数控机床改造

第1篇：数控机床改造

机床数控化改造

制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量。我国制造业水平与发达国家相比，总体水平偏低，为改变这种落后状况，必须提高制造业的装备水平，特别是机床的数控化率。购置数控机床是提高数控化率的途径，对旧机床进行数控化改造，也是提高机床数控化率的重要途径之一。机床数控化改造，是在机床上增加数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。它是根据生产实际需要提出，并随着机床行业以及技术的不断进步而发展起来的，它的内容是应用成熟的数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，对现有机床的局部结构进行改造，并安装新部件、新装置、新附件，用计算机控制机床的工作，提高机床的技术性能指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。

1　数控化改造的内容

机床数控化改造时指以可使用的普通旧机床作为毛坯，通过改造手段将其改造为具有数控机床功能的、且与同类新数控机床性能相近的数控机床，其改造的主要内容如下：

1.1精度的恢复和机械传动部分的改进

随着机床使用年数的增加，机床的机械传动部件，如导轨、丝杠、轴承等都有不同程度的磨损。因此，机床改造过程中首要任务是对旧机床进行类似于通常的机床大修，以恢复机床精度，达到新机床的制造标准。但是机床数控化后对机床精度的要求与普通机床的大修是有区别的，即整个机床精度的恢复与机械传动部分的改进，都要为满足数控机床的结构特点和数控自动化加工的要求来进行。数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统分别采用交、直流主轴电动机和伺服电动机驱动。这两类电动机调速范围大，并可无极减速，因此使主轴箱、进給变速箱及其传动系统大为简化。由电动机直接连接主轴或滚珠丝杠。目前数控机床进给系统中常用的机械传动装置主要有滚珠丝杠副、静压蜗杆蜗母条和预加载荷双齿轮齿条三种。机床采用的导轨是新材料低摩擦因数的导轨，如滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。另外，在机床上还要加一些辅助装置，如冷却系统、空气过滤器、自动换刀装置、排屑装置等。

1.2选定数控系统

根据要进行数控化改造机床的控制要求，选择合适的数控系统是至关重要的。选择时，除了考虑各项功能满足要求外，还一定要确保系统工作可靠性。一般以性能价格比来选取，并适当考虑售后服务和故障维修等有关情况。如选用企业内已有数控机床中相同型号的数控系统，对今后操作、编程、维修等都带来较大的方便。伺服驱动系统的选取，也按改造数控机床的性能要求决定。若采用同一家公司配套供应的数控系统和伺服驱动系统，改造产品的质量和维修更容易得到保证。

当前生产数控系统的公司比较多，国外的公司如SIEMENS公司、FANUC公司、国内的公司如广州数控GSK公司、华中数控系统有限公司等。一般，进口系统较国产系统性能稳定，但价格昂贵，将其用于机床改造，有些得不偿失。国产系统在目前市场上有各种经济型和标准型数控系统供应。其中，经济型数控系统具有结构简单，操作方便，技术易于掌握及制造成本低等优点，系统性能相对较差，可靠性不高；另外，随着生产而后技术的不断发展，标准型数控系统制造成本越来越低，售价也在不断降低，所以在系统选择上一般可以考虑国产标准型数控系统，例如广州数控体贴或华中数控系统。

在选择数控系统时，应了解系统的控制轴数，特别是联动轴数。因为这与数控系统的价格有直接关系。对只需点位控制的机床，就不要求控制联动轴，只需要进行轮廓控制的场合，才需要选用有联动功能的系统。例如，改造钻床时，可选两个控制轴的点位控制系统，不要求两轴联动；改装车床时，则需要两轴联动；改装要加工空间曲面的铣床时，则需要三轴联动。

1.3伺服系统设计

伺服系统分为开环、半闭环和闭环系统三种。开环控制系统主要由驱动控制单元、执行元件和机床组成。闭环伺服驱动由执行元件、驱动控制单元、机床以及反馈检测单元、比较控制环节组成。在普通机床的数控化改造中一般采用步进电动机和交流伺服电动机。交流伺服电动机调速方便，体积小，目前广泛用于数控机床的传动系统。与步进电动机相比，其精度高、价格昂贵，考虑到改造本身是经济型改造，因此一般选用步进电动机作为驱动装置。检测反馈单元一般用光栅、脉冲编码器等。在选择驱动装置时，一定要考虑其运转性能与电动机的匹配，同时也要考虑其接口数据与数控装置接口数据的匹配。目前国内外的数控系统产家，都开发了和自己系统配套的驱动器，如广州数控适配DA98系列驱动器，华中适配HSV系列驱动器，FANUC(发那科)本身开发了集成程度很高的多轴驱动器，所以一般优先考虑配套的驱动器。

1.4电气系统的改造设计

在进行机床数控化改造时，原机床的电气控制部分一般只能报废，重新按数控化改造要求进行设计制作。数控机床的强电控制部分设计中要特别注意的是，数控系统各接口信号的特点和形式要相配，并且在设计过程中应尽量简化强电控制线路。

在电气控制系统的改造设计中，应该遵循：机床在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单、经济，不宜盲目追求自动化和高指标，力求控制系统操作简单、车床使用与维修方便。机床中的主轴电动机、冷却泵电动机、刀架电动机等均需系统自动控制。数控机床中电气控制系统除了对机床辅助运动和辅助动作控制外，还包括对保护开关、各种行程、极限开关的控制，以及在操作盘上所有按键、操作指示灯等的控制。改造后的电气控制系统，不仅保留了机床传统控制系统的优点，同时具有体积小、功能强、通用性和灵活性强、使用维护方便等特点。

1.5整机联接调试

旧机床上述各个部件的改造过程完成后，就可对组装后改造机床各个部件进行调试。一般先对电气控制部分进行调试，看单个动作是否正常，然后再进入联机调试阶段。

2　结语

由于机床数控化改造有多种方案，机床类型不同，改造的内容也不同，所以上述机床改造内容并非一成不变，而要根据实际情况选取合适的方式，以使普通机床数控化改造后的性能与新的同类数控机床相近或相同。另外，在机床数控化改造完成后，还应注意培训数控机床的操作人员和编程人员，以使改造后的数控机床能够尽快发挥作用。

作者：杜金凤

第2篇：普通机床数控化改造

摘要：伴随当代社会生产力不断发展，传统的继电器控制系统早已满足不了现在高速发展的社会现代化生产要求，进行数控化的更改后，能够大大地提升进给精度与重复定位，提升劳动效率，提高经济效益。

关键词：数控化;PLC;卧式车床

1  机械部分的改造

为了更好地表现数控系统的性能有优势，确保更改后的机床在数控系统操作环境中无爬行的微机进给，定位精度的精确，长寿命的使用以及机械部都作了如下改动。

普通车床上使用的是手动卡盘。现进行改造，为了达到方便和自动化目的，把卡盘改造成气动卡盘（如图1）。利用气阀控制卡盘的松紧，气动回路有单向阀，达到卡盘能自锁。

传统机床和数控机床的主运动方式都要求有相对宽阔的变速范围（1～16）来确保加工过程中切速的合理选择，进而使表面质量和生产效率得到提升，因此，对主轴变速箱进行改造。

无论是连续控制还是点位控制，拖板运动的灵敏度、精度以及稳定性都将直接影响到被加工零部件的最终坐标精度。所以，要求拖板和配件的精度要高之外，还要满足灵敏度及传动精度的要求。

采取减速齿轮箱来提升传动精度和传动扭矩（分辨率0.01mm）。传动比计算公式为：

式1中：α为伺服电机步距角（度）;p为丝杠螺距，mm;δ为脉冲当量。

选取滚珠丝杠替代原滑动丝杠，减少功率输出，提升传动的灵敏性以及减少步进电机力矩损失。

自动刀架不仅可以用于数控机床微机控制元件，还可以替代普通车床手动刀架，选用自动刀架来完成一台机床一次装夹的多工序加工，由于其具有较高的重复定位精度，加上刀架体积小，所以适合用于强力车削且安全性高。

将原有拖板箱的位置拆除来安装新拖板箱，并将新的拖板箱固定于滚珠丝杠螺母上。同时将走刀箱和挂轮箱的位置拆除，用于安装拖板轴向伺服元件功率步进电机、减速箱以及控制螺纹加工的主轴脉冲编码器。将机床原有的变向杠、操纵杆和立轴等杠杆零件拆除，使得数控系统能够控制机床的启动和停机，保持机床外型美观、合理。

2  电动机的选择

2.1 主轴交流伺服电机

选取型号为1HP6167-4CB4的SIMODRIVE系列交流主轴电机，连续负载PH/kW=14.5，间歇负载（60%）/kW=17.5kW，短时负载（20min）/kW=19.25kW，额定负载n=5000r·min-1，最大转速nmax=8000r·min-1，额定转矩277N·m，惯性矩0.206/kg·m2。

2.2 纵向步进电机的选择

机床执行一个进给脉冲所产生的进给量称为脉冲当量，用来衡量加工精度的重要技术参数。所以根据机床精度的要求来确定脉冲当量，YUCY6150B的定位精度为±0.015mm，因此选用的脉冲当量为0.01～0.005mm/脉冲。（见表1、图2）

2.3 横向步进电机的选择

初取型号为：110BYG5602的横向步进电機（见表2、图3）

2.4 交流接触器的选择

在这次控制系统硬件的设计中，采用了TeSys系列的交流接触器，按照所对应的电机和其工作参数如电压U、电流I、功率P、频率F及工作制等设定接触器的额定参数。额定电流要是1～1.4倍控制电流（或经验公式2PN 选取，PN为电动机功率），选取型号为：LC1-D09F7C的交流接触器，线圈电压110V。

2.5 中间继电器选择

它是用于自动控制系统和继电保护，增加接触点的容量和数目， 用来传输控制电路的中间信号。选取型号为JZ7-44的中间继电器。

2.6 保护电器选择

当电流超过规定值时，可以将熔断器自身保险丝熔断并断开。它是根据电流值超过规定电流，过段时间后，用它自己发生热量熔化熔体，使电路断开的电气设备，一个电流保护器就是由这一原理制成的。选取型号为：RL1-15/6的熔断器，其电流为电机额定电流的1.5～2.5倍。

考虑受保护对象的使用环境、工作条件、过载能力、负载特性等因素。例如，热继电器的设定值可以等于电动机的额定电流的0.95～1.05倍，或热继电器设定电流的值等于电动机的额定电流，然后调整。选取型号为：LRD-01C的热继电器，设定电流为：0.14A。

3  PLC工作原理和选择

PLC可编程控制器采用圆形扫描模式，在可编程控制器中，用户程序以存储、中央处理器的指令从第一指令开始执行，直到遇到结束，然后返回到第一指令，如此周而复始的不断循环。PLC的扫描过程如图4。可编程控制器分为输入采样、用户程序执行和输出刷新这样的三个阶段。以上所述的三个阶段叫做一个扫描周期。

可编程控制器的选择主要来自于可编程控制器的型号、容量、输入/输出模块、电源模块、特殊功能模块、通信网络能力等方面的考虑。（见表3）

综合考虑，选取型号为FX1S-30MR-001的可编程序控制器，输入＼输出总点数为30，输入点数INPUT为16，输出点数OUTPUT为14，继电器输出，可以满足设计的要求。

由车床原理，做出I/O 口分配可以知道。做出PLC的输入、输出I/O电气接线图，如图5。

4  结束语

本文主要讲述将普通车床改造升级为数控机床，很大程度上提高了劳动生产的效率，带来可观的经济效益。PLC控制系统的改造更是使机床各项性能都得到了提升与改善，使机床的维修和检查带来方便，也节省了原来机床的大量空间，实现了机床的启动、刀具快速移动、定位精确、加工、冷却等一系列的功能，把计算机技术、自动化技术、通讯技术都集成于一台机床上。

参考文献：

[1]张勇.典型机床电气控制解析与PLC改造实例[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]张万忠.可编程控制器应用技术[M].北京：化学工业出版社，2002.

[3]廖常初.PLC基础及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.5.

[4]周万珍，高鸿斌.PLC分析与设计应用[M].北京：电子工业出版社，2004，3.

[5]王克义，路敦民，于凌涛.机电传动与控制[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2012.

[6]王永华.现代电气控制及PLC的运用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

作者：丘宏岳

第3篇：普通机床数控化改造

【摘要】本文详细介绍了有关数控机床改造的过程和方法，对目前国内外有关产品进行了比较分析。本文提出系统改造主要以机械部分和数控装置的加装为主，在车床上附加数控装置和执行元件，选择合适的机床伺服系统和计算机系统等。改造过程中一定循序渐进，注意成本的控制，在调试中发现和解决问题。

【关键词】普通机床；数控化改造

一、机床主要参数

1.1机床主电机

型號：YD160L-4，额定功率11KW，最高转速3500r/min，额定转速1460r/min。

1.2变速级数和公比

变速级数Z=4，公比φ=2.37.

1.3主传动系统总降速比

i∑=0.068

1.4有级变速各级传动主要参数

第一级齿轮传动参数：i12=3.55，Z1=20，Z2=70。模数m1=m2=2.25mm。

第二级齿轮传动参数：

第一对：i34=2.66，Z3=23，Z4=61。模数m3=m4=2.5mm。

第二对：i56=1.12，Z5=50，Z6=56。模数m5=m6=2mm。

第三对：i78=0.47，Z7=65，Z8=31。模数m7=m8=2.25mm。

二、数控机床的改造方案

一般情况下对数控机床的改造主要为两部分。一部分是机械部分改造，第二部分是数控系统改造。

2.1机械部分改造

1）导轨改造。大多数普通机床均采用普通铸铁。数控机床要求采用淬硬的合金钢材料，例如用GCR15轴承钢淬硬到65～62HRC，可以提高硬度5倍～10倍。另外，普通机床的滑动导轨需要换成滚动导轨和静压导轨，但是改造难度较大，主要是在导轨表面加装辅助软带；

2）刀架改造。数控机床安装的刀架为自动刀架，以便数控机床根据程序更换刀具。因此，必须将普通机床的刀架进行改造或更换；

3）进给机械改造。一般进给系统可以保持原来的支架系统，但是要调整弹簧，加装减速齿轮系统。

2.2数控系统的确定

1）常规机床数控系统。由于该类数控系统功能齐全、种类繁多、适用性较强以及信价比高，因而很多机床改造时首选这类控制装置，我国就有很多这类产品的用户。但是这类产品在开发过程中，由于硬件系统集成，用户不能随意更换，所以开发的灵活性不足。

2）开放式机床数控系统。开放式数控系统最大的优点就是结构灵活、编程方便。用户可以根据需要选择硬件结构，可以借助PC机强大的编程能力提高系统控制的性能。国内主要产品为有华中数控、广州数控等产品。第三种是全软件型开放式数控系统。这种系统以PC机为控制核心，主要采用软件形式实现运动系统控制。因此，更大程度的调高了灵活性，是当前机床数控系统的最新产品。

三、CA6140 机床的数控化改造

3.1机械部分

1）床身和导轨。充分利用旧床身和导轨，将导轨淬火处理精密磨削至Ra0.8mm，然后贴塑。考虑到加工余量等因素，可采用1.6mm厚度的贴塑规格。

2）主传动系统。为了提高自动化程度，便于在加工过程中实现自动变换切削速度，可以采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案，即分段无级变速。主轴的正反转和制动停止由数控指令控制电动机来实现，配合齿轮变速，实现在高、中速段的恒功率传动，在低速段的恒转矩传动。在改造后的主轴传动系统中，不同齿轮的啮合切换通过电磁离合器的吸合与分离来实现。其中，主轴变频调速系统的原理图如下所示。

另外，为了实现螺纹的自动加工，配置了主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件。它与机床主轴同步运行，采集主轴运动时的数据信息，发出主轴转角位置变化信号，再由数控系统通过软件控制，以保证主轴每转过一圈，螺纹车刀同步在纵向进给一个螺纹导程或螺距。在实践中，我们采用增量式光电编码器，并采用异轴安装方式，即通过齿轮（或同步带）传动，使主轴与光电编码器同步转动。

3.2伺服系统

数控机床的伺服系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。开环系统结构简单、工作可靠、造价低廉，单精度和快速性较差，其定位精度一般为±0.01mm～±0.02mm；闭环系统控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价昂贵，其定位精度一般为±0.001mm～±0.003mm。考虑到CA6140机床本身的基础条件，兼顾精度和经济性的要求，宜采用半闭环控制系统。半闭环系统的原理图如下所示。

伺服进给机构的主要改造路径为：

1）纵向进给机构：拆除原机床溜板箱、光杠、丝杠以及安装座，安装滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在丝杠的右端。

2）横向进给机构：通过步进电机减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机采用法兰盘安装在大拖板上，以保证同轴度和传动精度。

四、结语

通过我们的数控化改造，实现了微机对机床的数控化自动控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，达到了纵向最小运动单位为0.01mm/脉冲，横向最小运动单位为0.005mm/脉冲，主运动实现自动变速，并能够较高精度地自动切削加工螺纹。改造后的机床完全能实现加工外圆、锥度、螺纹、端面等的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度。

作者：张信永

第4篇：机床的数控化改造研究

摘 要：由于机床的数控化改造有较大的经济效益与社会效益，在日本、德国和美国等发达国家已经得到政府的大力扶持，而在中国这种改造才刚刚起步，机床的数控化改造是一项复杂的系统工程，只有抓好改造全过程的设计与管理，才能改造出高质量的数控机床。

关键词：数控化改造；数控系统；伺服系统

机床数控化改造有多种方案，机床类型不同，改造的内容也不同，所以机床改造内容并非一成不变，而要根据实际情况选取合适的方式，以使普通机床数控化改造后的性能与新的同类数控机床相近或相同。同时，在机床数控化改造完成后，还应注意培训数控机床的操作人员和编程人员，以使改造后的数控机床能够尽快发挥作用。

1、改造数控机床的因素分析

数控机床的使用提高了机床加工生产的效率。普通机床进行数控化技术改造后可以实现零件加工自动化；其次，零件加工性能更加稳定安全更加可靠。这是由于经数控技术改造的数控机床的各主要部件经过长期工作，几乎不会因刀刃变形而影响生产件的精度；再次，可以为零件生产厂家节约资金。与购买新的普通机床相比，普通机床的数控化改造一般可以节省一半以上的费用；最后，对于复杂的加工零件而言，改造难度越高，其功效提高的越显著：且可不用或少用工装，这样不但节约费用，还可以缩短零件生产的准备时间。由于所需加工产品的尺寸误差较小，精度要求高，不需要再进行修配。而数控机床由于实现了加工的自动化，计算机系统可以对刀具进行自动化管理，从而不会因为刀具的磨损而影响加工零件的精度与一致性；由于数控机床可以实现多种加工功能，因此可以加T出复杂的零件；由于实现了加工产品的自动化生产，数控机床的加工效率可以提高许多。计算机拥有强大的记忆和存储功能，因而可以把所需的程序存储下来，然后根据程序的规定自动去执行加工工序，实现加工的自动化；数控机床实现了多道工序集中完成，减少了频繁搬运被加工的零件，当零件装夹好后，可以实现多道工序的加工。

2、数控化改造的内容

2.1精度的恢复和机械传动部分的改进

机床改造过程中首要任务是对旧机床进行类似于通常的机床大修，以恢复机床精度，达到新机床的制造标准。但是机床数控化后对机床精度的要求与普通机床的大修是有区别的，即整个机床精度的恢复与机械传动部分的改进，都要为满足数控机床的结构特点和数控自动化加工的要求来进行。数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统分别采用交、直流主轴电动机和伺服电动机驱动。这两类电动机调速范围大，并可无极变速，因此使主轴箱、进给变速箱及其传动系统大为简化。由电动机直接连接主轴或滚珠丝杠。目前数控机床进给系统中常用的机械传动装置主要有滚珠丝杠副、静压蜗杆蜗母条和预加载荷双齿轮齿条三种。机床采用的导轨是新材料低摩擦因数的导轨，如滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。

2.2选定数控系统

根据要进行数控化改造机床的控制要求，选择合适的数控系统是至关重要的。选择时，除了考虑各项功能满足要求外，还一定要确保系统工作可靠性。一般以性能价格比来选取，并适当考虑售后服务和故障维修等有关情况。如选用企业内已有数控机床中相同型号的数控系统，对今后操作、编程、维修等都带来较大的方便。伺服驱动系统的选取，也按改造数控机床的性能要求决定。若采用同一家公司配套供应的数控系统和伺服驱动系统，改造产品的质量和维修更容易得到保证。国产系统在目前市场上有各种经济型和标准型数控系统供应。其中，经济型数控系统具有结构简单，操作方便，技术易于掌握及制造成本低等优点，系统性能相对较差，可靠性不高。

2.3伺服系统设计

伺服系统分为开環、半闭环和闭环系统三种。开环控制系统主要由驱动控制单元、执行元件和机床组成。闭环伺服驱动由执行元件、驱动控制单元、机床以及反馈检测单元、比较控制环节组成。在普通机床的数控化改造中一般采用步进电动机和交流伺服电动机。交流伺服电动机调速方便，体积小，目前广泛用于数控机床的传动系统。与步进电动机相比， 其精度高、价格昂贵，考虑到改造本身是经济型改造，因此一般选用步进电动机作为驱动装置。检测反馈单元一般用光栅、脉冲编码器等。在选择驱动装置时，一定要考虑其运转性能与电动机的匹配，同时也要考虑其接口数据与数控装置接口数据的匹配。目前国内外的数控系统厂家，都开发了与自己系统配套的驱动器，如广州数控适配DA98 系列驱动器，华中适配HSV 系列动器，FANUC（发那科）本身开发了集成程度很高的多轴驱动器，所以一般优先考虑配套的驱动器。

2.4电气系统的改造设计

在进行机床数控化改造时，原机床的电气控制部分一般只能报废，重新按数控化改造要求进行设计制作。数控机床的强电控制部分设计中要特别注意的是，数控系统各接口信号的特点和形式要相配，并且在设计过程中应尽量简化强电控制线路。在电气控制系统的改造设计中，应该遵循：机床在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单、经济，不宜盲目追求自动化和高指标，力求控制系统操作简单、车床使用与维修方便。机床中的主轴电动机、冷却泵电动机、刀架电动机等均需系统自动控制。数控机床中电气控制系统除了对机床辅助运动和辅助动作控制外，还包括对保护开关、各种行程、极限开关的控制， 以及在操作盘上所有按键、操作指示灯等的控制。改造后的电气控制系统，不仅保留了机床传统控制系统的优点，同时具有体积小、功能强、通用性和灵活性强、使用维护方便等特点。

3、结语

由于机床数控化改造有多种方案，机床类型不同，改造的内容也不同，所以上述机床改造内容并非一成不变，而要根据实际情况选取合适的方式，以使普通机床数控化改造后的性能与新的同类数控机床相近或相同。另外，在机床数控化改造完成后，还应注意培训数控机床的操作人员和编程人员，以使改造后的数控机床能够尽快发挥作用。

参考文献：

[1]袁建华.普通机床数控改造的实践与探讨[J].装备制造技术，2011

[2]方旺.普通车床的数控化改造[J].机电工程技术，2013

作者：涂万阳 刘磊

第5篇：普通机床数控化改造技术研究

摘 要：从大量的实践上可以证明机床数控改造市场在我国还有很大的发展空间，通过改造使数控技术更加的实用性、经济性。在进行改造前，要首先做好技术准备以确保在实际的改造中更加的安全。尤其值得注意的是在对普通的机床进行改造时，要将各项指标尽可能的与数控机床相接近。

关键词：数控技术：机械加工：机床研究

目前，我国机械制造加工行业正在经历着深刻的转型。从普通机床到数控化机床的转型不仅关系着企业命脉，也关乎整个国家的富强。在我国如此大的市场潜力下，普通机床数控化改造必将在今后几年中逐步壮大发展。因为普通机床的缺点在竞争如此激烈的机械制造加工行业处于相当的劣势，无法保证企业在同行业间具有绝对的竞争力。所以这是企业必须要面对的，也是市场经济下我国机械制造加工行业腾飞必经之路。

一、机床数控化发展现状

2011年国务院下发“十二五”工业转型升级规划，要求继续推进数控机床重大专项的进一步实施。现在，国内约有6%的机床采用全闭环数控系统而发达国家已接近70%。很明显，国内机床转型升级已成为制造业发展的热门方向。在世界经济不景气的大环境下，2015年我国数控机床进口额同比增长了42%，极大地鼓励了国外数控公司服务国内机床市场的热情，他们有针对性地调整了对我国的销售策略。如海德汉公司加速高端数控系统的推广，将iTNC530型等先进数控系统引进到我国，再配以他们的光栅尺和编码器，为国内高端机床应用提供了全套服务平台，推进了国内高档机床数控化的发展；西门子数控公司除了进一步推广应用840D系列高档数控系统外，还将未来工作重点转向我国中低端市场，如828D BASIC M/T复合加工数控系统等的二次开发功能进一步拉近了和国内制造商、用户间的实用距离。我国机床数控系统配套率现阶段还是较低的，而该公司更看中了用户注重系统品牌、稳定性、易开放性、易维护性等特点，大量的销售网点增强了他们快速响应用户需求的能力，其系列系统不断占有国内所有档次机床配套市场，使其成为了国内机床市场配套强者，对国内数控厂家冲击很大，进一步加剧了数控系统市场的竞争性。

二、机床数控改造的实例分析

数控车床是机床数控的一个典型代表，在原有的机床结构上进行重新设计，不仅仅是对局部的改进，而是对数控机床的加工精度、生产效率、表面质量等提出了更高的要求。在对普通机床的改造过程中，要结合多种情况，使普通机床的各项性能达到指定的标准并与数控机床相接近。在加工时采用现代的数控技术，主要是对动力系统、主传动系统、刀具系统等部件结构进行整体的布局和改造，形成数控机床的独特结构系统。目前的数控机床改造技术已经日趋成熟，可以根据性能及精度等基本内容来选择改造方案。主要的车床数控改造系统应具备以下的功能：具有连续执行程序、循环执行程序、超程报警、程序自动终止等基本的功能；内部设有电机驱动系统，通常能将精确度设置在：X向为0.005mm，Z为0.11mm；可以对加工程序进行现场的编辑和修改，将代码编制输入，然后再存储器里自动存储。尤其值得注意的是：采用单片机为主控CPU，具有直线和圆弧插补、刀具补偿、数码管坐标同时显示等功能。在改造过程中，对数控车床的性能和精度的选择在对旧机床的改造时，应具备两个条件：首先，机床的改造要经济实惠，費用得当，在改造前应该提前进行改造的费用预算，将成本降到最低。这样，就可以将车床的加工工件的直径最大化。其次，所选用的机床一定要有足够的刚性。以CA6140 型普通车床的数控改造为例，可以采用较为简单的改造方案。将改造后的车床上安装两个电机，进行驱动时可以通过减速齿轮和纵横向丝杠带动着车床的进给运动。为了减少工作量，可以利用原丝杠螺母，横向和纵向分别驱动电机。纵向驱动电机和减速箱一般都安装在床身尾部，工作时纵向丝杠传动的离合器还处于脱开阶段。同理，横向的驱动器在工作时处于空档的状态。改进后的量值要依靠减速齿轮比、丝杠导程、电机步距角来计算，三者之间存在一定的关系和联系，可以通过公式表述：

（θ /360）×（ac/bd）×T= δ

T表示所驱动的丝杠导程；θ为电机的步骤角度；δ为脉冲当量值。此外，CA6140 型普通车床的数控的进给运动所选用的速度之分别为：快速移动：X 向（通常为1.3-3 m/min）；Z 向（通常为1.4-4m/min）；进给速度：X 向（通常为15—100 mm/min）；Z 向（通常为10-400mm/min）；脉冲当量要控制在小于0.025-0.005 mm 之内。X向和Z 向要成2 倍的关系。通常情况下，在车床改造完毕后，还要对安装的部件进行重新的调试和验收，保证车床的安装位置和性能准确。对车床的检测和验收是一项系统的工作，要全面检查各个器件和插件以及电路的连接情况，最后进行数控的系统连接。在选择电机参数时要依据机床的型号来选择，CA6140 型普通车床的数控改造中多数采用8-15（N·m）的电机。在此类的车床改造中，如果数控系统并未发生故障，或者在检测滑动丝杠螺母时出现了磨损等现象，就要减小阻力以提高电机的有效功率。加工的螺距范围一般是控制在10mm 以内，选用步进电机驱动，对自动刀架进行重新设置工位数，改变滚珠丝杠的传动方向。机床的滑动齿轮是集中在变速箱和主轴箱中，除了具有良好的摩擦性能外，还具有足够的刚性，数控的齿轮使用率要较普通的机床高。其突出的优势为精度高，不受摩擦阻力的影响。

三、结束语

目前，我国的机床数控化率还不足3%，因此，机床数控的改造在我国还有很大的发展空间。机床数控的改造主要包括数控系统的选择、机械部件的改装以及机床数控的改造方法和步骤，通过这些改造可以全面的分析出在数控改造中所存在的具体问题。鉴于我国目前所采用的普通机床加工出来的产品普遍缺乏市场竞争力、品种少、成本高、质量差等劣势，我国有必要提高机床的数控化率，加强国际化的市场竞争力。

参考文献：

[1]段斌华.超重型精密数控轧辊磨床设计[J].精密制造与自动化，2015.

[2]张艳春.数控轧辊磨床头架可回转主轴的设计[J].精密制造与自动化，2014.

作者：刘洪睿 刘子华

第6篇：计算机数控机床技术改造研究

摘要：将普通机床改造成为数控机床，是企业提高自身自动化程度的一种重要手段。就如何实现改造进行分析并提供方法和思路，本文主要阐述数控化改造的研究内容和关键技术和方法。

关键词：计算机;机床;数控化;改造;方案

数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(Computer Numerical Control)，简称CNC。计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的运动轨迹和外设的操作时序逻辑控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入操作指令的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成，处理生成的微观指令传送给伺服驱动装置驱动电机或液压执行元件带动设备运行。

1. 数控机床概述

数控机床就是将加工过程中的各种操作(如主轴变速、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具等)和步骤，以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码或程序来表示，通过控制介质(如穿孔纸带或磁带、磁盘等)将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，来控制机床的伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。

2 .机床的数控化改造方案

2.1进行改造项目的可行性评估

2.1.1 对其价值做出评估。例如一台加工中心，主要构成的机电部件有：①系统及操作子系统;②伺服系统包括电动机;③机床电气;④机械本体床身、立柱、导轨和丝杠等;⑤刀库机械手系统;⑥自动工作台交换系统等。每一个子系统根据实际情况，都可以做出相应的价值评估。

2.1.2 评估改造后能达到的目标，即有什么样的机床准确度和使用性能。

2.1.3 进行成本的估算，即投入资金的评估。投入资金多少与制订改造目标高低密切相关。投人的改造费用主要由下列项目构成：①数控系统及相关伺服系统;②机床电气及附件更换;③机床机械元部件准确度修复和维修保养;④机床辅助系统如液压系统、冷却系统等维修保養;⑤机床外观质量的修复;⑥机床改造后的调试检测;⑦机床改造所需的技术劳务费。在受改造费用限制时，可以修改改造目标，降低一些要求以减少投入费用。

2.1.4 对改造方案进行风险评估。在做改造方案时，不可能对设备进行现状大解剖，不可能拿到机床现状准确测试数据，因此在以后实施改造工作中还会碰到意料之外的问题。因此必须做出风险评估和制订相应对策。一般做法是在工程项目费中，设置不可预见费用。

2.1.5 性能价格比评估。为了在经济上有定量分析的依据，常选一台现在市场上性能相似的商品价格作为标准进行比较。

2.2 数控系统的选择

数控系统是机床的核心，在选择时要对其性能、经济性及维修服务等进行综合考虑。数控系统主要有3种类型：步进电机拖动的开环系统;异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统;交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。其中步进电机拖动的开环系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机等。由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杠副驱动执行部件。该系统的位移准确度主要决定于步进电机的角位移准确度，齿轮丝杠等传动元件的节距准确度，所以系统的位移准确度较低。但该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。

2.3 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。它的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、跟踪度、定位度等重要指标均取决于伺服系统的动态。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。

2.4 机床机械部件的改造

一台新的数控机床，在设计上要达到很高的动态刚度;运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙;功率大;便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到此要求，并注意下述几方面。

2.4.1 导轨副。对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向度和工艺外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。

2.4.2 齿轮副。一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮准确度等级都比普通机床高。

2.4.3 滑动丝杠与滚珠丝杠。丝杠传动直接关系到传动链准确度。丝杠的选用主要取决于加工件的准确度要求和拖动扭矩要求。

2.4.4 联轴器。为了消除传动系统中的反向间隙，提高重复定位度，伺服驱动元件所用的联轴器多数采用无键连接，如锥销刚性联轴器，锥环联轴器等。

2.4.5 回转刀架。一般改装的车床多数采用四工位自动回转刀架。

2.4.6 安全防护。改造效果必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。

3. 数控系统开发方法

3.1 基于单片机的数控系统

基于单片机的经济型数控系统一般采用步进电机作为驱动元件，步进电机采用脉冲方式工作，基本原理是：系统中的键盘用于向计算机输入和编辑零件加工程序;采用数码管显示加工数据及机床状态等信息;存储器用来存放监控程序、键盘扫描程序、显示驱动程序及用户控制代码程序等;功率放大器用来对计算机送来的脉冲进行功率放大，以驱动步进电机带动负载运行。需要完成的具体任务有：

3.1.1 硬件系统的结构设计。一般采用51系统单片机作为主控制器，在此基础上扩展一些必要的器件如ROM、键盘等。

3.1.2 软件设计。包括：监控与操作软件，用来实现人机对话、系统监控、指挥整个系统软件协调工作等，包括系统的初始化、命令处理循环、零件加工程序的编辑修改等;步进电机控制软件，包括：通电状态代码和电动机正、反转的实现;步进电机转速的控制。

3.2 基于ARM与运动控制器的数控系统

3.2.1 系统硬件结构。系统硬件采用主从式双CPU结构模式。主CPU为ARM处理器，用于键盘、显示，网络通讯等管理工作，而从CPU即为运动控制芯片，专门负责运动控制的处理工作。ARM处理器通过总线操作，把命令写入运动控制芯片，使运动控制芯片来完成运动控制。

3.2.2 操作系统及编程语言。为了最大地利用系统硬件资源，并且还要保证实时性，所以使用了μC/OS多任务实时操作系统。使用到μC/OS操作系统，通过它实现多任务实时控制。程序的编程语言为C语言以及ARM汇编语言。

3.3 基于PC机的数控系统

近年来，以工业PC机为核心的控制系统已广泛地被工业控制领域所接受。采用工业PC机在WIN-DOWS操作系统下通用的数控系统，已成为数控系统发展的潮流。基于工业PC机的数控系统采用的是标准的PC硬件和操作系统，因此易于进行模块化和开放式的设计。开放式数控系统是目前新型数控系统研发的主流。系统采用工业PC机+运动控制器结构组成，主要包括工业计算机、运动控制卡以及伺服系统等。

4 .结论

进行机床数控化改造要将改造的重点放在电气、控制系统的改造上，机械部分只对影响准确度的重点部件进行改造。这样可缩短改造周期，降低改造成本，并利于对系统进行再次升级。随着社会的不断发展以及技术的不断进步，数控技术的发展，必将带动数控机床改造技术的进步与发展。

参考文献：

[1]赵中敏.机床数控化改造的研究[J].煤矿机电，2005.

[2]杨有君.数控技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]富大伟，刘瑞素.数控系统[M].北京：化学工业出版社，2005.

作者：杨乐

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