机床数控化改造现状与设计实例

前言2005年，我国数控金属切削机床生产59639台，进口30746台。

除部分出口外，总消费数量约85000台。

在生产的数控金属切削机床中，经济型数控机床占60%以上（生产的数控机床中经济型数控机床占89%到90%），中档以上的数控金属切削机床不足40%。

2006年，我国机床工业的产值和销售收入保持较高的增长速度，其中数控金属切削机床产量快速增长，全年生产85756台，同比增长32.8%，增幅高于金属切削机床产量增幅的18.4%。

2007年1月至10月我国进口金属加工机床57.06亿美元，其中金属切削机床进口达41.98亿美元，同比减少8.18%，所占比例为73.57%；成形机床进口达15.08亿美元，同比增长5.68%，所占比例为26.43%。

专家认为，目前我国机床市场的需求结构已经发生了很大的变化，数控机床，特别是普及型数控机床将逐步成为市场主体。

国内的机床制造企业在努力开拓高档机床的同时，一定要加速普及型数控机床产业化步伐。

通过生产和进口数控机床并不能满足我国日益增长的制造业需求，而淘汰大型企业原有的大量普通金属切削机床不但会造成很大的浪费，而且会因为缺乏资金购买大量的数控机床来填补淘汰普通金属切削机床后的机床空缺，造成停产。

所以，目前数控化改造是适应我国制造也迅猛发展，资金短缺，旧有机床所占比例大的国情所需。

据调查，现有的与机床数控化改造有关的书籍不多，在网上有关机床数控化改造的问题很多，但是多偏向于一些基本的改造常识和高级的改造技巧方面的问题。

由于机床数控化改造涉及的知识面广，若没有专业知识的支持，改造后的机床在使用中会出现很多问题，进而造成事故；而且数控化改造的市场也会因此变得不规范。

因此，数控化改造的规范化设计改造是非常迎合目前数控化改造市场的需要的。

机床数控化改造主要是针对数控系统，伺服系统，辅助控制系统和液压系统的改造。

由于数控机床本身是机，电，液一体化，结构复杂的产品，因此在改造中是否按照准确的计算方法计算，是否按照规则，要求选择改造方案和元器件类型，是决定改造后机床性能，运行精度，加工质量和可靠性的关键因素。

本书着眼于数控机床改造的具体实例，通过提供详细的计算公式，选择原则和选择方案，进一步说明了数控机床的改造方法。

同时根据已有的改造案例总结改造中出现的问题，并说明相应的改造方法。

第一章机床数控化改造概述1.1 机床数空化改造的必要性1.1.1微观改造的必要性从微观上看，数控机床同传统机床相比有如下突出的优越性，而且优越性都来自数控系统计算机的威力。

1）可以加工传统机床加工不出来的曲线，曲面等复杂的零件。

由于计算机有高超的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。

2）可以实现价格的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3~7倍。

由于计算机具有记忆力和存储能力，可以见输入的程序记住和存储下来，然后按照程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，故被成为实现了“柔性自动化”。

3）加工零件的精度高，尺寸分散小，使装配容易，不需要再“修配”。

4）可以实现多工序的集中，减少零件在机床间频繁搬运。

5）拥有自动报警，自动监控，自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。

由以上五条优越性派生的好处是降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制和生产周期，可对市场需求做出快速反应等。

以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为大的突破。

此外，数控机床还推行FMC （柔性制造单元），FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。

数控技术已成为制造业自动化的核心技术和基础技术。

1.1.2宏观看改造的必要性从宏观上看，20世纪70年代末，80年代初，工业发达的国家的军，民机械工业一开始大规模应用数控技术。

其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军，民机械工业）进行技术改造。

除在制作过程中采用数控技术。

FMC，FMS外，还在产品开发中推行CAD，CAM，CAE，虚拟制造，在生产管理中推行MIS（管理信息系统）,CIMS等，在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。

而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后20年。

如我国机床拥有量中，数控机床的比例（数控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达到20.8%，因此，每年都有大量机电产品进口。

这也是从宏观上说明机床数控化改造的必要性。

1.2数控化改造的工作内容1.2.1数控化改造的内容机床与生产线数控化改造的主要内容有以下几点：1）恢复原功能，对机床，生产线存在的故障部分进行诊断并恢复。

2）NC化。

在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床，CNC机床。

3）翻新。

为提高精度，效率和自动化程度，对机械，电气部分进行翻新，对机械部分从新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新。

4）技术更新或技术创新。

为提高性能或档次，或为了使用新工艺，新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新。

1.2.2 数控化改造的优缺点（1） 减少投资额，交货期短。

同购置新机床相比，一般可节省60%~80%的费用，改造费用低，大型，特殊机床尤其明显。

一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。

但有些特殊情况，如高速主轴，托盘自动交换装置的制作与安装过于费工费钱，往往使成本提高2~3倍，与购置新机床相比，只能节省50%左右。

(2) 力学性能稳定可靠，但结构受限。

旧机床所利用的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是焊接构件，改造后机床性能好，质量高，可以作为新设备使用多年。

但受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。

（3） 熟悉设备，便于操作维修。

购买新设备可能不了解新设备是否满足其加工要求。

改造则不然，可以精确的计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床特性早已了解，在操作使用维修方面培训时间短，见效快，改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。

（4） 可充分利用现有条件。

例如可以充分利用现有地基，不必像购入新设备是那样需重新筑地基。

（5） 可以采用最新控制技术。

可根据技术革新的发展速度，及时提高生产设备的自动化程度和效率，提高设备的质量和档次，将旧机床改成当今水平机床。

1.2.3 数控系统的选择1.数控系统的结构组成数控系统一般由输入/输出装置，数控装置，驱动控制装置，辅助控制装置四部分组成，机床本体为被控对象，如下图所输入输入装置的作用是将信息载体上的数控加工程序输入数控装置。

输入的内容和状态可以通过输出装置观察。

常用的输入/输出装置为操作键盘和CRT 显示器。

数控装置的主要功能是：接收加工程序信息，进行各种数据计算和逻辑判断处理，向驱动控制装置传送各种指令信息。

数控装置将数控加工程序按两类控制量分别输出：一类是连续控制量，送往驱动装置；另一类是离散的开关控制量，送往辅助控制装置从而控制机床各组成部分，实现各种数控功能。

驱动控制装置位于数控装置和机床之间，它接收来自数控系统的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的运动部件，完成指令规定的动作。

这包括进给轴伺服驱动装置和主轴驱动装置。

进给轴伺服驱动装置由位置控制单元，速度控制单元，电动机和测量反馈单元等部分组成，它按照数控装置发出的位置控制命令和速度控制命令正确驱动机床受控部件。

主轴驱动装置主要由速度控制单元控制。

电动机可以是各种步进电机，直流伺服电机或交流伺服电机。

辅助控制装置也位于数控装置和机床之间，接收数控装置发出的开关命令，完成辅助动作。

主要完成机床主轴选速，起停和方向控制功能，换刀功能，工件装夹功能，冷却，液压，气动，润滑系统控制功能和其他机床辅助功能。

2.数控系统的选择数控系统的选择应根据改造后要达到的精度，各种性能指标等选用性价比合适，技术先进的数控系统，当然还要考虑售后维修服务的便捷性。

数控系统所具有的功能要与准备改造的数控机床所能达到的功能相匹配，尽量避免系统功能过剩，在一定程度上还可能潜伏下由于数控系统复杂程度增加而带来的故障率升高的隐患，要特别注意：要尽量向同一厂家的型号系列靠拢，这样既有利于维修和管理，也有利于备件的购买；数控系统的选择主要根据数控化改造后要达到的各种精度，驱动电动机的功率和用户要求。

目前，市场上生产数控系统的厂家很多，国外著名的如德国的SIEMENS公司，日本的FANUC公司；国内的如武汉华中数控股份有限公司，广州数控设备厂。

国内数控系统大体为经济型数控系统，中档数控系统，高档数控系统3种。

经济型数控系统又分为开环和闭环两种。

开环数控系统具有成本低，稳定性好的优点，在控制精度要求不高的机床数控化改造中多被选用。

1.2.4控制系统的选择1.步进电机拖动的开环系统该系统的伺服驱动装置主要是步进电机，功率步进电机，电液脉冲马达等。

由该数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杆副驱动执行部件。

只要控制指令脉冲的数量，频率以及通电顺序，就可以控制执行部件的位移量，速度和转到方向。

这种数控系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统。

该系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。

该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。

2.异步电动机或直流电动机的拖动，光栅测量反馈的闭环系统该系统与开环系统的区别是：由光栅，感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除误差的方向运动，直到给定值与反馈的实际位置的差值等于零为止。

闭环系统在结构上比开环系统复杂，成本也高，对环境温度要求严，设计和调试都比开环系统复杂，但可以获得避开环系统更高的精度，更快的速度，驱动更大功率的特性指标。

在改造过程中，可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。

3.交直流伺服电动机拖动，编码器反馈的半闭环系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。

他只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统低，但是他的结构与调试都较闭环系统简单。

在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电动机作成一个整体时，则无需考虑位置检测装置的安装问题。

具体选择哪种数控系统，主要根据改造后机床达到的各种精度，驱动电动机的功率和用户的要求决定。

1.2.5数控改造中主要部件的改装内容一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦因数小；功率大；便于操作和维修。