浅谈普通机床的数控化改造

 本文主要分析机床的数控化改造的必要性及其普通机床数控改造的几大关键点，从而分析数控改造机床的优缺点。
    机床数控化改造的必要性
    从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力：可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件；可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍；加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要"修配"；可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运；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。
    从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。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。
    数控化改造的内容
    机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是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；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，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；其四是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，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。
    数控化改造的优缺
    其一是减少投资额、交货期短。同购置新机床相比，一般可以节省60％～80％的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显；其二是机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造；其三是熟悉了解设备、便于操作维修。购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；其四是可充分利用现有的条件。可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基；其五是可以采用最新的控制技术。可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。
    数控系统的选择
    数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。
    4.1.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杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统。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。
    4.2.异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统
    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偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。
    4.3.交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统
    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。它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的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。
    数控改造中主要机械部件改装探讨 
    5.1.滑动导轨副
    对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。
    5.2.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都比普通机床高。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，以保证机床加工精度。
    5.3.滑动丝杠与滚珠丝杠
    丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。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；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。
    5.4.安全防护
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。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。
    数控改造实例
    6.1.用SIEMENS 810M改造X53铣床
    2001年，用德国西门子810M数控系统、611A交流伺服驱动系统对公司的一台型号为X53的铣床进行X、Y、Z三轴数控改造；保留了原有的主轴系统和冷却系统；改造的三轴在机械上采用了滚轴丝杆及齿轮传动机构。整个改造工作包括机械设计、电气设计、PLC程序的编制与调试、机床大修，最后是整机的安装和调试。铣床改造后，加工有效行程X/Y/Z轴分别为880/270/280 mm；最大速度X/Y/Z轴分别为5000/1500/800 mm/min；手动速度X/Y/Z轴分别为3000/1000/500 mm/min；机床加工精度达到±0.001mm。机床的三坐标联动可完成各种复杂曲线或曲面的加工。