机床数控化改造现状与设计实例

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1、机床数控化改造现状与设计实例-作者：-日期：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%，

2、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

3、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

4、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

5、高37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

6、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

7、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

8、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。 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23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

9、，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。 数

10、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/输出装置数控装置驱动控制装置辅助控制装置机床本体 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

11、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

12、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

13、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

14、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，

15、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

16、大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置同普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要的部件进行相应的改造，使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。(1) 滑动导轨副。对数控机床来说，导轨除有普通车床导向精度和公益性外，还要有良好的耐磨擦，磨损特性，并减少因摩擦阻力而致的死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，以及合理的导轨防护和润滑。(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精度等级比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以

17、保证机床的加工精度。(3) 滑动丝杠和滚珠丝杠。四个传动直接关系到传动精度。丝杠的选用主要取决于工件的精度要求和拖动转矩要求。工件精度不高是时，可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠的磨损情况如螺距误差，螺距累积误差以及相配螺母间隙。一般情况下滑动丝杠精度不应低于6级，螺母间隙过大就更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足叫高精度零件的加工要求滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；起动转矩和运动时的力矩接近，可以降低电动机起动力矩。因此可满足较高精度零件加工的要求。(4) 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

18、忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘，特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。床鞍与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对禁止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。1.3 机床数控化改造的现状1.3.1 国外机床改造业的现状 在美国，日本和德国等发达国家，他们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床及其技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的话题。在美国，日本，德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线改造的新的行业。在美国，机床改造也称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsc

19、he工程公司，Ayton机床公司，Develieg-Bullavd（得宝）服务集团，US设备等。美国得宝公司已在我国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团，岗三机械公司，千代田工机工司，野崎工程公司，滨田工程公司，山本工程公司等。 数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型，超小型化；在智能化基础上，综合了计算机，多媒体，模糊控制，神经网络等多学科技术，实现了高速，高精，高效控制，加工过程中可以自动修正，调节与补偿各项参数，实现了在线诊

20、断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。以FANUC和SIEMENS为代表的数控系统生产商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。1.3.2 我国机床改造业现状 我国的数控系统以传统的封闭式体系结构为主。在传统的封闭式结构中，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程

21、中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合，工件材料，主轴转速，进给速率，刀具轨迹，背吃刀量，步长，加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制作过程，因此，对数控机床实行改革势在必行。1.3.3 目前我国数控化改造市场的现状1. 机床数控化改造的市场现状 目前我国机床总量380万台，而其中数控机床只有11.34万

22、台，即我国机床数控化率不到3%。2000年以来，我国数控机床年产量为0.60.8万台，年产值约18亿元，机床年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60%以上；10年以下的机床中，自动，半自动机床不到20%，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60%以上）。国内传统旧有机床的数控化改造是一个潜力巨大的市场。2. 进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术，设备和生产线进行技术改造。据统计，19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国经济建设发挥了应有的

23、作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备和生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响。一些设备，生产线从国外引进后，由于备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备，工艺，管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的以能耗高，产品合格率低造成亏损；有的已引进了较长时间，需进行技术更新。这些不能使用的设备，生产线是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。1.3.4 数控化改造是发展我国数控设备的一个重要方面 国务院关于加快装备制造业的若干意

24、见（以下简称若干意见）的发布和实施，是提高我国国际竞争力，实现国名经济全面，协调和可持续发展的战略举措。若干意见把发展数控装备和数控系统及其功能部件作为振兴装备制造业重大突破的16个关键领域之一，对我国机床工具行业发展，具有重要指导意义。 数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。国际上一些发达国家一直把高性能数控机床作为战略物资而严加控制，限制我国进口高性能数控机床； 国外装备制造业的发展经验证明，发展装备制造业，数控机床是基础。“十五”期间，我国机床工业连续几年快速发展，到2005年我国机床产值从“九五”末期列世界第八位，跃居到世界第三位。 但从总体上看，我国机床工

25、业同世界先进水平相比，差距仍然十分明显：一是国内高档数控机床在品种，水平和数量上远远满足不了国内的发展需求，高档数控机床目前仍要大量依赖进口；二是数控机床功能部件和数控系统发展滞后，成为我国数控产业发展的瓶颈；三是机床制造企业技术装备水平不高，制造能力，综合管理和服务能力等方面不能满足市场快节奏发展的要求；四是大型国有企业旧的设备比例大，设备更新所需资金缺口大。1.4 机床数控化改造的原则及基本改造设计方案1.4.1 改造方案的确定 改造的可行性分析通过以后，就可以针对某台或某几台机床的现况确定改造方案，一般包括：（1） 机械修理与电气改造结合。一般来说，需要进行电气改造的机床，都需要进行机械

26、修理。要确定机械修理的要求，范围，内容；确定因电气改造而需要进行的机械结构改造要求，内容；确定电气改造与机械修理，改造之间的交错时间要求。力学性能的完好是电气改造的基础。（2） 先易后难，先局部后全局。确定改造步骤是，应先把整个电气部分改造分为若干个子系统来进行，如数控机床，测量系统，主轴，进给系统，面板控制与强电部分等，待各系统基本完成后在互联完成全系统工作。这样可以使改造工作减少遗漏和差错。在每个子系统工作中，应先做技术较低的，工作量较大的工作，然后做技术性较高的，要求精细的工作，使人注意力能集中到关键地方。（3） 根据使用条件选择系统。针对某台或某几台机床，确定它的环境，温度，湿度，灰尘

27、，电源，光线，甚至是否有鼠害等外界使用条件，这些对选择电气系统的防护性能，抗干扰性能，自冷却性能，空气过滤性能等可提供正确的依据，是改造后的电气系统有可靠的使用保证。当然，电气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理，实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。（4） 落实参与改造人员和责任。改造是一个系统工程，人员配备十分重要。除了人员的素质条件外，根据项目的大小，合理的确定人数与分工是关键。人员太少不利于开展工作，人员太多容易引起混乱。根据各个划开的子系统，确定人员职责，有主有次，便于组织和协调。如果项目采用对外合作形式，更需在目标明确的前提下，界定分工，确定技术协调人。（

28、5） 改造范围及周期的确定。又是数控机床电气系统改造，并不一定包含该机床全部电气系统，应根据科学的测定和分析决定其改造范围。停机改造的周期，根据各企业的实际情况确定，考虑因素有生产紧张程度，人员技术水平，准备工作充分程度，新系统大小与复杂程度，甚至还包括天气情况等。切忌好大喜功，急于求成，匆忙上阵，但也要合理安排，防止拖拖拉拉。1.4.2 改造前的技术准备 改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。技术准备包括：（1） 机械部分准备。为配合电气部分改造而需进行的机械大修改造的测量，计算，设计，绘图，零件制作等应先期完成。同时对停机后需拆，改，加工的部分等，应事先规划完毕，提出

29、明确要求，与整个改造工作衔接得当。（2） 新系统电气资料消化。新系统有许多新功能，新要求，新技术，因此改造前应熟悉技术资料，包括系统原理说明，线路图，PLC梯形图及文本，安装调试说明，使用手册，编程手册等。要有充裕的时间来对上述资料进行翻译（进口系统），消化，整理，核对，做到思路清晰，层次分明。（3） 新旧系统的转换设计。根据每台设备改造范围的不同，需要事先设计接口部分转换，若全部改造的，应设计机电转换接口，操作面板控制与配置，互联部分接点，参数测量点，维修位置等，要求操作与维修方便，合理，线路走向通顺，中小连接点少，强弱电干扰最小，备有适当裕度量等。若局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配

30、，电压极性与大小变换，安装位置，数模转换等，必要时需自行制作转换接口；（4） 操作，编程人员技术培训。机床电气系统改造后，必然对操作，编程人员带来新的要求。因此提前对操作人员和编程人员进行新系统知识培训十分重要，否则将影响改造后的机床迅速投入生产。培训内容一般应包括新的操作面板配置，功能，指示含义；新系统的功能范围，使用方法及与旧系统的差别；维护保养要求；编程标准与自动化编程等，重点是弄懂弄通操作说明书和编程说明书。（5） 调试步骤与验收标准的确定。新的电气系统改造完以后，怎样进行调试以及确定合理的验收标准，也是技术准备工作的重要一环。调试工作涉及机械，液压，电气，控制，传感等，因此必须由项目

31、负责人进行，其他人员配合。调试步骤从简到繁，从小到大，从外到里进行，也可先局部后全局，先子系统后整系统进行。验收标准是对信系统的考核，制定时必须实事求是，过高或过低的标准都会对改造工作产生负面影响。标准一旦确立下来，不能轻易修改，因为它牵扯到整个改造工作的各个环节。1.4.3 改造的实施 准备工作就绪后，即可进入改造工作的实施阶段。改造阶段的内容按时间顺序分为：（1） 原机床的全面保养。机床经长期使用后，会不同程度的在机械，液压，润滑，清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次应对机床做一次改前的几何精度，尺寸精度的测量，记录在案。这样既可以对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束前作对

32、比分析用。（2） 保留的电气部分最佳化调整。若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换，电动机的保养，变压器的烘干绝缘，污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电缆电线的更新，连续部件的紧固等。只有对保留电气化部分做好最佳化调整工作，才能保证改造后的机床故障率教较低。（3） 原系统拆除。原系统的拆除必须对照原图样仔细进行，及时在图样上做出标记，防止遗漏和过拆（局部改造的前提下）。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充和修正；拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用，还有一定使

33、用价值的，可作其他机床备件用，切忌大手大脚，乱扔乱放。（4） 合理安排新系统位置及布线。根据新系统设计图样合理进行新系统配置，包括箱体固定，面板安放，线路走向和固定，调整元器件位置，密封及必要装饰等。连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范，线径合适，正确无误，可靠美观。（5） 调试。调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先调试安色保护系统灵敏度，防治人身，设备事故发生。调试现场必须清洁干净，无多余物品；各运动坐标托板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的先手动后自动。1.4.4

34、 验收及后期工作 验收工作应聘请有关的人员共同参加，并按已制定的验收标准进行。改造的后期工作也很重要，它有利于项目技术水平的提高和设备尽早投产。验收及后期工作包括：（1） 机床力学性能验收。经过机械修理和改造以及全面保养，机床的各项力学性能应达到要求，几何精度应在规定范围内。（2） 电气控制功能和控制精度验收。电气控制的各项功能必须达到动作正常，灵敏可靠。控制精度应用系统本身功能（如步进尺寸）与标准计量器具（如激光干涉仪，坐标测量仪等）对照检查，应达到精度范围。同时还应与改造前的机床的各项功能和精度做出对比，获得量化的指标差。（3） 试件切削验收。可以参照国内外有关数控机床切削试件标准，在有资

35、格的操作工，编程人员配合下进行试切削。试件切削可验收机床刚度，切削力，噪声，运动轨迹，关联动作等，一般不宜采用产品零件做试件使用。（4） 图样资料验收。机床改造完后，应及时将图样（包括原理图，配置图，接线图，梯形图等），资料（包括各类说明书），改造档案（包括改造前，后的各种记录）汇总，整理，移交入档，保持资料的完整，有效，连续。这对该设备的今后稳定运行十分重要。（5） 总结，提高。没吃改造结束后应及时总结，既有利于提高技术人员的业务水平，也有利于整个企业的技术进步。1.5 机床改造中的常见问题1. 数控系统的选择不合理 在改造过程中，有些企业为了节约成本，选择简易数控系统。这种数控系统价格低廉

36、，功能简单，寿命不高，最后影响改造后机床的使用。或者有些设备在购买时价格过高，改造时为了和当时的层次一致选择了高档数控系统，改造后会出现系统的功能过高，造成不必要的浪费。2. 伺服系统的选择不匹配在数控化改造中，会有多轴的伺服系统的改造，此时会出现为了设计方便，使不同轴的伺服系统使用同样的伺服系统。这样会造成伺服参数的不匹配。不同的轴尤其是X/Y轴和Z轴，在机械结构上不同，产生的伺服参数，机械参数和刚度都不同，选择相同的伺服系统会因此而产生不稳定的问题。3. 机械结构的调整过大在改造中切忌贪大求新的心理。因为改造的机床都是旧机床，本身的刚度和精度比同类型的新机床差。改造的目的是在原来的精度基础

37、上提高其性能水平，但是改造后的机床是不能和新数控机床相比的。因此，在机械结构的改造中，要尽量保持原来的形式和部件，除非必要，一般不建议修改原有的机械结构。4. 电气系统的更新机床经过长时间的使用，其电气系统已经老化，最好通过改造的机会将其旧有的电气系统更新。更换电器元件，可以用PLC实现功能的，最好用PLC控制。电气系统更新后要详细画好电气控制图，以便将来维修。5. 液压系统最好只做清洗工作液压系统一般藏在机床的结构中，不便于拆卸。因此在数控化改造中，建议只对液压系统进行清洗，更换液压介质，不更新其液压系统。6. 机床附件的选择随着数控机床的深度发展，出现了许多机床附件，如空气过滤器，切削排出

38、装置等。一般可在经济许可的条件下，若生产确实需要且不改变原有机床结构，可以加配12个附件。附件的增加会使电气控制变得更加复杂，因此在添加附件之前，要修改电气控制方式。第二章 车床的数控化改造设计实例 目前，我国车床主要是卧式车床，与发达国家相比，型号陈旧，技术水平落后，严重影响了生产发展。采用先进的数控车床，已成为当今世界制造业的发展趋势。鉴于国内制造业中普通机床的占有率较高，提高车床数控化率有两个可行的途径，一是购置新的数控车床；二是把卧式车床改为数控车床。根据国内目前的经济情况，花大量的资金更换全新的数控车床花费过高，给企业造成的经济负担较大，同时报废大量普通车床是一个很大浪费。因此各个企

39、业根据自身的情况，酌情进行数控化的提高，可以购置一批精度高，性能强的数控机床，或数控改造化一批尚有一定精度的卧式车床。卧式车床数控化改造的特点如下：(1) 车床改造针对性强，容易适宜生产的要求。因为车床的改造方案是根据原机床中存在的问题提出的，要改哪些地方，改到什么程度都有的放矢，能与生产结合，可以直接将科学技术转化为生产力，使企业有积极性。(2) 车床改造可以充分利用原机床的绝大部分零部件，大大节约原材料和资金，见效快，改造周期短，可满足生产急需。因为旧车床数控化改造大部分床身，立柱等基础件和许多传动部分不需更换，与购买新车床相比，费用只需其1/151/10，工期大大缩短，节约了成本，解决了

40、生产急需。(3) 改造后的车床性能稳定可靠，车床应用范围得到扩大，适应多品种，小批量零件生产。这是因为车床的大型构件都是铸铁制成的，而铸铁件年代越久时效越充分，精度比新铸铁更加稳定。改造不需要改变支撑类大型构件，只需修复和更换中小型部件就可以获得与新机床类似的效果。改造后的车床功能有较大提高。除了保有功能外，还可以满足各种复杂型面类零件加工，极大的扩展了车床的应用范围。(4) 经过数控化改造，可以有效提高工件加工精度和生产效率。因为改造时根据生产技术的发展要求，及时提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量。(5) 可以充分发挥企业现有技术力量的作用，调动技术人员的积极性；同时对工人技术水平

41、要求不高。(6) 在改造期间，通过拆除旧机床，装配新的零部件等改造过程，间接培养了数控人才，对机床特性有了详细的了解，在操作使用和维护方面培训时间短，见效快。 通过车床数控化改造，可以使其与卧式车床相比有如下优点：1） 可以加工卧式车床加工不了的曲线曲面等复杂零件。2） 可以实现加工柔性自动化，效率比靠凸轮或挡块等实现自动化的机床高37倍。3） 加工精度高，尺寸分散小，易于装配。4） 可实现多工序集中加工，提高了相关的加工精度，同时减少了被加工零件在机床间的频繁搬运。5） 拥有自动补偿等多种功能，对于批量较大的，简化了传统机床加工工艺中的工序，机床利用率得以大幅度提高。6） 若购置一台新的数控

42、车床，国内数控车床价格也要7万8万，进口设备有的近二十万元；而对卧式车床进行数控化改造也能满足实际生产需求，改造的成本只有2万3万。7） 由于采用了自动化加工技术，可以大大降低操作者的劳动强度，减少废品的产生，提高工作效率。2.1.2 车床数控化改造的基本步骤1. 总体改造方案的设计 数控机床由机床，数控系统及外围设备三部分组成。卧式车床改造的目的是利用数控系统控制原有车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产率。在考虑经济型数控车床改造的具体方案时，所遵循的原则是，在满足需要的前提下，对原有车床尽可能减少改动量，以降低改造成本。改造中需要解决的问题是：增加数控装置，设计微机控制装置或

43、选用经济型数控系统；将现有机械传动的进给控制装置改造成数控控制的无级自动变速的进给系统；将丝杠换成滚珠丝杠，提高船东精度；手动控制的刀架转位装置改造成数控装置控制的自动转位刀架；加装脉冲编码器，实现螺纹自动切削。若对改造后机床的要求较高，则要改造主轴，重新设计主轴箱，使用主轴伺服电动机或电主轴。2. 数控化改造项目（1） 控制系统的选定。目前市场上数控系统的类型比较多，选择前首先应对拟改造的卧式车床自身功能有一个充分的了解，可根据价格合理，技术先进，服务方面的原则选择微机系统或数控系统。若选择微机系统，需完成软硬件的设计，即要完成X，Z轴的进给控制。分别完成X，Z向的插补运动，可实现车削端面，

44、外圆，任意锥度圆弧面，球面等加工。为了能够加工螺纹，配用主轴同步脉冲传感器，可加工导程在6mm以下的螺纹工件。整个系统属于开环控制，结构简单，驱动力大，成本较低，抗干扰性能强，能很好的满足生产要求，但是设计工作量大，系统稳定性不高。另外，还可以根据实际情况选择经济型车床的数控系统，调制安装简单，可靠性高，价格较贵。（2） 机械部分的改造1） 滑动导轨副。对数控车床来说，导轨除有卧式车床导轨的精度和工艺性外，还要有良好的耐磨性，并减少因摩擦力而致的死区。同时还要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响；合理的导轨防护和润滑。一般卧式车床的导轨材料是HT200，机床改造时可在原床鞍下滑面经机械

45、加工后贴一层聚四氟乙烯软带。聚四氟乙烯带与铸铁配合时，具有良好的减磨性能，动摩擦因素约为铸铁的1/81/3，有效地防止机床的爬行。此外，床鞍与床身，中滑板与小滑板应接触均匀，接触面积不小于70%，接触点数不应小于10点/cm2，这是保证加工精度和尺寸一致性的关键之一。2） 丝杠传动副。一般数控车床或数控系统要求采用滚珠丝杠副传动，目的是提高机床的进给精度，减小传动副的摩擦阻力。为此，对滚珠丝杠和滑动丝杠做了一个比较。见表2-1，根据JB/T 28662008丝杠精度标准可知：滚珠丝杠分为1，2，3，4，5，6，7，8，9九级。卧式车床使用的是7级精度的滑动丝杠，通过将3级精度的滚珠丝杠与7级精

46、度的滑动丝杠相比较，从精度来讲，二者的差异并不大，因此建议选用3级的滚珠丝杠来替换原有丝杠.这样带来的的好处是，传动速度快，反应灵敏，精度较高，所需转矩小。3） 拖板系统。托板的运动式数控系统直接控制的对象，不论是点位控制还是连续控制，被加工零件的最后坐标精度将受托板运动精度，灵敏度和稳定性的影响，尤其是对于步进电动机作为拖动元件的开环系统。因为数控系统发出的指令仅使托板运动，而没有位置检测和反馈，故实际移动值和系统指令值的差别造成加工误差。因此，除了床鞍，中滑板（小滑板已被取消）配合精度要求较高外，在传动装置的布局上还应采用减速齿轮来提高运动转矩和传动精度（分辨率为0.0.mm）传动比计算公

47、式为4） 主轴同步传感器的的安装。主轴同步传感器的作用就是传递信息给数控装置，保持主轴的速度和刀架进给量一致。安装时要求主轴旋转一圈，传感器也要旋转一圈，这样才能保证发给数控装置的信号准确，车削螺纹时不乱扣。5） 车刀刀架的改造。机床数控化改造后，将原来的小滑板拆掉，改用四刀位的自动回转刀架或盘式回转刀架，数控系统通过刀位控制最多能控制412把车刀可顺时针连续换刀。2.2 CA6140卧式车床的数控化改造 本例为应用数控技术对CA6140卧式车床进行自动化和精密化的改造，经改造后的机床完全能实现外圆，锥度，螺纹，端面等加工的自动控制，提高了原机床生产效率，降低了劳动强度。 本数控化改造主要围绕

48、在车床上增设数控装置和执行元件，选择合适的机床伺服系统等方面进行。2.2.1 总体设计方案的拟定 要求将CA6140卧式车床改造成用MCS51系列单片机控制的经济型数控机床，采用步进电机开环控制，纵向和横向均有直线和圆弧插补功能。要求该车床增配自动回转刀架和主轴编码器，具有螺纹切削的功能。系统横向分辨率达到0.005mm。1. 设计参数1） 机床做大加工直径：在床身上400mm，在床鞍上210mm。2） 最大加工长度：100mm。3） 拖板及刀架重力：纵向：1000N，横向600N。4） 刀架快移速度V max：纵向2m/min，横向1m/min。5） 最大进给速度：纵向0.6m/min，横向

49、0.3m/min。6） 定位精度：0.015mm。7） 主电动机功率：7.5KW。8） 启动加速时间：30ms。9） 脉冲当量：纵向0.01mm/步，横向0.005mm/步。10） 最小分辨率：纵向0.01mm，横向0.005mm。2 总体方案确定（1） 系统的运动方式和伺服系统的选择。由于改造后的数控车床应具有定位，直线插补，圆弧插补，暂停，循环加工，米/英制螺纹加工等功能，故选择连续控制系统。根据设计要求，采用步进电动机开环控制系统。（2） 计算机控制系统的选择。根据系统运行方式，可以采用8位微机。由于MCS51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性价

50、比等特点，故采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。该控制系统由微机部分，键盘及显示器，I/O接口及光电隔离电路，步进电动机功率放大器组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用双排数码管显示加工数据及机床状态信息。（3） 机械传动方式。为实现机床所要求的分辨率，采用齿轮丝杠的减速方式；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副取代原车床丝杠；为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加荷载的结构；齿轮传动也采用消除侧间隙的结构。经济型数控车床总体结构框图如下图所示：微机光电隔离光电隔离功率放大功率放大步进电机 步进电机2.2.2 数控系统软硬件的设计由于本车床

51、改造后成为一台专用数控机床，专用于车削轴类，盘类零件，因而用微机控制系统实现本数控系统的功能。1. 数控系统的特点本系统是自行设计制造的数控系统，采用模块化设计。整个系统有三个相对独立的子系统组成，即CPU板，I/O板，键盘/显示板，借鉴PC/104总线的层叠方式，以提高连接的可靠性。 系统设计紧紧围绕提高可靠性，方便使用，降低成本的指导思想，主要特点有：（1） 液晶显示。采用202带背光字符点阵液晶显示模板作为显示界面，摒弃了传统的数码显示，显示灵活，自带控制器，可减少CPU负担。（2） 菜单驱动。全程菜单驱动，人机界面友好，操作直观，简明，容错性高。（3） 全屏幕编辑。借用PC机中全屏幕编

52、程软件的基本思想设计或在操作和功能上与主机类似的编辑模块，使系统编辑加工程序灵活，方便，不易出错。（4） 可靠性高。软硬件中两个方面都采取了面向工业的抗干扰设计措施，因此具有高可靠性。2. 硬件设计（1） 单片机的选择。考虑到通用性以及普遍性，选择MCS51系列中的8031芯片。8031芯片属于8位单片机。它是集CPU，I/O口及部分RAM等为一体的控制器，价格低，但功能全，编程灵活性大，硬件资源丰富。（2） 存储芯片的选择3. 软件设计数控系统是一系列能完成各种功能的程序的集合。程序采用模块化设计方法，主要包括监控模块（包括系统初始化，命令处理循环，零件加工程序的输入，零件加工程序的的编辑修

53、改，指令分析与执行，系统自检等），插补计算模块，步进电动机控制模块，误差补偿模块等。 （1） 监控模块。系统初始化后即进入命令处理程序，对于一般单片机构成的系统通常采用循环处理逻辑作为系统主程序。在循环程序中，程序不断扫描键盘及操作面板，对此操作进行分析后即根据相应的操作命令转入相应的程序模块。 对于经济型数控系统，零件加工程序通常从键盘输入。输入的数据经数据处理程序将输入的十进制数与指令转换成BCD码存于规定缓冲区，即源程序区。而编辑零件程序可看作一个键盘命令处理程序，和键盘输入可合为一体，既用于从键盘输入新的零件加工源程序，也可在编辑状态下，对已输入的零件加工程序中的命令，数据进行编辑和修

54、改。 数控系统要对输入的指令进行分析，并根据分析结果执行相应的操作。诊断程序用于检测软硬件功能的正确性，找出系统故障的位置，并指出故障类型。（2） 插补计算模块。数控系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类，起点，终点等进行运算。根据运算结果，分别向坐标轴发出进给脉冲这个过程称为插补运算。进给脉冲通过伺服工作台或刀具作相应的运动，完成程序的加工任务。 机床数控系统一边进行插补运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式。所以，插补运算的快慢直接影响机床的进给精度，因此应经可能缩短运算时间，这是编制插补运算程序的关键。（3） 步进电动机控制模块。控制步进电动机的驱动程序，不仅可用程序代替可

55、变频率脉冲源和环形分配器等配件，而且还很容易用程序实现步进电动机升降速控制功能。（4）误差补偿模块。经济型数控机床的加工误差是必然存在的，但只要对引起加工误差的各个环节的定量关系清楚，就可以在编程中引入修正值，调整进给脉冲，达到调整和消除部分误差的作用，这就是误差的软件补偿。（5） 系统软件的抗干扰设计。为了防止工作现场的各种干扰引起程序的“跑飞”，系统软件在设计中必须采取相应的措施。具体地说有以下几个方面：1）系统上电自诊。系统冷启动时CPU，EPROM，RAM等自诊确认正常方可投入运行。2）指令亢余。在输入，输出信号间隔一定时间重复进行两次，以跳过瞬间干扰引起的误判或误动作。3) 设置软件

56、陷阱。在很多情况下，程序跑飞后很多系统会进入死循环而导致死机。这是，应采取有效措施引导跑飞的程序尽快退出死循环冰迅速复位。 进给伺服系统的设计技算 1. 纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算（1）切削力计算（2）滚珠丝杠的设计计算螺纹滚道型面的选择：单圆弧形面，双圆弧型面；要求：经济，易调试，稳定。方案：选用双圆弧型面。原因：双圆弧型面接触角不变，双圆弧交接处尚有小空隙可容纳一些赃物，这对滚珠丝杠有利而不致堵塞。滚珠循环模式：内模式，外模式。方案:选用外循环；原因：结构简单，公艺性优良，适合成批生产，经济实用，适用于重载荷传动，高速驱动及精密定位系统，是目前应用最广泛的结构。轴向间隙调整和预

57、紧力的选择：垫片式，螺纹式，齿差式。要求：经济可靠，易拆装，刚度高；方案：选用双螺母垫圈式预紧；原因：结构简单；装卸方便，刚度高；（3） 计算进给牵引力。（4） 计算最大荷载。（5） 选滚珠丝杠螺母副。查机械零件设计手册，根据CCa（Ca是丝杠的额定负载）的原则，是选取的滚珠丝杠的额定动载荷大于计算的最大工作载荷。有上面初选丝杠导程及计算所得最大动载荷，选取滚珠丝杠型号为CDM40065，其表示外循环插管式，双螺母垫圈预紧，导珠管埋入式的滚珠丝杠，公称直径为40mm，导程为6mm，右旋螺纹，载荷钢球为5圈，精度3级的定位滚珠丝杠副。其额定动载荷为28771N1248.5N，故强度足够。（6）

58、滚珠丝杠的验算1） 传动效率计算。2） 刚度计算。滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程的变化，因滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小，可忽略不计。3） 稳定性校核。（7） 确定齿轮比。（8） 步进电动机的计算与选择。（1） 负载转矩及最大静转矩的计算（2） 初选电动机型号（3） 各种工况下转矩计算。2. 横向机械传动部分的数控化改造和设计计算（1） 切削力的计算（2） 滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠选型方案可参照纵向机械传动部分数控化改造和设计计算中的选型方案及选择原因选择。1） 螺纹滚道型选用双圆弧面；2） 滚珠循环方式选用外循环；3） 轴向间隙调整及预紧力选用双螺母垫圈式预紧。（3） 计

59、算进给牵引力（4） 计算最大动载荷（5） 选择滚珠丝杠螺母副。同纵向机械传动部分数控化改造和设计计算中的方案。（9） 滚珠丝杠的验算4） 传动效率计算。5） 刚度计算。滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程的变化，因滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小，可忽略不计。6） 稳定性校核。（10） 确定齿轮比。（11） 步进电动机的计算与选择。（4） 负载转矩及最大静转矩的计算（5） 初选电动机型号（6） 各种工况下转矩计算2.2.4 主轴脉冲发生器的安装（1）主轴脉冲发生器是为了加工螺纹而安装的主轴检测装置，他与主轴转速严格同步。微机从主轴脉冲发生器中取出与螺距相应的脉冲数，使主轴旋转角度与

60、进给量保持一定关系，确保螺距的正确性。螺纹切削时的传动路线为：主轴齿轮副脉冲发生器数控装置步进电动机纵横向进给机构 (2)找到与主轴同步的输出轴，根据实际空间大小，现场配作主轴发生器。 （3）主轴脉冲发生器选用1200线即可。 自动回转刀架 自动回转刀架的设计是普通机床数控化改造方面的关键，而由微机控制的自动回转刀架，具有重复定位精度高，工作刚性好，性能可靠，使用寿命长以及工艺性能好等特点。 根据卧式车床的型号和主轴中心高度，选择常州武进机床数控设备厂生产的LD4I型中的C620. 拆除原手动刀架后装上LD4I型自动回转刀架，并用垫板来调整其中心高。该刀架可实现多刀夹持，自动转位，并具有重复精

61、度高，刚性好，使用寿命长等特点。 丝杠导轨的自动润滑 自动润滑装置选择南京贝奇尔公司的TMD5C型电动润滑泵，该装置采用微机同步电动机和机械减速结构驱动，结构紧凑，其注油量可在0.55ml范围内调节，注油周期可在6145min内选择，能够保证机床有良好的润滑状态。2.2.7 改造小结 为了使改造后的机床有较高的开动性和精度保持性，除尽可能减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨的耐磨性。当前国内卧式车床的床身等大件都采用普通铸铁，而拖板也是普通铸铁，其摩擦因数较高，为提高机床的动载性能，减小摩擦力，在改造中采用了在机床滑板导轨上贴聚四氟乙烯软带的方法，大大减小了摩

62、擦阻力，提高了防爬，耐磨，消振吸声的能力。 CA6140卧式车床改造后，实现了开环数控化自动加工，大大提高了加工工效，增强了其适用性，稳定了零件的加工质量，并保留了原机床的基本结构和部分工作性能，能节约资金，缩短生产周期，是工厂进行机械设备技术化改造的趋势2.3 C6132车床数控化改造设计 C6132车床改造属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电机，通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。数控化改造后的机床，能对纵横向进给运动进行数字控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01mm/脉冲，横向最小运动单位为0.005mm/

63、脉冲，刀架为自动转位刀架，经改造后机床能实现加工外圆，锥度螺纹，端面等的自动控制。数控化改造提高了原机床的生产速度，降低了劳动强度，同时缩短了生产周期，提高了产品质量和生产率。2.3.1 经数控化改造后的优越性（1） 数控化改造提高了加工精度和生产率。（2） 数控化改造提高了机床的性能和质量，加工出原机床难以加工或不能加工的复杂轴类零件（3） 机床数控化改造后可实现加工的柔性自动化，效率可比原机床提高3倍。（4） 机床数控化改造后拥有自动报警，自动监控，自动补偿等多种自动功能，更好地调节了机床加工状态，还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中的问题。2.3.2 设计内容及任务 机床的数控

64、化改造主要应用了现代成熟的数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，改变现有机床的结构，给旧机床换上新部件，新装置和新附件，提高了现有机床的技术性指标，使之全部或局部达到新机床的水平。 这次设计的任务是：数控系统的选型，伺服系统，机械传动系统，电气系统数控化改造和液压部分的维护以及绘制相关图样。要求改造后车床具有一般数控车床的性能，精度达到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。设计内容包括：数控系统的选型，伺服系统，机械传动系统和电气系统的数控化设计，自动回转刀架和编码盘的选型安装，以及液压系统的清洁与维护。数控系统方面，考虑到直流伺服电机的价格昂贵，采用步进电动机驱动开环控制系