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近年來，隨著各行業(yè)對機(jī)加工產(chǎn)品要求的不斷提高和數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床以其精度高、效率高和勞動強(qiáng)度低等諸多普通機(jī)床*的優(yōu)勢，成為當(dāng)今制造業(yè)的主流加工設(shè)備。目前，一個企業(yè)設(shè)備數(shù)控化程度的高低已經(jīng)直接影響到了它的生存。那些擁有大量普通機(jī)床的工廠，正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這些廠家效益不好的主要原因，一方面是大量普通機(jī)床閑置造成浪費(fèi)，另一方面是沒有足夠的資金購買新的數(shù)控設(shè)備。因此，投入較少的資金，把原有機(jī)床進(jìn)行升級改造，使之變成數(shù)控機(jī)床，就成了解決這一問題的辦法?，F(xiàn)在，機(jī)床的改造，特別是把普通機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，已經(jīng)成為了我國廣大企業(yè)設(shè)備投資的重要組成部分。現(xiàn)將機(jī)床改造中要考慮的主要問題介紹如下：
1 伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它既是數(shù)控系統(tǒng)CNC系統(tǒng)與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)。它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。例如，數(shù)控機(jī)床的zui高移動速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標(biāo)均取決于伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。伺服系統(tǒng)按控制方式分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)三類。在普通機(jī)床的數(shù)控化改造中，一般選用價格較低的開環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的執(zhí)行元件——伺服電機(jī)，通常采用步進(jìn)電機(jī)或永磁式交流伺服電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)是采用脈沖數(shù)字信號進(jìn)行控制的，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)步距誤差自動變?yōu)榱?，易于控制，。其選擇的關(guān)鍵是對參數(shù)進(jìn)行確定。確定參數(shù)的具體方法是：先計算電機(jī)的步距角，其次確定其步距精度，然后再對它的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行選擇，zui后選定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。
永磁式交流伺服電機(jī)常用于進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)中，它容量大，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，效率高，但啟動特性欠佳。其選擇方法是：先確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，其次選擇其負(fù)載慣量，然后再確定它的額定轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行電機(jī)預(yù)選，zui后通過進(jìn)一步的速度、加減速轉(zhuǎn)矩及連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩的驗算確定預(yù)選電機(jī)是否符合要求。
2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的中樞，是其中zui關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。目前，市場上數(shù)控系統(tǒng)的類型較多，選擇時要保證能購得的系統(tǒng)，就必須要充分考慮改造中各方面的因素。
首先，要考慮被改造機(jī)床的功能要求。根據(jù)機(jī)床的功能要求選擇數(shù)控系統(tǒng)，以使數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能要與準(zhǔn)備改造的機(jī)床所能達(dá)到的功能相匹配。既要避免因偏面追求數(shù)控系統(tǒng)的高性能指標(biāo)，而選擇了功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于改造機(jī)床功能的系統(tǒng)，造成功能過剩、資金浪費(fèi)，且在一定程度上還可能潛伏下由于數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加而帶來故障率升高的隱患。又要保證所選數(shù)控系統(tǒng)能滿足機(jī)床全部功能要求，不要出現(xiàn)一些因必須的系統(tǒng)功能短缺，影響其它功能的使用，使機(jī)床的優(yōu)良性能發(fā)揮不出來。
其次，要考慮數(shù)控系統(tǒng)的制造廠商。老牌跨國公司主要有德國的西門子、日本的發(fā)那科和三菱、法國的NVM等，國內(nèi)公司主要有中華數(shù)控、中國珠峰、北京航天等。目前，進(jìn)口系統(tǒng)的性能尚優(yōu)于國產(chǎn)系統(tǒng)，但價格也較高，因此適用于大型高精度機(jī)床。國產(chǎn)系統(tǒng)功能較簡單，性能較穩(wěn)定，價格便宜，對一般車床、銑床已能可靠使用，且近幾年國產(chǎn)系統(tǒng)也有長足進(jìn)步，與*技術(shù)的差距越來越小。如中華數(shù)控公司，就憑借已其達(dá)到水平，且具有自主版權(quán)的數(shù)控技術(shù)和現(xiàn)代化的產(chǎn)業(yè)基地在中國大地迅速崛起。該公司的中華數(shù)控系統(tǒng)曾在2004年舉行的*屆全國數(shù)控技能大賽上與西門子、發(fā)那科等系統(tǒng)同臺競技，充分發(fā)揮了其強(qiáng)大功能優(yōu)勢。使用此系統(tǒng)的參賽選手，有多人取得了很好的成績。可見，國內(nèi)系統(tǒng)功能也會越來越完善。
第三，要考慮數(shù)控系統(tǒng)與其它配件的匹配。如果數(shù)控系統(tǒng)、電機(jī)及驅(qū)動器的品種、牌號太雜，在連接各部件時，就可能會出現(xiàn)輸入與輸出信號的不匹配及在傳送中信號產(chǎn)生滯后等現(xiàn)象。因此，選擇時要優(yōu)先考慮能提供進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸驅(qū)動的廠家的數(shù)控系統(tǒng)。
另外，在資金允許的條件下，盡量向廠家型號系列靠攏。一般廠商此類系統(tǒng)零件篩選更嚴(yán)格，制造工藝更規(guī)范可靠，性能穩(wěn)定，能更好地預(yù)防電器元件的故障或提前失效引起的設(shè)備故障，也有利于維修。
3 機(jī)床機(jī)械部件的改造
數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部分在剛度、精度、速度、摩擦磨損等方面較普通機(jī)床有更高的要求。因此，不能簡單地認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了機(jī)床數(shù)控改造的目的。而是應(yīng)該從機(jī)床自身的價值考慮，分析改造要達(dá)到的目標(biāo)和所需投入。從該機(jī)床在本單位產(chǎn)品制造中的地位和重要程度來分析改造價值。對被改造機(jī)床的結(jié)構(gòu)、性能、精度等技術(shù)現(xiàn)狀作全面分析。其中包括機(jī)床原來的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否符合改造要求，部件結(jié)構(gòu)是否仍然完好，各坐標(biāo)軸的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌副的形式等是否適用，各項精度是否滿足要求，機(jī)床在加工中是否存在故障和歷*有無出現(xiàn)過重大故障。從該機(jī)床的投入產(chǎn)出率估算，確定zui終改造方案。
3.1主傳動系統(tǒng)的改造
在對主傳動系統(tǒng)進(jìn)行改造時，一般應(yīng)盡量保留原主軸箱齒輪變速換檔機(jī)構(gòu)，只把主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)由原來的機(jī)械控制改變?yōu)橛蓴?shù)控系統(tǒng)控制。當(dāng)然，如果為了擴(kuò)大變速范圍，實(shí)現(xiàn)加工過程中的自動變速，也可以將原來的單速電機(jī)更換為多速電機(jī)，這樣可以使機(jī)床性能更好。但多速電機(jī)的功率是隨轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以電機(jī)功率要大，且還要增加一套電機(jī)變速系統(tǒng)，改裝比較麻煩。對普通機(jī)床進(jìn)行簡易數(shù)控改造時，不要用這種方法。另外，為了使改裝后的機(jī)床主傳動和進(jìn)給傳動保持必然的，要在主軸箱內(nèi)安裝一個與主軸同步旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器。如普通車床改裝為數(shù)控車床時，在主軸箱內(nèi)裝主軸脈沖編碼器，以保證改造后的車床具備螺紋加工的功能。
3.2進(jìn)給傳動系統(tǒng)的改造
在對進(jìn)給傳動系統(tǒng)進(jìn)行改造時，一般都應(yīng)該把原來的進(jìn)給變速傳動裝置及操縱機(jī)構(gòu)全部拆除。而每個方向的進(jìn)給傳動都改由各自獨(dú)立的功率步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)減速齒輪直接與帶動滑板移動的絲杠連接，分別實(shí)現(xiàn)各坐標(biāo)方向的運(yùn)動，進(jìn)行各坐標(biāo)的控制。例如普通機(jī)床的簡易化數(shù)控改裝，通常都是把原來由主軸箱到進(jìn)給箱的傳動路線切斷，且將溜板箱拆除，直接把齒輪減速箱和功率步進(jìn)電機(jī)安裝在縱向絲杠的右端和橫向絲杠的外端。
在對機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)改裝的同時，也要對此傳動系統(tǒng)中的傳動裝置元件進(jìn)行相應(yīng)的改造。具體如下：
（1）絲杠。絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動的傳動裝置。改造時，為了滿足數(shù)控機(jī)床上較高精度零件的加工要求，應(yīng)該用滾珠絲杠螺母副替換原普通機(jī)床上的梯形絲杠螺母副。滾珠絲杠螺母副把傳動絲杠與螺母之間的滑動摩擦變?yōu)榱藵L動摩擦，使摩擦損失減小，精度保持性、傳動平穩(wěn)性、傳動效率等都得以提高。其傳動效率可達(dá)到92%～98%，是普通絲杠螺母副的3～4倍。
（2）拖板。拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對象。不論是點(diǎn)位控制、直線控制，還是輪廓控制，被加工零件的zui終坐標(biāo)精度都將受到拖板運(yùn)動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。除拖板及相配件精度要高外，由驅(qū)動電機(jī)到絲杠間的傳動齒輪也要采用間隙消除結(jié)構(gòu)。以滿足傳動精度和靈敏度的要求。常用的消隙方法有剛度調(diào)整法和柔性調(diào)整法兩種。剛性調(diào)整法傳動剛度較好，結(jié)構(gòu)簡單，但調(diào)整起來很費(fèi)時；柔性調(diào)整法，一般用彈簧彈力自動消除齒側(cè)間隙，傳動剛度較低，傳動平穩(wěn)性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。改造中，可根據(jù)機(jī)床加工目標(biāo)選用。具體選用可參考有關(guān)資料。
（3）機(jī)床導(dǎo)軌。為了使改造后的機(jī)床有較高的開動率和精度保持性，應(yīng)充分考慮機(jī)床導(dǎo)軌的耐磨性。當(dāng)前國內(nèi)普通機(jī)床床身等大件多采用普通鑄鐵，其摩擦系數(shù)較大。改造中，在對達(dá)不到預(yù)定要求的原機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行修磨、刮研后，要在上面貼上耐磨、吸振的聚四氟飛烯軟帶。
4 刀架的改造
刀架是否需要進(jìn)行改造，要根據(jù)改造后機(jī)床主要加工對象來確定。若采用一把刀即可完成本機(jī)床上的加工，就沒有必要對刀架進(jìn)行改造。若需采用多把刀，如普通車床改裝后需要三、四把刀才能完成全部車工工序，就必須對刀架部件進(jìn)行改造。即拆掉原手動刀架，裝上電氣或液壓驅(qū)動，由數(shù)控裝置控制的自動刀架。
機(jī)床的數(shù)控化改造要考慮的因素很多。除了上面提到的主要內(nèi)容外，由于機(jī)床控制方式的改變，還要對其進(jìn)行電氣部分的重新設(shè)計，機(jī)械部分的大修和專項修理，解決調(diào)試、安裝等多方面存在的問題。總之，在改造過程中，一定要全面綜合地考慮問題。只有這樣才能改造出性能價格比*的機(jī)床.
在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計算機(jī)、信息處理、自動檢測、自動控制等*于一體，具有高精度、率、柔性自動化等特點(diǎn)，對制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實(shí)時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超薄型、超小型化;在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速、高精、控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理;在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了*集中控制的群控加工。長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機(jī)床運(yùn)動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實(shí)際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)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(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實(shí)時動態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機(jī)修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程，因此，對數(shù)控技術(shù)實(shí)行變革勢在必行。
1.智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等;簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機(jī)界面等;還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上，面向機(jī)床廠家和zui終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。
2.高速、高精加工技術(shù)發(fā)展的新趨勢
高速高精化速度、精度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機(jī)床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)床的高速高精化已大大提高。zui大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。目前，我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以告訴加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度zui大60 m/min，快速100 m/min，加速度為2g，主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)60000r/min，加工一薄壁飛機(jī)零件只需要30min，而同樣的零件在一般高速銑床上加工需要3h，在普通銑床上加工需要8h。
在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10um提高到了5 um，精密級加工中心已從3~5 um提高到了1~1.5 um，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級（0.01 um）。
在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值已達(dá)到30000h以上，表現(xiàn)出了非常高的可靠性。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如：直線電機(jī)、電主軸得到了快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。
3.數(shù)控系統(tǒng)向開放式體系結(jié)構(gòu)發(fā)展
20世紀(jì)90年代以來，由于計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動數(shù)控技術(shù)更快的更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機(jī)豐富的軟、硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、可擴(kuò)展性，并可以較容易的實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。近幾年許多國家紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng)，如美國科學(xué)制造中心（NCMS）與*共同領(lǐng)導(dǎo)的"下一代工作站/機(jī)床控制器體系結(jié)構(gòu)"NGC，歐共體的"自動化系統(tǒng)中開放式體系結(jié)構(gòu)" OSACA，日本的OSEC計劃等。開放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機(jī)技術(shù)，使編程、操作以及技術(shù)升級和更新變得更加簡單快捷。開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的，數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶可以根據(jù)這些開放的資源進(jìn)行的系統(tǒng)集成，同時它也為用戶根據(jù)實(shí)際需要靈活配置數(shù)控系統(tǒng)帶來極大方便，促進(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。同時，這種數(shù)控系統(tǒng)可隨CPU升級而升級，而結(jié)構(gòu)可以保持不變。
4.對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考
我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握*制造核心技術(shù)，否則在新一輪產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進(jìn)一步"空芯"。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的"加工中心"和"組裝中心"，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口zui多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定。。