机床的数控化改造方法研究

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摘要：本文将对机床的数控化改造进行科学分析并从数控系统和机械系统的改造等方面提供可行性方案和思路。

关键词：普通机床;数控机床;系统改造

引言：随着制造业的不断发展，数控化机床率已经成为衡量一个国家制造业是否发达的主要标志。20世纪90年代我国有150多万台机床，目前我国家拥有机床约300万台，其中数控机床仅仅8万台左右，数控机床数量远远低于那些制造业发达的国家。我国普通机床设备陈旧老化、技术落后，严重影响生产力的发展。对普通机床进行数控改造已经成为既适合我国国情又使其具备先进的数控机床特点的最好途径。它将使企业走出困境，实现跨越式发展的必由之路。

1、机床数控化改造分析

数控化改造是指对普通化机床的某些部位进行改装，再配上经济型的数控装置和标准型数控系统。改造后的数控机床将在自动化程度上、专业性上、加工精度和生产率上大幅度提高。首先，要进行性价比分析。购置一架新机床大约需要340万元，从安装到调试要半年到一年的时间。改造旧机床需要100万元左右，改造时间约为3个月左右。其次，进行技术评估。主要包括改造后机床的精确度和使用性能。

2、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

机械系统改造是数控系统改造的关键技术。主要改造内容为提高过去零部件的灵活性，减小转动间隙和反向转动间隙。要想达到技术指标，要对导轨、主轴变动机构等进行改造。

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G CR 15 轴承钢淬硬到65～62H RC，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

在机床数字化改造过程中，自动控制系统是非常重要的组成部分。因此，必须根据改造的实际需求选择合适的数控产品。目前，数控机床控制系统逐渐成熟，市场上出现了各种各样的品牌，大致可分为两大类：一类是常规数控系统;另一类是开放式数控系统。每一类控制系统都具有高、中、低不同档次供用户选择。因此，用户可以根据自己改造的控制精度、改造资金情况进行选择。

1)常规机床数控系统

常规机床数控系统比较著名的品牌主要有德国西门子的SINUMERIK，现在已经逐渐形成了产品系列，如SINUMERIK810、820，SINUMERIK840、850，SINUMERIK802等。日本的FANUC 系列以及MITSUBISHIM50系列。这些产品都是集成的、封闭体系结构，主要包括数控装置CNC、交直流驱动系统、可编程控制器、位置控制系统、通信系统以及辅助控制系统等。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。另外，系统的编程必须使用指定的软件和编程语言，数控装置程序开发采用NC，PLC开发采用梯形图等，需要开发人员具有较高的软件编程能力。因此，这类数控装置已经逐步退了市场，而另一类数控产品即开放式机床数控装置成为了数控机床制造的主流。

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。目前，市场常用的开放式机床数控产品主要有三种。每一种数控装置都是以PC为控制核心。第一种CNC+PC机的开放式数控装置。这类产品虽然提高开放程度，但是还是需要CNC作为机床的直接控制装置，PC机将各种命令、数据进行传输。因此，这类产品价格昂贵，结构也比较复杂。主要的代表是西门子的SINUMERIK840、850和日本的FANUC18I等产品。第二种是PC+运动卡式的开放式数控系统。这类产品完全采用PC机作为真正的控制核心，用户可以根据需要进行硬件结构设计并利用windows操作系统和高级编程软件进行开发。系统除了PC机外，比较重要的硬件是运动卡，它是对外控制伺服系统的控制接口。国内主要产品为有华中数控、广州数控等产品。结构如图1所示。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。

数控改造中还涉及伺服驱动系统的改造和设计。首先要选择合适的、配套的伺服电机。现在的机床可以选择直流电机，也可以选择交流电机，甚至步进电机。一般主轴电机选择交流电机;Z轴、X轴以及U轴等坐标轴电机选择直流电机、交流电机皆可;工件拖动等辅助部分可采用直流电机。电机选择时注意电机的转矩、转速等指标。最后，电机一般采用专用的驱动控制模块或变频器进行控制，现在市场上都有比较成熟的产品可供选择。

3、结论

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，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。

参考文献：

[1]纪晶，高鸿雁，姜元志等.普通机床数字化改造研究[J].现代制造技术与装备，2007(1).

[2]韩瑞宝.普通机床数控改造方法与设计探讨[J].科技创新与应用，2012(12).

机床的数控化改造方法研究