关于普通机床数控化改造概述3篇
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普通机床数控化改造概述1
【摘 要】本文针对我国现存大量传统机床、旧机床无法满足技术进步和产品革新要求的现状，结合笔者的学习与研究，详细探讨了机床数控化的技术改造，以供有关单位及人员参考。
【关健词】机床;数控化改造;改造方案;机械系统;选型和设计;参数设计;
1 引言
近年来，我国机械制造业得到了很快的发展，提高工业产品的质量及提高生产效率已经非常重要。
在各中、大型制造企业中也有相当数量的传统机床，且50%都是使用超过10年以上的旧机床，数控系统的使用寿命一般在5～10 年，而我国大多数机床都在超期服役。
由于使用时间长，无法满足技术的进步和产品革新的要求。
要解决以上问题，提高企业加工能力和产品竞争力，有两种根本途径: (1) 重新购置数控机床，淘汰旧设备;(2) 对旧设备进行数控改造。
后者与前者相比，更具优势，主要表现在:
(1)交货期短。
尤其是大型机床和特殊专用机床优势更加明显。
一般来讲，改造大型机床能在较短时间内使机床投入生产，而购买新机床周期都在半年到一年时间;
(2)性能更稳定。
各基础件经长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度，各功能部件经长期磨合，功能稳定，可靠性好;
(3) 设计风险小。
新机床设计中带来的技术、方案风险在大修改造中几乎不存在;
(4) 可以更充分地体现用户的意愿。
用户与维修人员可以依照实际需要和机床长期使用情况，在大修改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进(包括增、改)意见，有权选择机械零部件、数控系统等电气设备的规格、型号、性能等;
(5) 更有利于使用与维护。
由于用户、维修人员不仅可以直接参与改造方案的制定，而且可以参与改造的全过程，直接获取各种技术信息，更深入地掌握机床的结构及性能特点，从而增强使用与维修的主动能力;
(6) 可以更快地获取最新的更实用的备件;
(7) 节省大量投资;
(8) 降低投资风险。
2 机床数控化改造技术
(1) 确定改造方案
对改造对象进行全面检查，明确改造目标和改造后机床用途，确定改造方案。
普通机床数控化改造总体步骤如图1 所示。
对于旧数控机床的升级改造，机械系统改造较少，主要是电气控制系统的升级改造，以改变系统老化、备件匮乏带来的故障率高、维修周期长的问题。
(2) 机械系统的改造
普通机床机械系统改造项目多，如图2 所示。
如普通机床往往在铸铁床身上直接加工出导轨，长时间使用出现磨损，影响加工精度，为提高其耐磨性和动、静刚度，可以改造为采用轴承钢淬硬制成导轨，粘贴紧固到铸铁床身上，而后再对粘贴好的导轨进行磨削;改变普通机床繁琐的传动链，采用步进、DC或AC 伺服电动机结合滚珠丝杠副的传动形式，使传动链大大缩短;增加自动换刀装置; 增加分度工作台、回转工作台等辅助功能部件等。
对于旧数控机床的升级改造，如果机械部件性能良好，液压系统、冷却系统、润滑系统等辅助部件性能也都正常，除对机械部件做除锈和清洁保养外，无需做大的更换和修复。
(3) 数控系统的选型和设计
无论普通机床的数控化改造，或是旧数控机床的升级改造，数控系统的选型、设计和安装都是至关重要的核心步骤。
旧数控机床系统较多采用: SINUM /; FANUC
目前，多数早期型号的数控系统的电气备件已经停止供货，改造时，基本不考虑保留老系统，而是根据机床的`现状、产品生产要求、企业资金状况，选择相应的低、中、高档数控系统。
如图3 所示，如果追求品质优越、稳定的数控系统，可选择国外知名品牌的数控系统;国内数控系统也具有性价比高、维修使用成本低的优势，在选用时，建议根据企业所在地区选用。
旧数控系统大部分带有老型号的PLC 逻辑控制系统，在数控系统改造过程中，要考虑新老系统替换时的差别，对PLC 部分输入输出点的数量和性质作出比较精确的估算。
对于外围电路的改造，可采取的方案有两种: ①“接口型改造”，即保留外围继电器电路，只对NC、PLC 进行改造，新PLC 不参与外围电路控制，只处理NC 所需的指令信号。
此方案改造设计、调试工作量较小;② “彻底改造”，在继电器逻辑较复杂、故障率较高、用户又能提供清楚逻辑图的情况下，可用新NC 所带的PLC 将外围电路全部改造，简化了外围电路，又合理利用了PLC 的控制能力。
此方案可大大简化硬件电路，提高可靠性，但改造设计、调试工作量较大。
对于数控系统的改造，还应注意:①要尽量向一个著名厂家的型号系列靠拢，这样既有利于维修和管理，又利于备件的购买，千万不要把企业的数控系统搞成“万国牌”。
②要清楚所选厂家在国内的维修服务状况，以免将来后患无穷。
(4) 伺服驱动系统的选型和设计
如图4 所示，伺服驱动系统的选型和设计主要包括: 主轴伺服系统和进给伺服系统电动机的选择以及配套电机驱动器和主轴变频器的选择。
对于电机驱动器，可选择与数控系统配套的驱动器，如FANUC 本身开发了集成程度很高的多轴驱动器，也可选择市面上的其他品牌驱动器。
在改造过程中，对于状态良好、价值很高的老伺服系统，可采取保留驱动装置和电机的方案，也可采取只保留功率大、价格贵、安装麻烦、状况良好的电机，而更换为新型驱动装置，若保留，还要考虑老伺服系统是否与新数控系统匹配的问题。
(5) 机床测量系统的选型和设计
对于机床测量系统，目前数控系统的要求是增量式脉冲编码输入，所以旧机床所配的感应同步尺或旋转变压器等测量元件均需用增量式脉冲编码器、光栅尺代替。
具体方案是: 旋转变压器基本不能保留，可以采用新型旋转编码器替代; 感应同步器/尺的情况略微复杂，能改掉尽量改掉，用新型HEIDENHAIN光栅尺和圆光栅替代，但在某些场合，如精密转台，会遇到新的圆光栅不能安装的问题，西门子为此提供了感应同步器/尺信号到新系统的转换装置，但该装置价格昂贵，尽量不要选用。
(6) 电柜设计
电柜设计包括的内容如图5 所示。
此外，在旧数控机床的升级改造中，还应遵循以下原则：一是进口数控机床电气柜以及柜内的元器件即使使用了若干年，状态仍会优于国内甚至合资品牌的元器件，所以，改造高档进口数控机床，不建议做大拆大改; 如果电气柜状态比较差，全套更换，在资金允许的情况下，要尽量选择知名品牌。
在改造方案确定初期，就要根据电气改造方案测定所需的电缆长度，凡与数控驱动测量系统直接相关的电缆，只选择原装电缆;但大型主轴电机的电力电缆价格过于昂贵，改造时不考虑原装电缆。
(7) 参数设计及设置
根据改造方案，查阅数控系统、变频器、伺服驱动器说明书，依据机床设计性能，设计、设置、匹配参数。
如图6 示。
(8) 机电联调和精度控制
这是改造能否成功的关键环节。
工程人员在这一阶段完成机电联调、数控系统的最终调试、驱动系统的参数最佳化调节等工作，并为验收做准备。
验收主要包括两项内容：①按照国际标准，不同类型的机床相应的标准试切削程序，进行标准样件试切削; ②对机床精度进行检验，可采用激光干涉仪进行测量，机床位置测量系统的补偿可采用得到的数据，从而提高机床精度。
3 总结
现代制造技术快速发展，高速电主轴、直线滚动导轨、直线电动机、大容量刀库、虚拟技术等广泛应用在数控机床上，机床功能越来越复杂，5 轴加工中心、复合加工设备( 如车、铣、磨集成) 、特种加工设备( 激光、真空电子束、喷涂) 等越来越多。
研究、探索这些数控设备性能特点，在其正常工作阶段充分利用，通过合理的数控改造进一步挖掘其价值，提高设备可靠性，减少维护费用，是随着国内制造业的升级而不断深入的研究课题。
参考文献:
[1]李猛.机床数控技术[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2009.
[2]李猛.数控机床与编程[M].北京: 北京大学出版社,2009.
[3]陈吉红.数控机床电气控制[M].武汉:华中科技出版社,2006.
[4]李皓.17 m 龙门移动式镗铣加工中心技术改造[J].中国设备工程,2008( 9) : 56-57.
普通机床数控化改造概述2
现在，机床的改造尤其是把普通机床改造成经济型数控机床，已经成为了我国广大企业设备投资的重要部分。现将机床改造中要考虑的问题介绍如下。
一、伺服系统的选择
伺服系统是数控机床的重要组成部分，它既是数控系统CNC系统与刀具、主轴间的信息
传递环节，又是能量放大与传递的环节，其性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。伺服系统按控制方式分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三类，在普通机床的数控化改造中，一般选用价格较低的开环控制系统。该系统的执行元件――伺服电机，通常采用步进电机或永磁式交流伺服电机。步进电机是由脉冲数字信号进控制的，每转一转步距误差自动变为零，易于控制，价格最低，选择的关键是对参数进行确定。确定参数的具体方法是：先计算电机的步距角，确定其步距精度，然后再对它的转矩进行选择，最后选定步进电机驱动器。永磁式交流伺服电机常用于进给驱动系统中，容量大，结构简单，运行可靠，效率高，但启动特性欠佳。其选择方法是：先确定电机的额定转速，其次选择负载惯量，然后再确定它的额定转矩，进行电机预选，最后通过进一步的速度、加减速转矩及连续工作转矩的验算检验预选电机是否符合要求。
二、数控系统的选择
数控系统是数控机床的中枢，是最关键的环节。目前，市场上数控系统类型较多，选择时要保证购得最适合的系统，就必须要充分考虑改造中各方面的因素。
1.考虑被改造机床的功能要求
根据机床的功能要求选择数控系统，以使数控系统所具有的功能与准备改造的机床所能达到的功能相匹配。既要避免因片面追求数控系统的高性能指标，而选择了功能远远多于改造机床功能的系统，造成功能过剩、资金浪费。且在一定程度上还可能潜伏数控系统复杂程度的增加带来故障率升高的隐患，又要保证所选数控系统能满足机床全部功能要求。不要出现一些因必须的系统功能短缺，影响其它功能的使用，使机床的优良性能发挥不出来。
2.考虑数控系统的制造厂商
老牌著名跨国公司主要有德国的西门子、日本的发那科和三菱、法国的NVM等，国内主要有华中数控、中国珠峰、北京航天等。目前，进口系统的性能优于国产系统，价格也较高，适用于大型高精度机床。国产系统功能较简单，性能较稳定，价格便宜，对一般车床、铣床已能放心使用，且近几年国产系统也有较大进步，与世界先进技术的差距越来越小。
3.考虑数控系统与其他配件的匹配
如果数控系统和电机及驱动器的品种、牌号太杂，在连接各部件时就可能会出现输入与输出信号的不匹配，及在传送中信号产生滞后等现象。因此，选择时要优先考虑能提供进给伺服系统和主轴驱动的厂家的数控系统。另外，在资金允许的条件下尽量向著名厂家型号系列靠拢。一般著名厂商此类系统零件筛选更严格，制造工艺更规范可靠，性能稳定，能更好地预防电器元件的故障或提前失效引起的设备故障，有利于维修。
三、机床机械部件的改造
1.主传动系统的改造
在对主传动系统进行改造时，应尽量保留原主轴箱齿轮变速换档机构，只把主轴的正转、反转和停转由原来的机械控制变为由数控系统控制。当然，如果为了扩大变速范围，实现加工过程中的自动变速，也可以将原来的单速电机更换为多速电机，这样可以使机床性能更好。但多速电机的功率是随转速的变化而变化的，所以电机功率要大，还要增加一套电机变速系统，改装比较麻烦。对普通机床进行简易数控改造时，最好不要用这种方法。另外，为了使改装后的机床主传动和进给传动保持必然联系，要在主轴箱内安装一个与主轴同步旋转的旋转脉冲编码器。如普通车床改装为数控车床时，在主轴箱内装主轴脉冲编码器，以保证改造后的车床具备螺纹加工的功能。
2.进给传动系统的改造
在对进给传动系统进行改造时，一般应该把原来的进给变速传动装置及操纵机构全部
拆除。而每个方向的进给传动都改成各自独立的功率步进电机，经减速齿轮直接与带动滑板
移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运动，进行各坐标的控制。例如，普通机床的简易化数控改装，通常都是把原来由主轴箱到进给箱的传动路线切断，将溜板箱拆除，直接把齿轮减速箱和功率步进电机安装在纵向丝杠的右端和横向丝杠的外端。在对机床进给传动系统改装的同时，也要对此传动系统中的传动装置元件进行相应的改造。
(1)丝杠。丝杠是将回转运动转换为直线运动的传动装置，改造时，为了满足数控机床上较高精度零件的加工要求，应该用滚珠丝杠螺母副替换原普通机床上的梯形丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副把传动丝杠与螺母之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦，减小摩擦损失，精度保持性传动平稳性，传动效率等都得以提高，其传动效率可达到92%～98%，是普通丝杠螺母副的3倍左右。
(2)拖板。拖板是数控系统直接控制的对象，不论是点位控制、直线控制，还是轮廓控制，被加工零件的最终坐标精度都将受到拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。除拖板及配件精度要高外，由驱动电机到丝杠间的传动齿轮也要采用间隙消除结构，以满足传动精度和灵敏度的要求。常用的消隙方法有刚度调整法和柔性调整法两种：刚性调整法传动刚度较好，结构简单，但调整起来很费时;柔性调整法，一般用弹簧弹力自动消除齿侧间隙，传动刚度较低，传动平稳性差，结构复杂。改造中，可根据机床加工目标选用，选用时可参考有关资料。
(3)机床导轨。为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，应充分考虑机床导轨的耐磨性。当前国内普通机床床身等大件多采用摩擦系数较大的普通铸铁，改造中，在对达不到预定要求的机床导轨进行修磨、刮研后，要在上面贴上耐磨、吸振的聚四氟飞烯软带。
四、刀架的改造
刀架是否需要进行改造，要根据改造后机床的主要加工对象来确定。若采用一把刀即可完成本机床上的加工，就没有必要对刀架进行改造;若需采用多把刀，如普通车床改装后需要三、四把刀才能完成全部车工工序，就必须对刀架部件进行改造，拆掉原手动刀架，装上电气或液压驱动，由数控装置控制的自动刀架。机床的数控化改造要考虑的因素很多，除了上面提到的主要内容外，由于机床控制方式的改变，还要对其进行电气部分的重新设计，机械部分的大修和专项修理、解决调试、安装等多方面的问题。
普通机床数控化改造概述3
摘 要：作为机电一体化的典型产品，数控机床在机械制造中发挥着重大的作用，其具有大幅度提高生产效率，稳定产品加工质量的优势。但许多企业特别是中小型企业对投资巨大的数控设备添置很难承受，成为了其发展数控技术最的大障碍。而进行普通车床的数控化改造，使其操作方便，提高其加工的精度，定位准确可靠，性价比明显提高。解决了中小企业购置新设备难的困境，文章针对普通车床的数控化改造的意义、必要性以及改造的内容等相关问题进行探讨。
关键词：数控车床;数控改造
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1006-8937(2013)12-0073-02
随着科技的飞速发展，机械产品的更新换代也在不断加快。电子技术及计算机技术的不断进步带动了数控机床迅速的发展。但我国目前拥有的数控机床总量并不多，和西方发达国家相比我国机械制造业水平相对落后，技术水平较低，陈旧的设备导致国际竞争力较弱，从而对生产力的发展产生很大的影响。因此，当前我国制造技术发展的趋势应该是逐步提高数控机床的占有率。但价格昂贵的数控机床，让许多企业，特别是中小型企业望而却步。而另一个现实是很多企业都拥有大量的普通机床，对旧机床进行数控化改造，使其成为高效、多功能的数控车床，提高设备的先进性及数控化率，是一个极其有效和实用的途径，也是低成本实现自动化的行之有效的方法，是目前我国机械发展现状下企业的必由之路。
1 数控机床在我国的发展现状
当前，我国虽然机床的产量居世界前列，但国际竞争水平仍然较低。在国内市场对数控机床需求量较大的情况下，却出现国产机床滞销积压的现象，充斥国内市场的是国外机床产品，这必将严重影响我国数控机床的自主发展。究其原因主要是我国开发新产品的周期较长，生产的数控机床在品种、性能以及结构等方面较落后，不能及时的给用户提供需求的满意的产品。
目前我国无论是在产品开发的总周期上，还是产品设计所占的时间比例上与国外相比都存在较大的差距，且新产品多基于直观经验以及类比设计，经常反复试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。
2 普通车床的数控化改造的必要性
我国目前拥有的数控机床总量并不多，多数制造行业及企业的生产、加工装备绝大多数使用的是传统的机床，而且机床的役龄都已经很长，和西方发达国家相比我国机械制造业水平相对落后，技术水平较低，陈旧的设备导致国际竞争力较弱，在国内市场上也同样缺乏竞争力，这必将直接影响企业的效益以及产品市场，影响企业的生存和发展，从而对生产力的发展产生很大的影响。因此，当前我国制造技术发展的趋势应该是逐步提高数控机床的占有率。但价格昂贵的数控机床，让许多企业，特别是中小型企业望而却步。而另一个现实是很多企业都拥有大量的普通机床，对旧机床进行数控化改造，使其成为高效、多功能的数控车床，提高设备的先进性及数控化率，是一个极其有效和实用的途径，也是低成本实现自动化的行之有效的方法，是目前我国机械发展现状下企业的必由之路。所以必须大力提高机床的数控化率。把普通机床改造成数控机床大量实践已经证明普通机的床数控化改造既经济性实用，而且还具有较高的稳定性。当前，将现有机床改造成经济型数控机床是很多企业的积极选择，投资少、见效快，多数企业正是看准了这一点，用较少的资金，将普通机床升级改造为数控机床，给企业带来可观的经济效益。
3 普通机床数控化改造技术
改造方案的确定
在进行普通机床的数控化改造前，要全面对机床进行检查，先要确定机床改造后的用途是什么，也就是明确改造的目标，之后再确定改造的方案，如图1所示。
升级改造旧数控机床，主要是升级改造电气控制系统，其机械系统改造较少，针对故障率高、系统老化、维修周期长等问题进行改造。
改造机械系统
如图2所示，对普通机床进行数控化机械系统改造，其项目较多。为提高普通机床的耐磨性，提高动、静刚度，可采用轴承钢淬硬制成导轨来进行升级改造，这主要是因为普通机床在铸铁床身上直接加工出导轨，在长时间使用的情况下，容易出现磨损，对加工的精度造成严重的影响，改造后，可将导轨粘贴紧固到铸铁床身上，再磨削粘贴好的导轨。为使传动链缩短，对普通机床繁琐的传动链进行改造，增加自动换刀装置，采用步进、DC或者AC伺服电动机相结合滚珠丝杠副的传动形式，增加辅助功能部件，如分度工作台、回转工作台等。改造升级机械部件性能良好的旧机床，除了需要清洁保养机械部件，进行除锈处理外，并不需要做大的修复及更换。
数控系统选型及设计
不管是对旧数控机床进行升级改造，还是对普通机床进行数控化改造，其重要的核心步骤都是数控系统的选型、设计及安装。当前，由于多数已经停止供货早期型号的数控系统的电气备件，在进行改造时，对于老系统基本不考虑保留，如图3所示，一般是根据实际情况，如企业资金状况、机床的现状以及产品生产的要求等，来选择相应的数控系统。
而且，在普通机床的数控系统的改造过程中，要对新老系统替换时的差别进行充分的考虑，还应注意为了便于维修及管理，便于备件的购买，要尽量向一个知名厂家的型号系列进行靠拢，并要对所选厂家在国内的维修服务状况清楚的了解，避免今后带来各方面的麻烦。
总之，随着现代制造技术快速的发展，数控机床的功能越来越复杂，对这些数控设备的性能特点进行仔细的研究，积极进行探索，对旧的机床进行加工升级改造，提高设备可靠性，进一步挖掘其价值，是目前我国机械发展现状下企业的必然选择。