1、前言 2005年，我國數控金屬切削機床生產59639臺，進口30746臺。除部分出口外，總消費數量約85000臺。在生產的數控金屬切削機床中，經濟型數控機床占60%以上（生產的數控機床中經濟型數控機床占89%到90%），中檔以上的數控金屬切削機床不足40%。2006年，我國機床工業的產值和銷售收入保持較高的增長速度，其中數控金屬切削機床產量快速增長，全年生產85756臺，同比增長32.8%，增幅高于金屬切削機床產量增幅的18.4%。2007年1月至10月我國進口金屬加工機床57.06億美元，其中金屬切削機床進口達41.98億美元，同比減少8.18%，所占比例為73.57%；成形機床進口達15.

2、08億美元，同比增長5.68%，所占比例為26.43%。 專家認為，目前我國機床市場的需求結構已經發生了很大的變化，數控機床，特別是普及型數控機床將逐步成為市場主體。國內的機床制造企業在努力開拓高檔機床的同時，一定要加速普及型數控機床產業化步伐。通過生產和進口數控機床并不能滿足我國日益增長的制造業需求，而淘汰大型企業原有的大量普通金屬切削機床不但會造成很大的浪費，而且會因為缺乏資金購買大量的數控機床來填補淘汰普通金屬切削機床后的機床空缺，造成停產。所以，目前數控化改造是適應我國制造也迅猛發展，資金短缺，舊有機床所占比例大的國情所需。 據調查，現有的與機床數控化改造有關的書籍不多，在網上有關機床

3、數控化改造的問題很多，但是多偏向于一些基本的改造常識和高級的改造技巧方面的問題。由于機床數控化改造涉及的知識面廣，若沒有專業知識的支持，改造后的機床在使用中會出現很多問題，進而造成事故；而且數控化改造的市場也會因此變得不規范。因此，數控化改造的規范化設計改造是非常迎合目前數控化改造市場的需要的。 機床數控化改造主要是針對數控系統，伺服系統，輔助控制系統和液壓系統的改造。由于數控機床本身是機，電，液一體化，結構復雜的產品，因此在改造中是否按照準確的計算方法計算，是否按照規則，要求選擇改造方案和元器件類型，是決定改造后機床性能，運行精度，加工質量和可靠性的關鍵因素。本書著眼于數控機床改造的具體實例

4、，通過提供詳細的計算公式，選擇原則和選擇方案，進一步說明了數控機床的改造方法。同時根據已有的改造案例總結改造中出現的問題，并說明相應的改造方法。第一章 機床數控化改造概述1.1 機床數空化改造的必要性1.1.1 微觀改造的必要性 從微觀上看，數控機床同傳統機床相比有如下突出的優越性，而且優越性都來自數控系統計算機的威力。1） 可以加工傳統機床加工不出來的曲線，曲面等復雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以準確的計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。2） 可以實現價格的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統機床提高37倍。由于計算機具有記憶力和存儲能力，可

5、以見輸入的程序記住和存儲下來，然后按照程序規定的順序自動去執行，從而實現自動化，從而使單件和小批量生產得以自動化，故被成為實現了“柔性自動化”。3） 加工零件的精度高，尺寸分散小，使裝配容易，不需要再“修配”。4） 可以實現多工序的集中，減少零件在機床間頻繁搬運。5） 擁有自動報警，自動監控，自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間無人看管加工。 由以上五條優越性派生的好處是降低了工人的勞動強度，節省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產品試制和生產周期，可對市場需求做出快速反應等。 以上這些優越性是前人想象不到的，是一個極為大的突破。此外，數控機床還推行FMC（柔性制造單

6、元），FMS（柔性制造系統）以及CIMS（計算機集成制造系統）等企業信息化改造的基礎。數控技術已成為制造業自動化的核心技術和基礎技術。1.1.2 宏觀看改造的必要性 從宏觀上看，20世紀70年代末，80年代初，工業發達的國家的軍，民機械工業一開始大規模應用數控技術。其本質是，采用信息技術對傳統產業（包括軍，民機械工業）進行技術改造。除在制作過程中采用數控技術。FMC，FMS外，還在產品開發中推行CAD，CAM，CAE，虛擬制造，在生產管理中推行MIS（管理信息系統）,CIMS等，在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等，最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我國在信息

7、技術改造傳統產業方面比發達國家落后20年。如我國機床擁有量中，數控機床的比例（數控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已達到20.8%，因此，每年都有大量機電產品進口。這也是從宏觀上說明機床數控化改造的必要性。1.2 數控化改造的工作內容1.2.1 數控化改造的內容 機床與生產線數控化改造的主要內容有以下幾點：1） 恢復原功能，對機床，生產線存在的故障部分進行診斷并恢復。2） NC化。在普通機床上加數顯裝置，或加數控系統，改造成NC機床，CNC機床。3） 翻新。為提高精度，效率和自動化程度，對機械，電氣部分進行翻新，對機械部分從新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產要求的CNC系

8、統以最新CNC進行更新。4） 技術更新或技術創新。為提高性能或檔次，或為了使用新工藝，新技術，在原有基礎上進行較大規模的技術更新或技術創新。1.2.2 數控化改造的優缺點 （1） 減少投資額，交貨期短。同購置新機床相比，一般可節省60%80%的費用，改造費用低，大型，特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸，托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費工費錢，往往使成本提高23倍，與購置新機床相比，只能節省50%左右。 (2) 力學性能穩定可靠，但結構受限。舊機床所利用的床身，立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造構件，而不是焊接構件，改造后機床性能好

9、，質量高，可以作為新設備使用多年。但受到原來機械結構的限制，不宜做突破性的改造。（3） 熟悉設備，便于操作維修。購買新設備可能不了解新設備是否滿足其加工要求。改造則不然，可以精確的計算出機床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機床特性早已了解，在操作使用維修方面培訓時間短，見效快，改造的機床一安裝好，就可以實現全負荷運轉。 （4） 可充分利用現有條件。例如可以充分利用現有地基，不必像購入新設備是那樣需重新筑地基。 （5） 可以采用最新控制技術。可根據技術革新的發展速度，及時提高生產設備的自動化程度和效率，提高設備的質量和檔次，將舊機床改成當今水平機床。1.2.3 數控系統的選擇1.數控系統

10、的結構組成數控系統一般由輸入/輸出裝置，數控裝置，驅動控制裝置，輔助控制裝置四部分組成，機床本體為被控對象，如下圖所輸入輸入/輸出裝置數控裝置驅動控制裝置輔助控制裝置機床本體 輸入裝置的作用是將信息載體上的數控加工程序輸入數控裝置。輸入的內容和狀態可以通過輸出裝置觀察。常用的輸入/輸出裝置為操作鍵盤和CRT顯示器。數控裝置的主要功能是：接收加工程序信息，進行各種數據計算和邏輯判斷處理，向驅動控制裝置傳送各種指令信息。數控裝置將數控加工程序按兩類控制量分別輸出：一類是連續控制量，送往驅動裝置；另一類是離散的開關控制量，送往輔助控制裝置從而控制機床各組成部分，實現各種數控功能。驅動控制裝置位于數控

11、裝置和機床之間，它接收來自數控系統的指令信息，經功率放大后，嚴格按照指令信息的要求驅動機床的運動部件，完成指令規定的動作。這包括進給軸伺服驅動裝置和主軸驅動裝置。進給軸伺服驅動裝置由位置控制單元，速度控制單元，電動機和測量反饋單元等部分組成，它按照數控裝置發出的位置控制命令和速度控制命令正確驅動機床受控部件。主軸驅動裝置主要由速度控制單元控制。電動機可以是各種步進電機，直流伺服電機或交流伺服電機。輔助控制裝置也位于數控裝置和機床之間，接收數控裝置發出的開關命令，完成輔助動作。主要完成機床主軸選速，起停和方向控制功能，換刀功能，工件裝夾功能，冷卻，液壓，氣動，潤滑系統控制功能和其他機床輔助功能。

12、 2.數控系統的選擇 數控系統的選擇應根據改造后要達到的精度，各種性能指標等選用性價比合適，技術先進的數控系統，當然還要考慮售后維修服務的便捷性。數控系統所具有的功能要與準備改造的數控機床所能達到的功能相匹配，盡量避免系統功能過剩，在一定程度上還可能潛伏下由于數控系統復雜程度增加而帶來的故障率升高的隱患，要特別注意：要盡量向同一廠家的型號系列靠攏，這樣既有利于維修和管理，也有利于備件的購買；數控系統的選擇主要根據數控化改造后要達到的各種精度，驅動電動機的功率和用戶要求。 目前，市場上生產數控系統的廠家很多，國外著名的如德國的SIEMENS公司，日本的FANUC公司；國內的如武漢華中數控股份有限

13、公司，廣州數控設備廠。國內數控系統大體為經濟型數控系統，中檔數控系統，高檔數控系統3種。經濟型數控系統又分為開環和閉環兩種。開環數控系統具有成本低，穩定性好的優點，在控制精度要求不高的機床數控化改造中多被選用。1.2.4 控制系統的選擇1. 步進電機拖動的開環系統該系統的伺服驅動裝置主要是步進電機，功率步進電機，電液脈沖馬達等。由該數控系統送出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲桿副驅動執行部件。只要控制指令脈沖的數量，頻率以及通電順序，就可以控制執行部件的位移量，速度和轉到方向。這種數控系統不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環系統

14、。該系統的位移精度主要取決于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節距精度，所以系統的位移精度較低。該系統結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。2. 異步電動機或直流電動機的拖動，光柵測量反饋的閉環系統該系統與開環系統的區別是：由光柵，感應同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅動執行機構，以給定的速度向著消除誤差的方向運動，直到給定值與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環系統在結構上比開環系統復雜，成本也高，對環境溫度要求嚴，設計和調試都比開環系統復雜，但可以獲得避開環系統更高的精度，更快的速度，驅動更大功率的特性指標。

15、在改造過程中，可根據產品技術要求，決定是否采用這種系統。3. 交直流伺服電動機拖動，編碼器反饋的半閉環系統半閉環系統檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執行部件的位置。他只能補償系統環路內部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環系統低，但是他的結構與調試都較閉環系統簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電動機作成一個整體時，則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。具體選擇哪種數控系統，主要根據改造后機床達到的各種精度，驅動電動機的功率和用戶的要求決定。1.2.5 數控改造中主要部件的改裝內容 一臺新的數控機床，在設計上要達到：有高的靜動態剛度；運動副之間的摩擦因數小；功率大；便于操作和維修。機床

16、數控改造時應盡量達到上述要求。不能認為將數控裝置同普通機床連接在一起就達到了數控機床的要求，還應對主要的部件進行相應的改造，使其達到一定的設計要求，才能獲得預期的改造目的。(1) 滑動導軌副。對數控機床來說，導軌除有普通車床導向精度和公益性外，還要有良好的耐磨擦，磨損特性，并減少因摩擦阻力而致的死區。同時要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響，以及合理的導軌防護和潤滑。(2) 齒輪副。一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數控機床上使用的齒輪精度等級比普通機床高。在結構上要能達到無間隙傳動，因而改造時，機床主要齒輪必須滿足數控機床的要求，以保證機床的加工精度。(3

17、) 滑動絲杠和滾珠絲杠。四個傳動直接關系到傳動精度。絲杠的選用主要取決于工件的精度要求和拖動轉矩要求。工件精度不高是時，可采用滑動絲杠，但應檢查原絲杠的磨損情況如螺距誤差，螺距累積誤差以及相配螺母間隙。一般情況下滑動絲杠精度不應低于6級，螺母間隙過大就更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足叫高精度零件的加工要求滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；起動轉矩和運動時的力矩接近，可以降低電動機起動力矩。因此可滿足較高精度零件加工的要求。(4) 安全防護。改造效果必須以安全為前提。在機床改造中要根據實際情況采取相應的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元

18、件，工作時要嚴防灰塵，特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護罩。床鞍與滑動導軌接觸的兩端面要密封好，絕對禁止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。1.3 機床數控化改造的現狀1.3.1 國外機床改造業的現狀 在美國，日本和德國等發達國家，他們的機床改造作為新的經濟增長行業，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床及其技術的不斷進步，機床改造是個“永恒”的話題。在美國，日本，德國，用數控技術改造機床和生產線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產線改造的新的行業。在美國，機床改造也稱為機床再生（Remanufacturing）業。從事再生業的著名公司有：Bertsche工程公司，Ayton

19、機床公司，Develieg-Bullavd（得寶）服務集團，US設備等。美國得寶公司已在我國開辦公司。在日本，機床改造業稱為機床改裝（Retrofitting）業。從事改裝業的著名公司有：大隈工程集團，崗三機械公司，千代田工機工司，野崎工程公司，濱田工程公司，山本工程公司等。 數控技術正在發生根本性變革，由專用型封閉式開環控制模式向通用型開放式實時動態全閉環控制模式發展。在集成化基礎上，數控系統實現了超薄型，超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機，多媒體，模糊控制，神經網絡等多學科技術，實現了高速，高精，高效控制，加工過程中可以自動修正，調節與補償各項參數，實現了在線診斷和智能化故障處理；在網

20、絡化基礎上，CAD/CAM與數控系統集成為一體，機床聯網，實現了中央集中控制的群控加工。以FANUC和SIEMENS為代表的數控系統生產商已在幾年前推出了具有網絡功能的數控系統。在這些系統中，除了傳統的RS232接口外，還備有以太網接口，為數控機床聯網提供了基本條件。1.3.2 我國機床改造業現狀 我國的數控系統以傳統的封閉式體系結構為主。在傳統的封閉式結構中，CNC只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據經驗以固定參數形式事先設定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環節，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的

21、開環執行機構。在復雜環境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合，工件材料，主軸轉速，進給速率，刀具軌跡，背吃刀量，步長，加工余量等加工參數，無法在現場環境下根據外部干擾和隨機因素實時動態調整，更無法通過反饋控制環節隨機修正CAD/CAM的設定量，因而影響CNC的工作效率和產品加工質量。由此可見，傳統CNC系統的這種固定程序控制模式和封閉式體系結構，限制了CNC向多變量智能化控制發展，已不適應日益復雜的制作過程，因此，對數控機床實行改革勢在必行。1.3.3 目前我國數控化改造市場的現狀1. 機床數控化改造的市場現狀 目前我國機床總量380萬臺，而其中數控機床只有11.34萬臺，即我國機床數控化率不

22、到3%。2000年以來，我國數控機床年產量為0.60.8萬臺，年產值約18億元，機床年產量數控化率為6%。我國機床役齡10年以上的占60%以上；10年以下的機床中，自動，半自動機床不到20%，FMC/FMS等自動化生產線更屈指可數（美國和日本自動和半自動機床占60%以上）。國內傳統舊有機床的數控化改造是一個潛力巨大的市場。2. 進口設備和生產線的數控化改造市場我國自改革開放以來，很多企業從國外引進技術，設備和生產線進行技術改造。據統計，19791988年10年間，全國引進技術改造項目就有18446項，大約165.8億美元。這些項目中，大部分項目為我國經濟建設發揮了應有的作用。但是有的引進項目由

23、于種種原因，設備和生產線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業的效益受到影響。一些設備，生產線從國外引進后，由于備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備，工藝，管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發揮；有的以能耗高，產品合格率低造成虧損；有的已引進了較長時間，需進行技術更新。這些不能使用的設備，生產線是一批很大的存量資產，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以以最小的投資盤活最大的存量資產，爭取到最大的經濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。1.3.4 數控化改造是發展我國數控設備的一個重要方面 國務院關于加快裝備制造業的若干意見（以下簡稱若干意見）的

24、發布和實施，是提高我國國際競爭力，實現國名經濟全面，協調和可持續發展的戰略舉措。若干意見把發展數控裝備和數控系統及其功能部件作為振興裝備制造業重大突破的16個關鍵領域之一，對我國機床工具行業發展，具有重要指導意義。 數控機床是裝備制造業的工作母機，是實現制造技術和裝備現代化的基石。國際上一些發達國家一直把高性能數控機床作為戰略物資而嚴加控制，限制我國進口高性能數控機床； 國外裝備制造業的發展經驗證明，發展裝備制造業，數控機床是基礎。“十五”期間，我國機床工業連續幾年快速發展，到2005年我國機床產值從“九五”末期列世界第八位，躍居到世界第三位。 但從總體上看，我國機床工業同世界先進水平相比，差

25、距仍然十分明顯：一是國內高檔數控機床在品種，水平和數量上遠遠滿足不了國內的發展需求，高檔數控機床目前仍要大量依賴進口；二是數控機床功能部件和數控系統發展滯后，成為我國數控產業發展的瓶頸；三是機床制造企業技術裝備水平不高，制造能力，綜合管理和服務能力等方面不能滿足市場快節奏發展的要求；四是大型國有企業舊的設備比例大，設備更新所需資金缺口大。1.4 機床數控化改造的原則及基本改造設計方案1.4.1 改造方案的確定 改造的可行性分析通過以后，就可以針對某臺或某幾臺機床的現況確定改造方案，一般包括：（1） 機械修理與電氣改造結合。一般來說，需要進行電氣改造的機床，都需要進行機械修理。要確定機械修理的要

26、求，范圍，內容；確定因電氣改造而需要進行的機械結構改造要求，內容；確定電氣改造與機械修理，改造之間的交錯時間要求。力學性能的完好是電氣改造的基礎。（2） 先易后難，先局部后全局。確定改造步驟是，應先把整個電氣部分改造分為若干個子系統來進行，如數控機床，測量系統，主軸，進給系統，面板控制與強電部分等，待各系統基本完成后在互聯完成全系統工作。這樣可以使改造工作減少遺漏和差錯。在每個子系統工作中，應先做技術較低的，工作量較大的工作，然后做技術性較高的，要求精細的工作，使人注意力能集中到關鍵地方。（3） 根據使用條件選擇系統。針對某臺或某幾臺機床，確定它的環境，溫度，濕度，灰塵，電源，光線，甚至是否有

27、鼠害等外界使用條件，這些對選擇電氣系統的防護性能，抗干擾性能，自冷卻性能，空氣過濾性能等可提供正確的依據，是改造后的電氣系統有可靠的使用保證。當然，電氣系統的選擇必須考慮成熟產品，性能合理，實用，有備件及維修支持，功能滿足當前和今后若干年內的發展要求等。（4） 落實參與改造人員和責任。改造是一個系統工程，人員配備十分重要。除了人員的素質條件外，根據項目的大小，合理的確定人數與分工是關鍵。人員太少不利于開展工作，人員太多容易引起混亂。根據各個劃開的子系統，確定人員職責，有主有次，便于組織和協調。如果項目采用對外合作形式，更需在目標明確的前提下，界定分工，確定技術協調人。（5） 改造范圍及周期的確

28、定。又是數控機床電氣系統改造，并不一定包含該機床全部電氣系統，應根據科學的測定和分析決定其改造范圍。停機改造的周期，根據各企業的實際情況確定，考慮因素有生產緊張程度，人員技術水平，準備工作充分程度，新系統大小與復雜程度，甚至還包括天氣情況等。切忌好大喜功，急于求成，匆忙上陣，但也要合理安排，防止拖拖拉拉。1.4.2 改造前的技術準備 改造前的技術準備充分與否，很大程度上決定著改造能否取得成功。技術準備包括：（1） 機械部分準備。為配合電氣部分改造而需進行的機械大修改造的測量，計算，設計，繪圖，零件制作等應先期完成。同時對停機后需拆，改，加工的部分等，應事先規劃完畢，提出明確要求，與整個改造工作

29、銜接得當。（2） 新系統電氣資料消化。新系統有許多新功能，新要求，新技術，因此改造前應熟悉技術資料，包括系統原理說明，線路圖，PLC梯形圖及文本，安裝調試說明，使用手冊，編程手冊等。要有充裕的時間來對上述資料進行翻譯（進口系統），消化，整理，核對，做到思路清晰，層次分明。（3） 新舊系統的轉換設計。根據每臺設備改造范圍的不同，需要事先設計接口部分轉換，若全部改造的，應設計機電轉換接口，操作面板控制與配置，互聯部分接點，參數測量點，維修位置等，要求操作與維修方便，合理，線路走向通順，中小連接點少，強弱電干擾最小，備有適當裕度量等。若局部改造的，還需要考慮新舊系統的性能匹配，電壓極性與大小變換，安

30、裝位置，數模轉換等，必要時需自行制作轉換接口；（4） 操作，編程人員技術培訓。機床電氣系統改造后，必然對操作，編程人員帶來新的要求。因此提前對操作人員和編程人員進行新系統知識培訓十分重要，否則將影響改造后的機床迅速投入生產。培訓內容一般應包括新的操作面板配置，功能，指示含義；新系統的功能范圍，使用方法及與舊系統的差別；維護保養要求；編程標準與自動化編程等，重點是弄懂弄通操作說明書和編程說明書。（5） 調試步驟與驗收標準的確定。新的電氣系統改造完以后，怎樣進行調試以及確定合理的驗收標準，也是技術準備工作的重要一環。調試工作涉及機械，液壓，電氣，控制，傳感等，因此必須由項目負責人進行，其他人員配合

31、。調試步驟從簡到繁，從小到大，從外到里進行，也可先局部后全局，先子系統后整系統進行。驗收標準是對信系統的考核，制定時必須實事求是，過高或過低的標準都會對改造工作產生負面影響。標準一旦確立下來，不能輕易修改，因為它牽扯到整個改造工作的各個環節。1.4.3 改造的實施 準備工作就緒后，即可進入改造工作的實施階段。改造階段的內容按時間順序分為：（1） 原機床的全面保養。機床經長期使用后，會不同程度的在機械，液壓，潤滑，清潔等方面存在缺陷，所以首先要進行全面保養。其次應對機床做一次改前的幾何精度，尺寸精度的測量，記錄在案。這樣既可以對改造工作起指導參考作用，又可在改造結束前作對比分析用。（2） 保留的

32、電氣部分最佳化調整。若對電氣系統作局部改造，則應對保留電氣部分進行保養和最佳化調整。如強電部分的零件更換，電動機的保養，變壓器的烘干絕緣，污染的清潔，通風冷卻裝置的清洗，伺服驅動裝置的最佳化調整，老化電纜電線的更新，連續部件的緊固等。只有對保留電氣化部分做好最佳化調整工作，才能保證改造后的機床故障率教較低。（3） 原系統拆除。原系統的拆除必須對照原圖樣仔細進行，及時在圖樣上做出標記，防止遺漏和過拆（局部改造的前提下）。在拆的過程中也會發現一些新系統設計中的欠缺之處，應及時補充和修正；拆下的系統及零件應分門別類，妥善保管，以備萬一改造不成功或局部失敗時恢復使用，還有一定使用價值的，可作其他機床備

33、件用，切忌大手大腳，亂扔亂放。（4） 合理安排新系統位置及布線。根據新系統設計圖樣合理進行新系統配置，包括箱體固定，面板安放，線路走向和固定，調整元器件位置，密封及必要裝飾等。連線工作必須分工明確，有人復查檢驗，以確保連線工藝規范，線徑合適，正確無誤，可靠美觀。（5） 調試。調試必須按事先確定的步驟和要求進行。調試人員應頭腦冷靜，隨時記錄，以便發現和解決問題。調試中首先調試安色保護系統靈敏度，防治人身，設備事故發生。調試現場必須清潔干凈，無多余物品；各運動坐標托板處于全行程中心位置；能空載試驗的，先空載后加載；能模擬試驗的，先模擬后實動；能手動的先手動后自動。1.4.4 驗收及后期工作 驗收工

34、作應聘請有關的人員共同參加，并按已制定的驗收標準進行。改造的后期工作也很重要，它有利于項目技術水平的提高和設備盡早投產。驗收及后期工作包括：（1） 機床力學性能驗收。經過機械修理和改造以及全面保養，機床的各項力學性能應達到要求，幾何精度應在規定范圍內。（2） 電氣控制功能和控制精度驗收。電氣控制的各項功能必須達到動作正常，靈敏可靠。控制精度應用系統本身功能（如步進尺寸）與標準計量器具（如激光干涉儀，坐標測量儀等）對照檢查，應達到精度范圍。同時還應與改造前的機床的各項功能和精度做出對比，獲得量化的指標差。（3） 試件切削驗收。可以參照國內外有關數控機床切削試件標準，在有資格的操作工，編程人員配合

35、下進行試切削。試件切削可驗收機床剛度，切削力，噪聲，運動軌跡，關聯動作等，一般不宜采用產品零件做試件使用。（4） 圖樣資料驗收。機床改造完后，應及時將圖樣（包括原理圖，配置圖，接線圖，梯形圖等），資料（包括各類說明書），改造檔案（包括改造前，后的各種記錄）匯總，整理，移交入檔，保持資料的完整，有效，連續。這對該設備的今后穩定運行十分重要。（5） 總結，提高。沒吃改造結束后應及時總結，既有利于提高技術人員的業務水平，也有利于整個企業的技術進步。1.5 機床改造中的常見問題1. 數控系統的選擇不合理 在改造過程中，有些企業為了節約成本，選擇簡易數控系統。這種數控系統價格低廉，功能簡單，壽命不高，最

36、后影響改造后機床的使用。或者有些設備在購買時價格過高，改造時為了和當時的層次一致選擇了高檔數控系統，改造后會出現系統的功能過高，造成不必要的浪費。2. 伺服系統的選擇不匹配在數控化改造中，會有多軸的伺服系統的改造，此時會出現為了設計方便，使不同軸的伺服系統使用同樣的伺服系統。這樣會造成伺服參數的不匹配。不同的軸尤其是X/Y軸和Z軸，在機械結構上不同，產生的伺服參數，機械參數和剛度都不同，選擇相同的伺服系統會因此而產生不穩定的問題。3. 機械結構的調整過大在改造中切忌貪大求新的心理。因為改造的機床都是舊機床，本身的剛度和精度比同類型的新機床差。改造的目的是在原來的精度基礎上提高其性能水平，但是改

37、造后的機床是不能和新數控機床相比的。因此，在機械結構的改造中，要盡量保持原來的形式和部件，除非必要，一般不建議修改原有的機械結構。4. 電氣系統的更新機床經過長時間的使用，其電氣系統已經老化，最好通過改造的機會將其舊有的電氣系統更新。更換電器元件，可以用PLC實現功能的，最好用PLC控制。電氣系統更新后要詳細畫好電氣控制圖，以便將來維修。5. 液壓系統最好只做清洗工作液壓系統一般藏在機床的結構中，不便于拆卸。因此在數控化改造中，建議只對液壓系統進行清洗，更換液壓介質，不更新其液壓系統。6. 機床附件的選擇隨著數控機床的深度發展，出現了許多機床附件，如空氣過濾器，切削排出裝置等。一般可在經濟許可

38、的條件下，若生產確實需要且不改變原有機床結構，可以加配12個附件。附件的增加會使電氣控制變得更加復雜，因此在添加附件之前，要修改電氣控制方式。第二章 車床的數控化改造設計實例 目前，我國車床主要是臥式車床，與發達國家相比，型號陳舊，技術水平落后，嚴重影響了生產發展。采用先進的數控車床，已成為當今世界制造業的發展趨勢。鑒于國內制造業中普通機床的占有率較高，提高車床數控化率有兩個可行的途徑，一是購置新的數控車床；二是把臥式車床改為數控車床。根據國內目前的經濟情況，花大量的資金更換全新的數控車床花費過高，給企業造成的經濟負擔較大，同時報廢大量普通車床是一個很大浪費。因此各個企業根據自身的情況，酌情進

39、行數控化的提高，可以購置一批精度高，性能強的數控機床，或數控改造化一批尚有一定精度的臥式車床。臥式車床數控化改造的特點如下：(1) 車床改造針對性強，容易適宜生產的要求。因為車床的改造方案是根據原機床中存在的問題提出的，要改哪些地方，改到什么程度都有的放矢，能與生產結合，可以直接將科學技術轉化為生產力，使企業有積極性。(2) 車床改造可以充分利用原機床的絕大部分零部件，大大節約原材料和資金，見效快，改造周期短，可滿足生產急需。因為舊車床數控化改造大部分床身，立柱等基礎件和許多傳動部分不需更換，與購買新車床相比，費用只需其1/151/10，工期大大縮短，節約了成本，解決了生產急需。(3) 改造后

40、的車床性能穩定可靠，車床應用范圍得到擴大，適應多品種，小批量零件生產。這是因為車床的大型構件都是鑄鐵制成的，而鑄鐵件年代越久時效越充分，精度比新鑄鐵更加穩定。改造不需要改變支撐類大型構件，只需修復和更換中小型部件就可以獲得與新機床類似的效果。改造后的車床功能有較大提高。除了保有功能外，還可以滿足各種復雜型面類零件加工，極大的擴展了車床的應用范圍。(4) 經過數控化改造，可以有效提高工件加工精度和生產效率。因為改造時根據生產技術的發展要求，及時提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量。(5) 可以充分發揮企業現有技術力量的作用，調動技術人員的積極性；同時對工人技術水平要求不高。(6) 在改造

41、期間，通過拆除舊機床，裝配新的零部件等改造過程，間接培養了數控人才，對機床特性有了詳細的了解，在操作使用和維護方面培訓時間短，見效快。 通過車床數控化改造，可以使其與臥式車床相比有如下優點：1） 可以加工臥式車床加工不了的曲線曲面等復雜零件。2） 可以實現加工柔性自動化，效率比靠凸輪或擋塊等實現自動化的機床高37倍。3） 加工精度高，尺寸分散小，易于裝配。4） 可實現多工序集中加工，提高了相關的加工精度，同時減少了被加工零件在機床間的頻繁搬運。5） 擁有自動補償等多種功能，對于批量較大的，簡化了傳統機床加工工藝中的工序，機床利用率得以大幅度提高。6） 若購置一臺新的數控車床，國內數控車床價格也

42、要7萬8萬，進口設備有的近二十萬元；而對臥式車床進行數控化改造也能滿足實際生產需求，改造的成本只有2萬3萬。7） 由于采用了自動化加工技術，可以大大降低操作者的勞動強度，減少廢品的產生，提高工作效率。2.1.2 車床數控化改造的基本步驟1. 總體改造方案的設計 數控機床由機床，數控系統及外圍設備三部分組成。臥式車床改造的目的是利用數控系統控制原有車床自動完成機械加工任務，提高車床的加工精度和生產率。在考慮經濟型數控車床改造的具體方案時，所遵循的原則是，在滿足需要的前提下，對原有車床盡可能減少改動量，以降低改造成本。改造中需要解決的問題是：增加數控裝置，設計微機控制裝置或選用經濟型數控系統；將現

43、有機械傳動的進給控制裝置改造成數控控制的無級自動變速的進給系統；將絲杠換成滾珠絲杠，提高船東精度；手動控制的刀架轉位裝置改造成數控裝置控制的自動轉位刀架；加裝脈沖編碼器，實現螺紋自動切削。若對改造后機床的要求較高，則要改造主軸，重新設計主軸箱，使用主軸伺服電動機或電主軸。2. 數控化改造項目（1） 控制系統的選定。目前市場上數控系統的類型比較多，選擇前首先應對擬改造的臥式車床自身功能有一個充分的了解，可根據價格合理，技術先進，服務方面的原則選擇微機系統或數控系統。若選擇微機系統，需完成軟硬件的設計，即要完成X，Z軸的進給控制。分別完成X，Z向的插補運動，可實現車削端面，外圓，任意錐度圓弧面，球

44、面等加工。為了能夠加工螺紋，配用主軸同步脈沖傳感器，可加工導程在6mm以下的螺紋工件。整個系統屬于開環控制，結構簡單，驅動力大，成本較低，抗干擾性能強，能很好的滿足生產要求，但是設計工作量大，系統穩定性不高。另外，還可以根據實際情況選擇經濟型車床的數控系統，調制安裝簡單，可靠性高，價格較貴。（2） 機械部分的改造1） 滑動導軌副。對數控車床來說，導軌除有臥式車床導軌的精度和工藝性外，還要有良好的耐磨性，并減少因摩擦力而致的死區。同時還要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響；合理的導軌防護和潤滑。一般臥式車床的導軌材料是HT200，機床改造時可在原床鞍下滑面經機械加工后貼一層聚四氟乙烯軟

45、帶。聚四氟乙烯帶與鑄鐵配合時，具有良好的減磨性能，動摩擦因素約為鑄鐵的1/81/3，有效地防止機床的爬行。此外，床鞍與床身，中滑板與小滑板應接觸均勻，接觸面積不小于70%，接觸點數不應小于10點/cm2，這是保證加工精度和尺寸一致性的關鍵之一。2） 絲杠傳動副。一般數控車床或數控系統要求采用滾珠絲杠副傳動，目的是提高機床的進給精度，減小傳動副的摩擦阻力。為此，對滾珠絲杠和滑動絲杠做了一個比較。見表2-1，根據JB/T 28662008絲杠精度標準可知：滾珠絲杠分為1，2，3，4，5，6，7，8，9九級。臥式車床使用的是7級精度的滑動絲杠，通過將3級精度的滾珠絲杠與7級精度的滑動絲杠相比較，從精

46、度來講，二者的差異并不大，因此建議選用3級的滾珠絲杠來替換原有絲杠.這樣帶來的的好處是，傳動速度快，反應靈敏，精度較高，所需轉矩小。3） 拖板系統。托板的運動式數控系統直接控制的對象，不論是點位控制還是連續控制，被加工零件的最后坐標精度將受托板運動精度，靈敏度和穩定性的影響，尤其是對于步進電動機作為拖動元件的開環系統。因為數控系統發出的指令僅使托板運動，而沒有位置檢測和反饋，故實際移動值和系統指令值的差別造成加工誤差。因此，除了床鞍，中滑板（小滑板已被取消）配合精度要求較高外，在傳動裝置的布局上還應采用減速齒輪來提高運動轉矩和傳動精度（分辨率為0.0.mm）傳動比計算公式為4） 主軸同步傳感器

47、的的安裝。主軸同步傳感器的作用就是傳遞信息給數控裝置，保持主軸的速度和刀架進給量一致。安裝時要求主軸旋轉一圈，傳感器也要旋轉一圈，這樣才能保證發給數控裝置的信號準確，車削螺紋時不亂扣。5） 車刀刀架的改造。機床數控化改造后，將原來的小滑板拆掉，改用四刀位的自動回轉刀架或盤式回轉刀架，數控系統通過刀位控制最多能控制412把車刀可順時針連續換刀。2.2 CA6140臥式車床的數控化改造 本例為應用數控技術對CA6140臥式車床進行自動化和精密化的改造，經改造后的機床完全能實現外圓，錐度，螺紋，端面等加工的自動控制，提高了原機床生產效率，降低了勞動強度。 本數控化改造主要圍繞在車床上增設數控裝置和執

48、行元件，選擇合適的機床伺服系統等方面進行。2.2.1 總體設計方案的擬定 要求將CA6140臥式車床改造成用MCS51系列單片機控制的經濟型數控機床，采用步進電機開環控制，縱向和橫向均有直線和圓弧插補功能。要求該車床增配自動回轉刀架和主軸編碼器，具有螺紋切削的功能。系統橫向分辨率達到0.005mm。1. 設計參數1） 機床做大加工直徑：在床身上400mm，在床鞍上210mm。2） 最大加工長度：100mm。3） 拖板及刀架重力：縱向：1000N，橫向600N。4） 刀架快移速度V max：縱向2m/min，橫向1m/min。5） 最大進給速度：縱向0.6m/min，橫向0.3m/min。6）

49、定位精度：±0.015mm。7） 主電動機功率：7.5KW。8） 啟動加速時間：30ms。9） 脈沖當量：縱向0.01mm/步，橫向0.005mm/步。10） 最小分辨率：縱向0.01mm，橫向0.005mm。2 總體方案確定（1） 系統的運動方式和伺服系統的選擇。由于改造后的數控車床應具有定位，直線插補，圓弧插補，暫停，循環加工，米/英制螺紋加工等功能，故選擇連續控制系統。根據設計要求，采用步進電動機開環控制系統。（2） 計算機控制系統的選擇。根據系統運行方式，可以采用8位微機。由于MCS51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾能力強，具有很高的性價比等特點，故

50、采用MCS51系列的8031單片機擴展系統。該控制系統由微機部分，鍵盤及顯示器，I/O接口及光電隔離電路，步進電動機功率放大器組成。系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現，顯示器采用雙排數碼管顯示加工數據及機床狀態信息。（3） 機械傳動方式。為實現機床所要求的分辨率，采用齒輪絲杠的減速方式；為保證一定的傳動精度和平穩性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副取代原車床絲杠；為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加荷載的結構；齒輪傳動也采用消除側間隙的結構。經濟型數控車床總體結構框圖如下圖所示：微機光電隔離光電隔離功率放大功率放大步進電機 步進電機2.2.2 數控系統軟硬件的設計由于本車床改造后成為一

51、臺專用數控機床，專用于車削軸類，盤類零件，因而用微機控制系統實現本數控系統的功能。1. 數控系統的特點本系統是自行設計制造的數控系統，采用模塊化設計。整個系統有三個相對獨立的子系統組成，即CPU板，I/O板，鍵盤/顯示板，借鑒PC/104總線的層疊方式，以提高連接的可靠性。 系統設計緊緊圍繞提高可靠性，方便使用，降低成本的指導思想，主要特點有：（1） 液晶顯示。采用20×2帶背光字符點陣液晶顯示模板作為顯示界面，摒棄了傳統的數碼顯示，顯示靈活，自帶控制器，可減少CPU負擔。（2） 菜單驅動。全程菜單驅動，人機界面友好，操作直觀，簡明，容錯性高。（3） 全屏幕編輯。借用PC機中全屏幕編

52、程軟件的基本思想設計或在操作和功能上與主機類似的編輯模塊，使系統編輯加工程序靈活，方便，不易出錯。（4） 可靠性高。軟硬件中兩個方面都采取了面向工業的抗干擾設計措施，因此具有高可靠性。2. 硬件設計（1） 單片機的選擇。考慮到通用性以及普遍性，選擇MCS51系列中的8031芯片。8031芯片屬于8位單片機。它是集CPU，I/O口及部分RAM等為一體的控制器，價格低，但功能全，編程靈活性大，硬件資源豐富。（2） 存儲芯片的選擇3. 軟件設計數控系統是一系列能完成各種功能的程序的集合。程序采用模塊化設計方法，主要包括監控模塊（包括系統初始化，命令處理循環，零件加工程序的輸入，零件加工程序的的編輯修

53、改，指令分析與執行，系統自檢等），插補計算模塊，步進電動機控制模塊，誤差補償模塊等。 （1） 監控模塊。系統初始化后即進入命令處理程序，對于一般單片機構成的系統通常采用循環處理邏輯作為系統主程序。在循環程序中，程序不斷掃描鍵盤及操作面板，對此操作進行分析后即根據相應的操作命令轉入相應的程序模塊。 對于經濟型數控系統，零件加工程序通常從鍵盤輸入。輸入的數據經數據處理程序將輸入的十進制數與指令轉換成BCD碼存于規定緩沖區，即源程序區。而編輯零件程序可看作一個鍵盤命令處理程序，和鍵盤輸入可合為一體，既用于從鍵盤輸入新的零件加工源程序，也可在編輯狀態下，對已輸入的零件加工程序中的命令，數據進行編輯和修

54、改。 數控系統要對輸入的指令進行分析，并根據分析結果執行相應的操作。診斷程序用于檢測軟硬件功能的正確性，找出系統故障的位置，并指出故障類型。（2） 插補計算模塊。數控系統根據工件加工程序中提供的數據，如曲線的種類，起點，終點等進行運算。根據運算結果，分別向坐標軸發出進給脈沖這個過程稱為插補運算。進給脈沖通過伺服工作臺或刀具作相應的運動，完成程序的加工任務。 機床數控系統一邊進行插補運算，一邊進行加工，是一種典型的實時控制方式。所以，插補運算的快慢直接影響機床的進給精度，因此應經可能縮短運算時間，這是編制插補運算程序的關鍵。（3） 步進電動機控制模塊。控制步進電動機的驅動程序，不僅可用程序代替可

55、變頻率脈沖源和環形分配器等配件，而且還很容易用程序實現步進電動機升降速控制功能。（4）誤差補償模塊。經濟型數控機床的加工誤差是必然存在的，但只要對引起加工誤差的各個環節的定量關系清楚，就可以在編程中引入修正值，調整進給脈沖，達到調整和消除部分誤差的作用，這就是誤差的軟件補償。（5） 系統軟件的抗干擾設計。為了防止工作現場的各種干擾引起程序的“跑飛”，系統軟件在設計中必須采取相應的措施。具體地說有以下幾個方面：1）系統上電自診。系統冷啟動時CPU，EPROM，RAM等自診確認正常方可投入運行。2）指令亢余。在輸入，輸出信號間隔一定時間重復進行兩次，以跳過瞬間干擾引起的誤判或誤動作。3) 設置軟件

56、陷阱。在很多情況下，程序跑飛后很多系統會進入死循環而導致死機。這是，應采取有效措施引導跑飛的程序盡快退出死循環冰迅速復位。2.2.3 進給伺服系統的設計技算 1. 縱向機械傳動部分的數控化改造和設計計算（1）切削力計算（2）滾珠絲杠的設計計算螺紋滾道型面的選擇：單圓弧形面，雙圓弧型面；要求：經濟，易調試，穩定。方案：選用雙圓弧型面。原因：雙圓弧型面接觸角不變，雙圓弧交接處尚有小空隙可容納一些贓物，這對滾珠絲杠有利而不致堵塞。滾珠循環模式：內模式，外模式。方案:選用外循環；原因：結構簡單，公藝性優良，適合成批生產，經濟實用，適用于重載荷傳動，高速驅動及精密定位系統，是目前應用最廣泛的結構。軸向間

57、隙調整和預緊力的選擇：墊片式，螺紋式，齒差式。要求：經濟可靠，易拆裝，剛度高；方案：選用雙螺母墊圈式預緊；原因：結構簡單；裝卸方便，剛度高；（3） 計算進給牽引力。（4） 計算最大荷載。（5） 選滾珠絲杠螺母副。查機械零件設計手冊，根據CCa（Ca是絲杠的額定負載）的原則，是選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。有上面初選絲杠導程及計算所得最大動載荷，選取滾珠絲杠型號為CDM40065，其表示外循環插管式，雙螺母墊圈預緊，導珠管埋入式的滾珠絲杠，公稱直徑為40mm，導程為6mm，右旋螺紋，載荷鋼球為5圈，精度3級的定位滾珠絲杠副。其額定動載荷為28771N1248.5N，故強度足夠。（6） 滾珠絲杠的驗算1） 傳動效率計算。2） 剛度計算。滾珠絲杠工作時受軸向力和轉矩的作用，將引起導程的變化，因滾珠絲杠受轉矩時引起的導程變化很小，可忽略不計。3） 穩定性校核。（7） 確定齒輪比。（8） 步進電動機的計算與選擇。（1） 負載轉矩及最大靜轉矩的計算（2） 初選電動機型號（3） 各種工況下轉矩計算。2. 橫向機械傳動部分的數控化改造和設計計算（1） 切削力的計算（2） 滾珠絲杠設計計算滾珠絲杠選型方案可參照縱向機械傳動部分數控化改造和設計計算中的選型方案及選擇原因選擇。1） 螺紋滾道型選