1　引言

    數(shù)控機床作為機電一體化的典型產品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結構復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度地提高生產效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控機床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為機床大國，對普通機床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。本文針對目前國內企業(yè)現(xiàn)狀，提出簡易型經濟數(shù)控改造思路和設計方法供數(shù)控技術人員參考。

2　設計任務與總體方案確定

    C616車床主要用于對中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工，這些零件加工工藝要求機床應完成的工作內容有：控制主軸正反轉和實現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速；刀架能實現(xiàn)縱向和橫向的進給運動，并具備在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具；冷卻泵、潤滑泵的啟停；加工螺紋時，應保證主軸轉一轉，刀架移動一個被加工螺紋的螺距或導程。這些工作內容，就是數(shù)控化改造數(shù)控系統(tǒng)控制的對象。察看C616車床及有關資料，并且參照數(shù)控車床的改造經驗，確定總體改造方案為：

    ①對機床的改造部位是：拆掉手動刀架和小拖板裝上數(shù)控刀架；拆掉普通絲桿、光桿進給箱、溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；主軸后端加一光電編碼器用波紋管連接，供加工螺紋使用；
    ②數(shù)控系統(tǒng)選用江蘇東方數(shù)控新技術公司生產的NIM-9702數(shù)控系統(tǒng)；
    ③驅動系統(tǒng)的設計。由于改造設計的是簡易型經濟數(shù)控，所以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足需要的前提下，對于機床盡可能減小改動量，以降低成本。

    總體改造如圖1所示。

圖1　C616車床總體改造圖

3　機械部分設計

    縱向進給機構的改造。拆除原機床的進給箱，利用原機床進給箱的安裝孔和銷孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置，兩端采用原固定方式，這樣可減小改裝現(xiàn)場，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進給整體剛性略優(yōu)于以前。

    橫向進給機構改造。保留原手動機構，用于調整操作，原有的支撐結構也保留，步進電機、齒輪箱體安裝在中拖板的后側。

    縱、橫向進給機構都采用了一級齒輪減速，并用雙片齒輪錯齒法消除間隙，雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙，因為彈簧的彈力很難適應負載的變化情況。當負載較大時，彈簧彈力顯得小，起不到自動消除間隙的作用；當負載較小時，彈簧彈力又顯得大，則加速齒輪的磨損。為此采用人工定期調整螺釘緊固的辦法來消除間隙。

    刀架的改造。拆除原刀架和小拖板，換上數(shù)控刀架。

    光電編碼器與車床主軸之間用彈性元件聯(lián)結，具體用波紋管聯(lián)結。

    縱、橫向齒輪箱和絲杠全部加防護罩，以保持防塵和機床整體美觀。改造后的橫向進給系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　橫向進給系統(tǒng)圖

4　數(shù)控系統(tǒng)簡介及I/O連接

    NIM-9702數(shù)控系統(tǒng)特點及主要技術指標：

    （1）是以單片機為核心的兩坐標聯(lián)動經濟型數(shù)控系統(tǒng)；
    （2）圖形跟蹤CRT顯示；
    （3）最小輸出增量：X軸0.005，Z軸0.01；
    （4）具有直線、圓弧、螺紋插補和間隙、刀具補償功能；
    （5）程序輸入方式：鍵盤、RS-232C；

    NIM-9702數(shù)控系統(tǒng)I/0接口主要實現(xiàn)與編碼器接口、步進電機控制接口、數(shù)控刀架接口和開關量輸入輸出接口。

    主軸編碼器反饋信號接口。9芯D型插座，接受主軸編碼器的頭脈沖、碼道脈沖，所選編碼器每轉脈沖應為1200P或2400P。

    X軸、Z軸及主軸控制接口。15芯D型插座，用來控制X軸、Z軸步進電機的運動和主軸的轉速。

    開關量輸入輸出接口。37芯D型插座，開關量輸入輸出類型：①冷卻液控制口；②輔助輸入輸出口；③刀架控制信號；④主軸控制信號；⑤主軸換檔控制口；⑥超程信號輸入口；⑦回零信號輸入口。

    RS-232通訊接口。9芯D型插座，用于連接RS232C接口的計算機或外部設備。

5　驅動系統(tǒng)改造設計

    （1）步進電機驅動模塊選擇及控制設計

    步進電機驅動模塊選杭州中達電機廠生產的型號為ZD-HB2068驅動模塊，該驅動模塊采用恒相流、變脈寬PWM調制、全功率MOS管組成驅動橋，動態(tài)性能好，可靠性高，其控制電路設計如圖3所示。

圖3　驅動電路

    圖中CP控制脈沖輸入（來自于數(shù)控系統(tǒng)的工作指令）；CW/CCW旋轉方向指令輸入，接高電平改變方向；F/H步距角切換指令輸入，高電平為1.50；TIM為相原點輸出指令端；RES清零端。

    （2）主電路設計

    主軸變速以及正、反轉控制采用變頻器調速控制，數(shù)控刀架正、反轉通過改變電路相序來實現(xiàn)，電路設計如圖4所示。

圖4　主電路

    （3）主控電路設計

    主控電路完成數(shù)控系統(tǒng)、主軸電機、數(shù)控刀架以及驅動系統(tǒng)供電控制。電路設計如圖5所示。

圖5　主控電路

6　結束語

    該數(shù)控車床自改造后投入我校實習工廠以來運行正常，沒有出現(xiàn)大的故障，它一方面承擔學生數(shù)控操作實習，另一方面擔任生產加工，對企業(yè)普及數(shù)控化將具有很大的推動作用。