数控机床增加第四轴改造方式的研究探索

数控机床增加第四轴改造方式的研究探索
作者：许鹏飞
来源：《硅谷》2013年第24期
摘要笔者从数控机床功能的简介、增加第四轴的调试等方面系统分析数控机床增加第四轴的改造方案。

改造结果也表明，改造后的四轴联动加工中心的机床性能更加稳定、更加的可靠。

关键词数控机床；第四轴；改造方式
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0132-02
数控机床在承接外加任务的时候，不仅要在数控机床上进行正常的轮廓加工，而且还需要进行曲线、曲面类零件的加工。

曲线等零件的加工子在普通的三坐标上是铣床上是无法完成的，因此，这就需要扩展数控机床的功能，在数控机床上增加第四轴。

和购买四轴数控机床相比，增加第四轴的成本相对来说比较低。

本文即探讨数控机床增加第四轴的改造方式。

1 数控系统功能的简介
数控系统的功能有多种系列，不同的系列其功能各不相同，一般而言，数控系统的功能包括选择功能和基本功能。

其中，基本功能是数控系统必备的功能之一。

对于选择功能，用户可以根据机床的特点和用途，选择相应的选择功能。

数控机床的类型、档次不同，则其功能差异很大，笔者介绍其主要的几种功能。

1.1 控制功能
控制功能是数控系统的主要功能之一。

控制系统中的控制轴可以分为四种，一是移动轴，二是回转轴，三是基本轴，四是附加轴。

控制系统通过轴的联动，就能够完成轮廓轨迹的加工。

一般情况下，数控机床二轴联动就可以满足加工的需要。

三轴联动或者是四轴联动，在编制程序比较复杂的情况下才使用。

1.2 插补功能
在数控系统中，运动轨迹的控制是通过软件的插补功能来实现的。

我们知道，轮廓控制的现实性非常强，通常而言，插补软件的计算速度无法满足数控机床的速度和分辨率要求。

同时，数控系统的功能不断扩展，这也要求其缩短其插补软件的计算时间。

因此，数控系统的插补实际上也就被分成了粗插补和精插补两种。

当前，数控机床硬件采用的是精插补。

1.3 准备功能
数控机床的准备功能，也被称之为G指令代码，应用于指定的数控机床的运动。

它的基本功能有移动、平面选择和固定循环等指令。

对于点位式的数控机床，如起钻床、冲床等，需要点位移动控制系统来完成。

而对于轮廓控制的数控机床，则需要两个或者是两个以上的坐标定位系统进行联动。

1.4 辅助功能
数控机床的辅助功能主要是来控制主轴的转向和启停、刀库的启停、切削液的开关等等。

不同类型的数控系统的辅助功能的差别非常大，而且有很多的自定义系统。

2 增加第四轴的系统设计
2.1 数控圆光栅的功能及其选型
2.1.1 数控圆光栅的功能
数控圆光栅是一种应用广泛的精密圆分度器件，主要的应用领域是数控铣床和数控加工中心。

数控圆光栅和伺服电机或者是单坐标数控系统“联手”，能够高校完成回转坐标的任意角度或者是连续的分度工作，从而完成复杂的曲面加工。

此外，其还可以与机床的数控系统直接相连接，为数控机床增加一个可以联动的回转坐标轴。

数控圆光栅如果安装在数控加工中心，则可以通过气动或者是液压使主轴刹筋或者是松开。

主轴松开后，数控机床通过控制预选的顺序还有伺服电机，能够高效完成一个回转坐标的任意角度分度，或者是连续的分度运动，从而使数控机床高精度开展工作。

2.1.2 数控圆光栅的选型
数控机床在进行外加工时，常常会遇到需要在回转面上对孔加工的情况；此外如箱体类零件，需要在卧式加工中心上加工，但是加工单位有没有该加工设备，情急之下，就在设备上安装一个数控圆光栅，来暂时解决问题。

关于数控圆光栅，分度精度、装夹工件的直径和夹紧力矩等指标是选择数控圆光栅的关键指标。

根据相关的加工精度和工件的质量要求，要达到所要求的精度，圆光栅的分度精度必须控制在合理的范围之内。

笔者经过调查，发现烟台某厂家生产的数控圆光栅较好满足了课题改造所需。

2.2 数控圆光栅的结构设计
2.2.1 数控圆光栅的参数和安装尺寸
数控圆光栅的中心高为160 mm，总的转动比为1：180，最大承载重量为120 kg，总的分度误差在0.2 mm以下。

2.2.2 伺服系统的选型分析
最大转速、分度精度以及加工表面的质量、定位精度等是数控圆光栅的技术指标，这些技术指标都是由伺服系统的动态以及静态性能所决定的，其故障一般情况下也出现在伺服系统上。

该机床在改造完成以后，需要满足以下技术要求。

1）可逆运行。

2）速度范围宽。

3）足够的速度稳定性和转动刚度。

4）高精度。

5）响应快且无超调。

6）在外界的干扰下，其功能的稳定性不受影响。

3 增加第四轴的调试以及试运行
3.1 伺服系统的调试
伺服系统的调试，主要检查的是伺服系统的位误差、实际速度和实际电流这三项。

位置环增益是数控机床运动坐标性能优劣的最为直接的表现，并不能够随意的放大，如果可以对位置环增益进行适当调整，则表示其性能为优。

一般而言，数控系统中的位置伺服系统可分为两部分，一部分是位置环，一部分是速度环。

这也就说是，伺服系统中有速度反馈和位置反馈这两个回路，可根据伺服机电参数手册进行调试。

3.2 机床总体的调试
机床总体的调试指的是在电气、机械方面做出调整和调试。

一方面，要从失控机床设备上做进一步的调整，尽可能多的消除系统之间的缝隙；另一方面，要从电气的参数上做进一步的优化，力争使电气参数与机械设备的参数匹配度达到最优。

1）刚度。

部件的刚度好，则其弹性变形就比较小，由其所组成的传动链条即便是受到干扰，也不容易引起振动，且转动仍然比较灵敏。

在接收到转动的指令后，可立即转动，从而获得比较高的转动精度。

2）间隙。

这里的间隙既包括伺服机构运动时的反向间隙，也包括各个机件之间的连接间隙。

间隙是失动量的一部分，在收到运动指令的几秒内坐标轴是不动的。

3.3 机床总体性能的优化
1）系统参数的优化。

数控系统正常运行之后，要对相应的坐标轴参数进行适当的优化调整，比如速度、增益等，是系统以最佳状态投入运行。

2）机械部分的调整。

对于机床的机械部分，要对其轴间的垂直度、反向间隙和转动系统的精度进行调整，以使系统达到最佳的性能状态。

3）机床精度的补偿。

机床的精度补偿可以分为两部分，一部分是反向间隙补偿，一部分是丝杠螺距补偿。

位置反馈编码器在电机的尾部，半闭环消除了机械传动部分的反向间歇，但丝杠本的间隙依旧存在，把该数值输入到系统中，即可进行自动补偿。

4 结束语
在本文中，笔者系统分析了数控机床增加第四轴后的功能，加装了数控圆光栅，分析了数控机床参数调整的最优方案，较好完成了数控机床的改造工作，从而增加了机床的功能，提高了产品加工的精度。

改造成功后，数控设备每天的开机时间不低于16小时，性能稳定，无故障，经济效益显著。

参考文献
[1]皮智谋，申晓龙.为数控机床增加第四轴的改造[J].机床与液压，2012（4）.
[2]陈金英，牛小铁，石丽娟，等.立式加工中心VDL—1000数控机床增加四轴的研究[J].现代制造技术与装备，2011（3）.
[3]张耀满，于军，王仁德，等.典型数控系统应用技术[M].北京机械工业出版社，2009.。