床數控化改造中機械結構的設計[J].機械工程與自動化,2019(1):215-216,279

[4] 劉廷.普通車床數控化改造的探索與設計研究[J].計算機產品與流通,2019(8):124.

[5] 吳承康,高剛毅.普通車床數控化改造中機械結構設計問題的研究[J].中國設備工程,2019(8):57-58.

[6] 鄭祥呈,徐娜.CA6140普通車床的數控化改造設計[J].知識文庫,2018(5):206.

[7] 范豪,黃學榮,唐杰.普通機床數控化改造關鍵技術分析研究[J].林業機械與木工設備,2020,48(5):31-34.

[8] 段穎.經濟型機床機械結構數控化改造研究[J].科技風, 2019(8):145.

[9] 何登豐.筆頭加工車床數控化改造研究[D].金華:浙江師范大學,2017.

Research on the key problems in NC transformation design of general machine Tools

ZHANG Chunna

(Sanmenxia Vocational and Technical College, Sanmenxia, Henan 472000, China)

With the continuous promotion of the "Made in China 2025 Power Plan", the equipment of electromechanical processing has been widely applied in various production fields. It has started to upgrade and transform to the direction of intelligence and automation. Currently, there are still a large number of traditional electromechanical equipment in most universities and small and medium-sized production enterprises in China, among which the ordinary machine tool is one of the representative traditional electromechanical equipment. With the development of science and technology, the traditional structure of ordinary machine tools has been difficult to meet the current needs in experimental training of universities and enterprise production. Therefore, it is of great significance to carry out technical upgrading and transformation of ordinary machine tools with complete parts and recent production age, in order to satisfy the demand for practical training in universities, promote the production efficiency of enterprises, reduce production costs, and improve economic benefits. By analyzing the contents and key points of the NC transformation of traditional ordinary machine tools, the corresponding solutions are proposed for the key problems in the transformation design process, in order to provide some reference for the NC transformation of ordinary machine tools.

common machine tool; numerical control transformation; key problem

TG659

A

2096–8736(2022)06–0049–04

三門峽職業技術學院2022年自然科學類課題《土壤綜合狀況檢測機器人設計與研究》(SZY-2022-006)。

張春娜(1981—)，女，河南靈寶人，碩士研究生，講師，主要研究方向為機械工程。

責任編輯：陽湘暉

英文編輯：吳志立