机械加工中机床数控化改造机电设计和联调.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期39文章编号：2095-6835（2023）19-0039-03机械加工中机床数控化改造机电设计和联调章 浩（南通科技职业学院机电与交通工程学院，江苏 南通 226007）摘要：随着时代的发展，数控技术已经在加工制造业中被广泛应用，将数控技术应用于机械加工能够提升加工效率和精准度。因此，对机械加工所使用的传统机床进行数控化改造具有一定的必要性，但在开展数控化改造过程中，机电设计是其关键内容，相关设计人员不仅要做好设计工作，而且还要开展一些联调工作，使机床数控化改造得以圆满完成。因此，以机械加工中的普通机床为研究对象，对其数控化改造的机电设计的内容进行研究，并对具体的联调措施进行制定，从而为机械加工机床的数控化改造提供支持。关键词：机床；数控化改造；机电设计；联调中图分类号：TG659文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.19.012自改革开放至今，中国机械加工行业得到了迅速发展，但与国外发达国家相比仍存在一定的差距，尤其是在机械加工使用的机床方面，仍以传统老式机床为主要设备开展机械加工，导致中国机械加工的质效受到影响，若要转变这一现状，提升中国机械加工行业的整体竞争实力，必须对当前使用的传统机床进行改造。数控化改造是传统机床改造的主流方向，在开展机床数控化改造过程中，一般可采取的改造方案包括数控装置（CNC）机床改造、检查诊断原机床、更换原机床坏损和老化部件、更换陈旧工艺1。本文研究的机床数控化改造是当前主流的一种改造方案，机电装置作为数控机床的关键装置，需要在开展机床数控化改造时，开展有效的机电设计，并对设计结果进行联调，以保证机床数控化改造的顺利完成，使机械加工的质效得到提升。1机床数控化改造过程中的机电设计本研究所选取的对象是用于机械加工的普通机床，该机床包括导轨、变速箱、尾座、溜板、拖板以及刀架等部件，在对该普通机床进行数控化改造时，应尽量对机床原部件进行利用，一方面对机床的机械结构进行改造设计，另一方面对机床开展电气设计。为了实现机床数控化，需要预先选择数控系统，从而实现真正意义上的数控化，通过人机对话、数字化操作等提升机械加工的质效。1.1机床机械结构的改造设计1.1.1进给系统的整体改造设计普通机床所采用的进给系统主要包括纵向和横向的进给系统及其轴承、步进电机和滚珠丝杠，在对进给系统开展整体改造设计时，需要分别对这些部件进行改造设计。在对纵向给进系统进行设计时，需要明确纵向给进系统主要是由大拖板、刀架、滚珠丝杠等多个部件所构成，在开展机床数控化改造时，需要使用步进电机对滚珠丝杠进行带动，然后带动刀架以及中拖板进行反复移动，通常将步进电机安装在滚珠丝杠的左侧部位，主要是为了便于安装以及日常加工，在对滚珠丝杠进行设计时，必须对其稳定性、刚度、强度进行计算，从而保证机床在运行时滚珠丝杠是稳定可靠的；步进电机方面，纵向给进系统的步进电机主要是将电脉冲信号进行转变，使之形成机械角位移，当使用数控机床对工件进行加工时，由电机对丝杆进行驱动，并使之转动，从而将工作台带动，使之移动，在选用步进电机时，必须对其步距角、传动链精度、静转矩等参数进行考虑2，从而提升数控机床运行的精度；轴承设计方面，对数控机床滚珠丝杠进行支承时，一端采取铰支，而另一端则需要将其固定，如图 1 所示。（a）反装（b）轴向载荷分布示意图图 1轴承的结构设计及轴向荷载分布Fs1Fr1Fs2Fr2Fr2Fs1O1O2QQ2QQ1科技与创新Science and Technology&Innovation402023 年 第 19 期左端使用了角接触球轴承，右端则使用了调心球轴承，这种搭配方式能够满足滚珠丝杠支承需求。在对横向给进系统进行设计时，与纵向给进系统改造设计相比，横向给进系统的改造设计比较简单，其滚珠丝杠也是使用了步进电机，附带小拖板和刀架做横向运动。数控机床在生产加工过程中，必须避免加工时出现的误差，要确保工件的精度以及同轴度能够满足相关要求，可将步进电机安装于大拖板上面，并使用法兰盘进行连接，从而使横向给进系统的稳定性得到提升。横向给进系统在改造设计时，也需要确定滚珠丝杠的型号和寿命，寿命根据寿命系数公式3计算：31500/）（hhLK 式中：Kh为寿命系数；Lh为滚动螺旋副寿命的数值，单位 h。而对于滚珠丝杠型号的选择可依据基本额定载荷进行确定，确定过程中还需要查阅机械工程手册，从而保证确定的滚珠丝杠型号满足数控机床的实际使用需求4；滚珠丝杠的强度可依据第三强度理论来进行设计，即：2312212.034dTdQ式中：Q 为轴向力的数值，单位 N；T 为转矩的数值，单位 Nm。当的情况下，则说明滚珠丝杠具备足够的强度；滚珠丝杠的刚度与稳定性的设计和纵向给进系统对应的设计内容一致。数控机床的横向给进系统使用步进电机进行控制，主要是为了保证刀架能够横向移动，通过光电传感器对电机转动进行控制，并转化电脉冲信号，使之成为数控机床运动过程中的角位移，从而使滚珠丝杠被带动而产生移动。选择横向给进系统的步进电机时，考虑的指标参数与纵向给进系统步进电机考虑的参数相同；轴承设计方面，横向丝杠的两端位置需要其中一端采取浮动支承方式，而另一端采用固定支承方式，因此，在左端可以安装角接触球轴承，在右端则可安装调心球轴承，从而满足支承需求。1.1.2刀架的改造设计为了能够与数控车床的加工形式相符合，在对刀架结构类型进行选择时，可选择自动回转刀架，其优点在于：加工工件过程中，能够在四工位上同时安装车刀；可以实现一次完成多道工序，并实现多形状加工；还可将换刀时间缩减，使数控机床生产效率提升，该刀架的工作原理为螺母升降转换，即通过机床数控系统将换刀指令发送，并对刀架继电器进行控制，使刀架电机实现正转，同时带动刀架使之向上运动并旋转，当刀架向上运动时，会使离合转盘运行，刀架螺杆也会带动刀体转盘正向转动，当转盘达到相应刀号的情况下，电机会反转，并且使刀架回落，在弹簧推动下，刀架销钉会进入到反靠转盘之中，从而实现刀架定位。其工作原理流程图如图 2 所示5。图 2自动回转刀架工作原理流程图1.1.3蜗杆和蜗轮的改造设计在对蜗杆和蜗轮进行改造设计时，需要根据数控机床的改造要求，配置适当的刀架电机，可以采用额定功率为 90 W 的三相异步电机，设置回转刀架转速为30 r/min，从而使刀架转速保持平稳状态。蜗杆以及蜗轮均需严格按照机械基础设计来进行改造设计，设计过程中需要考虑一系列参数，例如，蜗杆设计需要考虑其头数、模数、分度圆直径、轴向齿距、轴向齿厚、直径系数等参数；蜗轮设计则需要考虑蜗轮齿数、模数、分度圆直径、变位系数、喉圆直径、齿根圆直径、喉母圆半径等参数。1.1.4蜗杆轴的改造设计刀架蜗杆是用于蜗轮传递的转矩，是一种减速传动装置，其发挥传动作用主要是依靠蜗杆轴，在对蜗杆轴进行改造设计时，必须计算出蜗杆轴的最小直径和选料，还要对蜗杆轴的每一个轴段尺寸以及形状进行确定，要保证轴上面的零部件便于拆装，依照设计原则，同轴应该使用同型号的轴承，从而便于加工。完成蜗杆轴的改造设计之后，还需要对它进行校核，保证各项参数与要求相符。1.1.5蜗轮轴的改造设计刀架蜗轮轴的作用主要是发挥传递转矩的作用，在刀架转动过程中，该装置能够发挥减速作用，在对该装置进行改造设计时，需要确定其使用材料和许用应力，材料应为钢材，通过正火处理来完成热处理，许用应力则需要通过对蜗轮轴最小直径进行估算来确定，同时，还要对蜗轮轴各轴段的长度以及直径进行确定。Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期411.1.6中心轴的改造设计在开展机械加工时，刀架中心轴主要发挥定位刀架的作用，当刀架在旋转的过程中，会产生弯矩，该弯矩也会作用于中心轴之上，中心轴可以使用空心轴，主要是能够降低改造成本，并且还能够满足刀架对强度的要求，中心轴在校核时，仅需要对中心轴刚度进行校核即可。校核过程中，首先需要对中心轴横截面惯性矩进行确定，惯性矩的公式如下：I=（D4d4）/64式中：I 为惯性矩的数值，单位 cm4；D 为轴外径的数值，单位 cm；d 为轴内径的数值，单位 cm。1.2电气改造设计1.2.1电气控制柜的改造设计数控机床的电气控制柜主要包括数控系统、变频器、布线、变压器及其他电器元件。电器柜安装板必须与侧柜间保留有效间隙，从而便于走线和散热；电气控制柜必须具有一定的安全防护性能，例如，柜内需要配置散热风扇，调控柜内温度，使柜内温度控制在 50 之内；电器元件安装过程中，必须保证 50 V 电器元件与数控装置保持适当距离，以免出现互相干扰；三相电源接线必须与国标相符；柜内布线必须重视整体步距，避免与低压信号线之间产生干扰，尽量节省电线。1.2.2主控电路设计数控机床的电气控制系统是由 CNC、可编程逻辑控制器、伺服系统以及继电器接触器控制系统构成，机床主电路包含 3 部电机，即主轴电机、冷却泵电机以及刀架电机。普通机床的主轴产生下反转是通过电机正反转将其带动的，是通过机床下面开关来进行控制的。改造后，数控机床正转与反转实现了相互转换，通过交流接触器实现通断控制，机床电路图如图 3 所示。图 3机床电路图2机床数控化改造后的联调以上内容是对普通机床开展数控化改造的机电设计，完成机电设计之后，还需要对机电设计的结构进行联调。技术人员必须从机电安装和优化角度出发，对机床数控系统展开参数调整，并形成联调机制，从而合理有序地将数控机床进行改造，提升数控机床的稳定性和可控性，具体包括以下 6 个方面。第一，使用改造后的数控机床进行试切削，需要对电气控制柜、数控系统及其他机电装置上电，观察运行效果，然后再对整个数控机床上电，使机床能够在预设时间之内完成空转，并对检测运行问题进行及时发现，无问题后方可开展机床试加工。第二，依照前期计算的转速范围，开展主轴变速和转速测试，观察机床最低和最高转速的声音以及状态是否达到正常状态，尤其是当机床处于最高转速的情况下，要观察机床是否出现震动，还要观察声音正常与否，观察机床的切削性能正常与否，完成验证后需要做好记录。第三，需要对数控机床几何精度做出检查和调整，保证数控机床合格。具体精度调整内容为：机床床身是否与导轨之间保持水平，可以使用水平仪进行检测，若出现不平，则可对机床地角螺丝进行调整，从而达到水平标准；还要检查横向和纵向滑板移动直线度，可采用百分表进行检测；主轴转动过程中，对径向圆的跳动进行检测，同样可使用百分表来完成。第四，数控机床在对程序进行执行的过程中，需要对导轨与刀架进行定位精度检测，主要检测重复定位精度、导轨平行度、主轴回转定位精度。检测结果中，X轴精度必须达到 0.01mm，Z 轴精度必须达到 0.03 mm。第五，应该对调试程序进行编制，使数控车床双坐标轴快速实现点定位，从而测试数控机床在最小和最大给进速度时，双向滚珠丝杠是否能够达到相应的精度要求，若未能达到，则需及时调整。第六，对数控系统开展参数设定，保证参数的稳定性，若参数不稳定需及时调整；还要对机床辅助功能进行检查。3结束语综上所述，在开展机械加工中，必须促进传统机床升级，对普通机床开展数控化改造，机电设计作为数控化改造的主体，必须保证设计的科学性、稳定性和高效性，不仅需要通过科学计算使设计合理，而且还要采取联调测试，使改造设计后的数控车床能够达到设计目的和相关标准要求，从而提升机械加工的质效。（下转第 45 页）QF53 AAC380 V750 WAC220 V300 WAC24 V100 WAC24 V100 WAC110 V250 W控制变压器QF76A指示灯QF66 A到：伺服电源模块伺服驱动器220A220BAC250 V6A低通滤波器到：继电器数控装置伺服驱动器24 V100照明灯QF106AAC220 VDC24 V开关电源100 V数控装置HNC-21TC3AQF9风扇3 AQF8KA1风扇KA4KM4KM5KM2KM3KA8KA7KA6KA5RC5RC9RC8RC7RC6RC10KM2KM1KM3KM4KM6KM5伺服强电主轴正转冷却电机刀架电机反转刀架电机正转主轴反转Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期45业的限制，以项目引领，组建小团队，训练过程中除进行理论与技能训练外，还进行过程管控、角色扮演、方案交流与决策、企业化实战训练等。训练过程中所用的设备、设计制造的装备完全是生产型的实际产品。对训练过程进行分时段、分项目的全程跟踪、评价、淘汰与更新，实现持续改进，激发学生学习的内生动力。目前创新班已经完成第一学期的基础项目训练，进入第二学期的基于项目驱动的设备关键装置设计和工业机器人编程训练。5结束语通过对以项目为载体、以学生为中心的工业级智能制造综合工程训练平台的建设和实践，锻炼了师资团队，开发了紧密结合专业、企业和行业发展的最新技术、装备和工艺的智能制造工程训练课程，组建了创新训练班，建立了一套“理论课程学习、创新实践训练和科研项目研发”深度融合的“三位一体”人才培养体系，很好地契合了专业认证和新工科教学的要求，为培养智能制造高素质技术技能人才和服务区域企业转型升级提供了实践平台和技术服务平台。参考文献：1陈建，朱鲁闯，王杰，等.新工科背景下工程训练创新实践课程体系研究J.实验科学与技术，2021，19（6）：84-88.2鲍永杰，王永青，钱希兴，等.新工科“以学生为中心”实践探索性教学改革J.实验室科学，2020，23（4）：139-143.3钟登华.新工科建设的内涵与行动J.高等工程教育研究，2017（3）：1-6.4王丽伟，吴静怡，张执南，等.构建面向未来的工程教育体系J.高等工程教育研究，2021（1）：56-66.5马建民，李晓东，刘振东，等.学研产结合推动工程训练中心可持续发展J.实验技术与管理，2021，38（2）：233-236.6上官林建，运红丽.智能制造及虚拟仿真工程训练项目设计与实践J.实验技术与管理，2019，36（8）：211-214.7张永春，冯钧，王刚，等.智能制造与机器人技术实践创新训练中心的建设J.实验技术与管理，2017，34（7）：20-23.8石端伟，廖冬梅，王忠华，等.综合性大学工程训练与创新实践教学体系研究与应用J.实验技术与管理，2019，36（7）：201-205.9曹其新，李翠超，张培艳.中国特色的工程训练教学模式与内容思考J.实验室研究与探索，2016，35（1）：129-131，160.10周峥嵘，管琪明.以“双创”中心建设为契机 全面开创工程训练教学新局面J.实验技术与管理，2017，34（4）：18-20.11张戈，张学军，朱玉平，等.智能制造背景下工程训练中心建设探究J.实验技术与管理，2017，34（2）：209-213.作者简介：李家鹏（1981），男，高级工程师，研究方向为工程训练教学与管理、智能制造技术。通信作者：王好臣（1962），男，教授，研究方向为工程训练教学与管理、智能制造技术。（编辑：丁琳）（上接第 41 页）参考文献：1唐锋.机械零件数控加工工艺与编程综合设计J.科技与创新，2022（16）：59-61.2丁力.高速数控机床在机械加工中的应用分析J.中国科技投资，2022（2）：93-95.3蔡程圆.提高数控机床机械加工效率的策略研究J.中国设备工程，2022（12）：103-105.4梅延东.数控机械机床加工效能的影响因素和提升途径J.造纸装备及材料，2022（4）：87-89.5刘文尚.提高数控机床机械加工效率的方法要点分析J.新型工业化，2022（1）：193-195.作者简介：章浩（1981），男，江苏南通人，硕士，讲师，研究方向为机械设计。（编辑：张超）