淺談普通機(jī)床的數(shù)控化改造

摘 要：本文重點(diǎn)介紹了普通機(jī)床數(shù)控化改造的必要性及數(shù)控化改造的內(nèi)容及其優(yōu)缺點(diǎn)，以及如何進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控化改造，包括數(shù)控系統(tǒng)的選擇要素，并對(duì)數(shù)控改造中如何對(duì)主要機(jī)械部件進(jìn)行改造進(jìn)行了探討，列舉了普通機(jī)床數(shù)控改造的主要步驟。最后說(shuō)明了普通機(jī)床數(shù)控改造中經(jīng)常遇到的問(wèn)題及其解決方案。

關(guān)鍵詞：機(jī)床 數(shù)控 改造 集成 性能 調(diào)整

中圖分類(lèi)號(hào)：TG502 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（c）-0061-02

1946年世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生了，開(kāi)創(chuàng)了機(jī)器部分代替“人腦”的先河，為當(dāng)今信息社會(huì)的產(chǎn)生及數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。隨著1952年計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)床上的應(yīng)用，人類(lèi)歷史上誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。在數(shù)控技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，數(shù)控技術(shù)在機(jī)加工領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)歷了兩個(gè)階段。

第一階段為數(shù)控（NC）階段—此階段為數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的初期階段，起源于1952年。 當(dāng)時(shí)，人們僅采用數(shù)字邏輯電路搭成機(jī)床專(zhuān)用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為數(shù)控（NC）。

第二階段為計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段— 此階段起源于1970年，隨著小型計(jì)算機(jī)的誕生，人們開(kāi)始將其移植到機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控的核心部件。

1 普通機(jī)床的數(shù)控化過(guò)程

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)在機(jī)加工領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷的提高和創(chuàng)新。在進(jìn)入20世紀(jì)70年代年以后，隨著集成化電路的應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)了集成化和小型化。20世紀(jì)90年代以后，隨著小型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使得小型個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）作為前端機(jī)來(lái)處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等變的更加方便。隨著智能化技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)的智能化水平也在不斷提高。例如，人們應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)來(lái)檢測(cè)數(shù)控過(guò)程中的一些重要信息，并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的；將加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為平臺(tái)，建立具有人工智能的操作系統(tǒng)等等。數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)加工領(lǐng)域的應(yīng)用，大大提高了機(jī)床的性能。如何提高和改善普通機(jī)床性能，成為機(jī)床行業(yè)的一個(gè)新課題。圖1描繪了普通機(jī)床的數(shù)控化改造過(guò)程。

2 普通機(jī)床數(shù)控改造的必要性

數(shù)控機(jī)床有許多優(yōu)于普通機(jī)床的特性，這些特性主要來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)的控制能力和計(jì)算能力。其優(yōu)越性重點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）效率大大提高-數(shù)控機(jī)床的效率是普通機(jī)床的數(shù)倍，有的甚至可達(dá)數(shù)十倍。

（2）模仿能力-數(shù)控機(jī)床具有普通機(jī)床不具備的“模仿”能力，這主要得益于數(shù)控機(jī)床超凡的計(jì)算能力，可依據(jù)已知的要求加工出曲面和曲線等復(fù)雜零部件。

（3）可以實(shí)現(xiàn)機(jī)加工的自動(dòng)化-計(jì)算機(jī)具有的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力，為機(jī)加工的自動(dòng)化提供了可能和保證。

（4）加工精度和可靠性大大提高。

（5）可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，自動(dòng)監(jiān)控和自動(dòng)報(bào)警-數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力可以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的無(wú)人操作，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了對(duì)人的依賴(lài)。

（6）機(jī)床的數(shù)控化為推行FMC（柔性制造單元），F(xiàn)MS（柔性制造系統(tǒng)）和CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等提供了基礎(chǔ)，并為機(jī)加工企業(yè)的信息化改造提供了技術(shù)支持。

（7）為加工領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理奠定了基礎(chǔ)-在多品種小批量的生產(chǎn)條件下，數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化管理可大大提高數(shù)控機(jī)床的利用率。

3 普通機(jī)床數(shù)控化改造的內(nèi)容

隨著機(jī)加工技術(shù)的不斷進(jìn)步以及數(shù)控技術(shù)的不斷更新，對(duì)普通機(jī)床改造的探索也在不斷發(fā)展。普通機(jī)床的數(shù)控化改造主要包括以下三類(lèi)。

（1）設(shè)備翻新升級(jí)-此種改造的重點(diǎn)是對(duì)原數(shù)控機(jī)床不滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

（2）普通機(jī)床的NC（數(shù)控）化-此種改造重點(diǎn)是在原普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置或加數(shù)控系統(tǒng)，使普通機(jī)床升級(jí)為簡(jiǎn)單的數(shù)控機(jī)床。

（3）技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新-此種改造的目的是使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，從而達(dá)到較大幅度的提高設(shè)備的能力和檔次。

4 普通機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)勢(shì)

4.1 節(jié)約費(fèi)用

與購(gòu)置新的數(shù)控機(jī)床相比，普通機(jī)床的數(shù)控化改造一般可節(jié)省大約60%～80%的費(fèi)用。由于大型機(jī)床機(jī)械部分所占比重較大，可節(jié)約的費(fèi)用更加可觀，符合產(chǎn)業(yè)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。

4.2 交貨期短

一般講機(jī)械部件的交貨周期較長(zhǎng)，由于機(jī)床的數(shù)控化改造過(guò)程中機(jī)械部分的改造較小，交貨期可大大縮短。

4.3 機(jī)械性能穩(wěn)定可靠

由于老設(shè)備的機(jī)械部件經(jīng)過(guò)多年的使用，其主體部分的強(qiáng)度和韌性已得到充分的驗(yàn)證。另外，老的機(jī)械設(shè)備的主體如床身和立柱等都是重而堅(jiān)固的鑄件，和焊接結(jié)構(gòu)件相比，它的穩(wěn)定性高、質(zhì)量好。

4.4 操作更加容易，維修更為方便

由于是老設(shè)備的改造升級(jí)，操作人員對(duì)設(shè)備熟悉，在操作使用和維修方面不必花費(fèi)太多的時(shí)間和精力進(jìn)行培訓(xùn)。

4.5 可以采用最新的技術(shù)對(duì)老設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)

5 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

數(shù)控系統(tǒng)的選擇應(yīng)主要考慮實(shí)際需求，應(yīng)盡可能的減少機(jī)械部件的改造。數(shù)控選型時(shí)應(yīng)充分考慮老設(shè)備的承載能力，并適當(dāng)考慮今后一段時(shí)間的發(fā)展，制定合理的改造方案。

數(shù)控系統(tǒng)主要有以下三種。

（1）步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)-這種系統(tǒng)-不需要將所測(cè)得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端。驅(qū)動(dòng)裝置主要是步進(jìn)電機(jī)，系統(tǒng)的位移精度取決于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度和機(jī)械傳動(dòng)精度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，改造費(fèi)用低，工作可靠。

（2）異步電機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)-此種系統(tǒng)需要得到反饋信號(hào)，隨時(shí)與給定值進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果傳至驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)可取得更高的加工精度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，改造費(fèi)用高。

（3）交、直流伺服拖動(dòng)-此種系統(tǒng)介于開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)之間。

6 數(shù)控改造過(guò)程中涉及的主要機(jī)械部件

普通機(jī)床的數(shù)控化改造，不是簡(jiǎn)單的將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起。還應(yīng)對(duì)一些部件進(jìn)行改造使其適應(yīng)數(shù)控機(jī)床的要求，如圖2所示。數(shù)控化改造常涉及到的機(jī)械部件有以下幾點(diǎn)。

（1）滑動(dòng)導(dǎo)軌-導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通機(jī)床的導(dǎo)向精度和工藝性外，還應(yīng)有良好的耐磨性，同時(shí)具有足夠的剛度。

（2）齒輪副-為了保證精度，數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)精度都大于普通機(jī)床。因而，改造時(shí)機(jī)床的主要齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床的要求，以保證數(shù)控機(jī)床的加工精度。

（3）縱橫向進(jìn)給裝置-應(yīng)對(duì)現(xiàn)有進(jìn)給裝置進(jìn)行評(píng)估，選擇適用于數(shù)控裝置的進(jìn)給裝置。加工件精度要求較高時(shí)，應(yīng)選用滾珠絲桿。

（4）刀架-需將手工刀架更換為數(shù)控刀架。

（5）安全防護(hù)裝置-如普通機(jī)床的安全防護(hù)裝置不能滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床的安全要求，應(yīng)進(jìn)行改造。

7 普通機(jī)床的數(shù)控化改造步驟

7.1 確定改造方案，一般包括

（1）確定機(jī)械改造和電氣改造的內(nèi)容。機(jī)械改造和電器改造互為補(bǔ)充，機(jī)械性能的完好是數(shù)控化改造的前提。

（2）系統(tǒng)分解。將改造內(nèi)容分解成若干子系統(tǒng)，如傳動(dòng)系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)等，逐個(gè)制定詳細(xì)改造方案。

（3）確定改造步驟。可以依照系統(tǒng)的分解，按照先易后難，先局部后整體的思路逐步進(jìn)行。切忌好大喜功，急于求成。條件不具備，不要強(qiáng)行實(shí)施。

7.2 改造前的技術(shù)準(zhǔn)備

（1）為配合電器改造，確定哪些機(jī)械部件需要改造。對(duì)需要改造的機(jī)械部件進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算和圖紙繪制。

（2）仔細(xì)研究需要新配置的電器系統(tǒng)，弄清原理，理解消化新功能。做到改造思路清晰，層次分明。

（3）確定新舊系統(tǒng)接口的設(shè)計(jì)。做到新舊系統(tǒng)銜接合理通暢，易于操作和維護(hù)。

（4）確定調(diào)試方案。改造前，應(yīng)仔細(xì)研究分析新的系統(tǒng)性能。依據(jù)數(shù)控化改造的整體思路，制定相應(yīng)的單元調(diào)試方案和整體綜合調(diào)試方案。

7.3 改造的具體實(shí)施，按時(shí)間順序分為以下幾個(gè)階段

（1）對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行全方位的維護(hù)保養(yǎng)，確保設(shè)備處于良好狀態(tài)。并對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行測(cè)量和記錄，以便于改造后進(jìn)行對(duì)比分析。

（2）優(yōu)化需保留的電器系統(tǒng)，更換功能老化的部件，如電纜和緊固件等。使保留的電器元部件處于最佳狀態(tài)。

（3）拆除需要改造的部分。拆除前應(yīng)在原圖紙上做出標(biāo)記，以免遺漏或過(guò)拆。對(duì)拆下的元部件應(yīng)做好標(biāo)記，妥善保管，以備使用。

（4）合理安排新系統(tǒng)，及時(shí)糾正新系統(tǒng)的不合理配置及安裝。做到新系統(tǒng)配置合理、安裝有序，功能達(dá)到最大化。

7.4 調(diào)試

調(diào)試應(yīng)依據(jù)事先確定的方案進(jìn)行。在調(diào)試過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，應(yīng)停止調(diào)試，待方案確定后再繼續(xù)進(jìn)行，切忌調(diào)試的隨意性。調(diào)試過(guò)程中應(yīng)做好記錄。調(diào)試步驟一般分為以下幾步。

（1）先調(diào)試子系統(tǒng)，再調(diào)試整系統(tǒng)。即先單元調(diào)試，后聯(lián)動(dòng)調(diào)試。

（2）先手動(dòng)后機(jī)動(dòng)。能手動(dòng)調(diào)試的，一定要先手動(dòng)調(diào)試，手動(dòng)合格后再通電調(diào)試。

（3）先空載后加載。空載調(diào)試合格后再進(jìn)行加載調(diào)試。加載調(diào)試過(guò)程中應(yīng)分步加載，切忌一步加到滿(mǎn)載。

7.5 驗(yàn)收

應(yīng)聘請(qǐng)有關(guān)專(zhuān)家和相關(guān)技術(shù)人員和操作人員組成驗(yàn)收小組，依據(jù)改造方案逐步進(jìn)行驗(yàn)收。驗(yàn)收過(guò)程中應(yīng)做好記錄和文件整理，需要進(jìn)一步完善的應(yīng)記錄在案。達(dá)不到要求的不得交付操作人員。所有操作人員應(yīng)先培訓(xùn)考核，考核合格后再上崗操作。

8 結(jié)語(yǔ)

普通機(jī)床的數(shù)控化改造是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要有耐心和信心。只要準(zhǔn)備充分，選擇改造方案合理，實(shí)施過(guò)程控制得當(dāng)，普通機(jī)床的數(shù)控化改造將會(huì)收到理想的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 芮延年.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 周德儉，吳兆華，陳子辰.使用PC的開(kāi)放式計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，1997.

[3] 劉利.當(dāng)前NC的熱點(diǎn)—— 開(kāi)放化與PC化[J].機(jī)電一體化，1998.

[4]（加）Yusuf Altintas-數(shù)控技術(shù)與制造自動(dòng)化[M].化學(xué)工業(yè)出版社.