一、机床进行数控化改造的必要性
（1）数控机床：1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。
6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。
①数控（NC）阶段（1952～1970年）
早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代--电子管；1959年的第二代--晶体管；1965年的第三代--小规模集成电路。
②计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）
到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的"通用"两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。
到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。
到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。
总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代--小型计算机；1974年的第五代--微处理器和1990年的第六代--基于PC（国外称为PC-BASED）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控
（NC）。
1.1.2数控技术
随着计算机、微电子、信息、自动控制、精密检测及机械制造技术的高速发展，机床数控技术有了长足的进步。近几年一些相关技术的发展，如刀具及新材料的发展，主轴伺服和进给伺服、超高速切削等技术的发展，以及对机械产品质量的要求越来越高等，加速了数控机床的发展。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm 提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。
为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。目前数控机床正朝着高速度、高精度、高工序集中度、高复合化和高可靠性等方向发展。世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面。
①高速高效高精度
高生产率。由于数控装置及伺服系统功能的改进，主轴转速和进给速度大大提高，减少了切削时间和非切削时间。加工中心的进给速度已达到80m/min～120m/min，进给加速度达9.8m/s2～19.6m/s2，换刀时间小于1s。高加工精度。以前汽车零件精度的数量级通常为10 μm，对精密零件要求为1 μm，随着精密产品的出现，对精度要求提高到0.1 μm，有些零件甚至已达到0.01 μm，高精密零件要求提高机床加工精度，包括采用温度补偿等。微机电加工，其加工零件尺寸大小一般在1mm 以下，表面粗糙度为纳米数量级，要求数控系统能直接控制纳米机床。
②柔性化
柔性化包括两个方面的柔性：一是数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，便于不同用户的需求；二是DNC 系统的柔性，同一DNC系统能够依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥DNC 系统的效能。
③工艺复合化和多轴化
数控机床的工艺复合化，是指工件在一台机床上装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或旋转工作台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。已经出现了集钻、镗、铣功能于一身的数控机床，可完成钻、镗、铣、扩孔、铰孔、攻螺纹等多工序的复合数控加工中心，以及车削加工中心，钻削、磨削加工中心，电火花加工中心等。此外数控技术的进步也提供了多轴控制和多轴联动控制功能。
④实时智能化
早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能，则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学发展到今天，实时系统与人工智能已实现相互结合，人工智能正向着具有实时响应的更加复杂的应用领域发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例
如，在数控系统中配置编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统；在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能；在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。
⑤结构新型化
20 世纪90 年代一种完全不同于原来数控机床结构的新型数控机床被开发成功。这种新型数控机床被称为“6条腿”的加工中心或称虚拟轴机床(有的还称为并联机床)，它能在没有任何导轨和滑台的情况下，采用能够伸缩的“6条腿”(伺服轴)支撑并联，并与安装主轴头的上平台和安装工件的下平台相连。它可实现多坐标联动加工，其控制系统结构复杂，加工精度、加工效率较普通加工中心高2～
10 倍。这种数控机床的出现将给数控机床技术带来重大变革和创新。
⑥编程技术自动化
随着数控加工技术的迅速发展，设备类型的增多，零件品种的增加以及零件形状的日益复杂，迫切需要速度快、精度高的编程，以便于对加工过程的直观检查。为弥补手工编程和NC 语言编程的不足，近年来开发出多种自动编程系统，如图形交互式编程系统、数字化自动编程系统、会话式自动编程系统、语音数控编程系统等，其中图形交互式编程系统的应用越来越广泛。图形交互式编程系统是以计算机辅助设计(CAD)软件为基础，首先形成零件的图形文件，然后再调用数控编程模块，自动编制加工程序，同时可动态显示刀具的加工轨迹。其特点是速度快、精度高、直观性好、使用简便，已成为国内外先进的CAD/CAM 软件所采用的数控编程方法。目前常用的图形交互式软件有Master CAM、Cimatron、Pro/E、UG、CAXA、Solid Works、CATIA等。
⑦集成化
数控系统采用高度集成化芯片，可提高数控系统的集成度和软、硬件运行速度，应用平板显示技术可提高显示器性能。平板显示器(FPD)具有科技含量高、质量小、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大规模显示，成为与CRT 显示器抗衡的新兴显示器，是21 世纪显示器主流。它应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融于一体,通过提高集成电路密度，减小互连长度和数量来降低产品价格、改进性能、减小组件尺寸、提高系统的可靠性。
⑧开放式闭环控制模式
采用通用计算机组成的总线式、模块化、开放、嵌入式体系结构，便于裁减、扩
展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统数控系统仅有的专用型封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包括诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。在加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、多媒体技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。
1.1.3:数控技术和装备发展趋势及对策
发展趋势表现为一下几点:
1 高速化
（1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min；
（2）进给率：在分辨率为0.01μm时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；
（3）运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24～240m/min的进给速度；
（4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。
2 高精度化
数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。
（1）提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度
（日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01μm/脉冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；
（2）采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%～80%；
（3）采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。
3 功能复合化
复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。
加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。
在2005年中国国际机床展览会（CIMT2005）上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床（包括双主轴、双刀架、9轴控制等）以及可实现4～5轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。
4 控制智能化
随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面：（1）加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识
出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性；
（2）加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的；
（3）智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位；
（4）智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验；
（5）智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行；
（6）智能4M数控系统：在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量（Measurement）、建模（Modelling）、加工（Manufacturing）、机器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。
5 体系开放化
（1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；
（2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求；
（3）数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准
ISO14649（STEP-NC），以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产
品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。
6 驱动并联化
并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴（一般为动平台）与机座（一般为静平台）之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。
并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。
7 极端化（大型化和微型化）
国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工（车、铣、磨）机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。
8 信息交互网络化
对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程诊断、维护等）。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔（e-Tower）的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。
9 新型功能部件
为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的
应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括：
（1）高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用；
（2）直线电动机：近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等；德国EX-CELL-O 公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机；
（3）电滚珠丝杆：电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。
10 高可靠性
数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在7～10万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。
11 加工过程绿色化
随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。
12 多媒体技术的应用
多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图
形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等，因此有着重大的应用价值。
普通机床数控化改造实例及分析 来源：数控产品网添加：2010-05-22 阅读:649次 [ 内容简介] 机床与生产线的数控改造主要内容有：(1)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； (2) NC化，在普通机床上加数显装置或加数控系统；(3)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；对其不能满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；(4)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。 现在很多企业为了生存和发展，不断地提高机床的数控化率是必要的。需要进行数控改造的设备一般包括传统机床及近期从国外引进，因存在问题而不能投产的机床设备和生产线。我们芜湖高新重型机床有限公司，在机床数字化控制和改造方面有独特的心得和实际经验。在普通机床恢复精度改造成高效的数控机床方面做了大量的工作。现为了更好的服务客户，我们总结了有关机床数控改造的知识供大家参考。 一、数控改造的内容 机床与生产线的数控改造主要内容有：(1)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； (2) NC化，在普通机床上加数显装置或加数控系统；(3)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；对其不能满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；(4)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。 二、数控系统发展的趋势 l．向开放式、基于PC的第六代方向发展 基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控任务PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。在远程通信、远程诊断和维修的应用将更加普遍。 2．向高速化和高精度化发展 3．向智能化方向发展 (1)应用自适应控制技术。数控系统能检测过程中的重要信息，并自动调整系统参数，改进系统运行状态。 (2)引入专家系统指导加工。将熟练工人和专家经验、加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 (3)引入故障诊断专家系统 (4)智能化数字伺服驱动装置。可以通过自动识别负载和自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行状态。 三、数控系统的选择 1．开环系统 该系统的伺服驱动装置是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。这种系统不需要位置和速度反馈，位移精度主要决定于步进电机的角位移精度和齿轮丝杠等传动元件的精度，所以位移精度低。但系统结构简单、调试维修方便、工作可靠、成本低、易改装成功。 2．闭环系统 该系统由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置信号反馈给计算机，与给定值进行比较，将两者的差值放大并变换，驱动执行机构，以消除偏差。此系统复杂、成本高、对环境温度要求严。但系统精度高、速度快、功率大。可根据产品技术要求，决定是否采用。
目录 第一章设计任务 (5) 1.1题目： (5) 1.2 任务 (5) 第二章总体方案的确定 (6) 第三章机械系统的改造设计方案 (7) 3.1主轴系统的改造方案 (7) 3.2安装电动卡盘 (7) 3.3换装自动回转刀架 (8) 3.4螺纹编码器的安装方案 (8) 3.5进给系统的改造与设计方案 (9) 第四章进给传动部件的计算和选型 (10) 4.1脉冲当量的确定 (10) 4.2切削力的计算 (10) 4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (11) 4.4同步带减速箱的设计 (12) 4.5步进电动机的计算与选型 (13) 4.6同步带传递效率的校核 (16) 第五章绘制进给传动机构的装配图 (18) 第六章控制系统硬件电路设计 (21) 第七章步进电动机驱动电源的选用 (22) 第八章容总结 (29) 参考文献 (30) 摘要
我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以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档次，将机床改造成当今水平的机床。 数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要容之一。
一、机床进行数控化改造的必要性 （1）数控机床：1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 ①数控（NC）阶段（1952～1970年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代--电子管；1959年的第二代--晶体管；1965年的第三代--小规模集成电路。 ②计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在） 到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的"通用"两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。 到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代--小型计算机；1974年的第五代--微处理器和1990年的第六代--基于PC（国外称为PC-BASED）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控
关于数控机床改造方案的方法选择及设计 【摘要】随着我国科学技术的不断发展、基础材料工艺的生产工艺不断改善，消费者对产品的质量的要求也在随着时间的推移而增加，但是作为加工仪器部件、机械零件的主要工具，机床的数控化率水平相比于发达国家还是有很大的差距，目前我国加工机床的数控化率在3%左右。 非数控化机床加工产品精度差、质量难以保证、种类少、劳动强度高、效率低。在我国劳动力成本不断增加、国际市场竞争加剧的情况下，加工企业在国内、国际市场的竞争力不断下降，这中情况对企业的生存和发展是巨大的威胁，机床数控化普及已经到了迫在眉睫的阶段。本文简单介绍机床数控化改革的方法和不同机床的改造方案的确定。 【关键词】数控机床改造措施意义 1数控机床改造的历史背景 进入21世纪后，我国每年生产的数控机床在10000台左右，数控化率在8%上下。但多数的加工制造企业的加工、生产设备是传统的机床，而且使用多年，加工效率和质量得不到保障。但是这类机床数量众多，而且多数机床机械加工部分尚可使用，这使得数控机床改造有非常广阔的市场。 2数控机床改造的条件
现行使用的机床只有部分适合对其进行数控改造，至少应具备下列条件：一、现有机床的基础机械部件基本完好，具有足够的机械强度，在升级改造完成之后能够继续服役一定年限，有能力为企业创造一定价值。二、改造机床的整体费用要适当。在升级改造之前需要对机床性能评估和改造项目整体费用进行预算，对于性价比比较低的升级改造项目要妥善考虑甚至放弃升级改造计划，以达到整体收益最大化的目标。三、改造升级的技术要成熟。国内外先进的数控技术经过多年实践，已经具备了一定的技术基础，在进行项目升级改造的过程中可以适当的进行借鉴，以减少升级过程中的技术难度。 3机床数控改造的方向 （1）对现有机床进行评估，可以正常使用但生产效率低、加工精度不够的进行模块化改造；对于现有数控系统整体瘫痪、伺服器停止更新致使机床无法正常使用的考虑数控系统整体升级，引进国外近年来先进成熟的系统与现有机床进行匹配。 （2）对于因长期使用产生磨损的机械部件进行修配、再加工，甚至更换新的部件，以达到甚至超过机床原有精度。 （3）使用创新技术。现有机床很多都是十年之前使用的老一代数控系统，加工程序单一、生产控制能力不强，可以采用新的模块进行编程，增加不同的加工工艺参数，使加
摘要 普通机床的经济型数控改造主要是在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通车床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括： (1) 床身的改造，为使改造后的机床有较好的精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨。 (2) 拖板的改造，拖板是数控系统直接控制的对象，所以对其改造尤显重要。这中间最突出一点就是选用滚珠丝杠代替滚动丝杠，提高了传动的灵敏性和降低功率步进电机力矩损失。 (3) 变速箱体的改造，由于采用数控系统控制，所以要对输入和输出轴以及减速齿轮进行设计，从而再对箱体进行改造。 (4) 刀架的改造，采用数控刀架，这样可以用数控系统直接控制，而且刀架体积小，重复定位精度高，安全可靠。 通过对机床的改造并根据要求选用步进电机作为驱动元件，这样改造后的机床就能基本满足现代化的加工要求。 关键字：普通车床数控改造步进电机经济型数控系统数控刀架
一绪论 我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。 由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。 机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。因此，我们必须走数控改造之路。 普通车床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，
摘要 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的解决了现代机械制造中的结构复杂.精密.批量小.多变零件的加工问题。且能稳定加工质量，大幅度提高生产效率。但数控机床价格昂贵，一次性投入对企业来说负担很大。另一方面，在国内还有大量的普通机床,只需对其进行一些相关的技术性改造就可以形成一定生产能力的经济型数控机床。不仅能节省很大一部分资金，还能提升其市场竞争力。具有极大的经济潜力。 对于职业院校的数控实训教学而言，通过闲置的普通车床进行数控化改造，可盘活资产，实现资产优化配置，同时对教师和学生而言也是一次很好的学习、锻炼和提高的机会。对推动教学改革、专业转型和课程开发都有积极的意义。 我院现有闲置的普通车床为云南机床厂生产的CAY6140-1000，通过对该机床的结构特点进行分析，对机械和电气进行数控化改造，改造后的数控车床主要用于中小型轴类零件、盘类零件及螺纹的加工。
第一章数控机床的结构和工作原理 1.1数控车床工作原理及加工特点 以数字形式进行信息控制的机床称为数字控制机床，简称为数控机床。 数字控制系统是相对于模拟系统而言：数字控制系统中的信息是数字量，而模拟控制系统中的信息是模拟量。随着计算机技术的发展，硬件数控系统已被逐渐淘汰，取而代之的是计算机数控（CNC）系统。 图1-1 数控车床 1．数控车床的工作原理 数控车床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如择刀、工件夹紧松开和冷却润滑的启、停等动作，使刀具与工件及其辅助装置严格地按照程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。 2．数控车床的加工特点 （1）高难度零件加工：“口小肚大”的内成型面零件，有仅在普通车床上难以加工，还难以测量。 （2）高精度零件加工：高精度零件均可在高精度的特种数控车床上加工完成。 （3）高效率完成加工：为了提高车削加工的效率，通过增加车床的控制坐标轴，就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件，也便于实现一批工序特别复杂零件车削全过程的自动化。 1.2 数控车床的组成 数控车床一般由输入/输出装置、CNC装置、伺服单元、驱动装置、可编程控制器及电器控制装置、辅助装置、机床本体和测量装置组成。图3-1是数控车床的组成框图。其中除机床本体之外的部分统称为CNC系统
前言 2005年，我国数控金属切削机床生产59639台，进口30746台。除部分出口外，总消费数量约85000台。在生产的数控金属切削机床中，经济型数控机床占60%以上（生产的数控机床中经济型数控机床占89%到90%），中档以上的数控金属切削机床不足40%。2006年，我国机床工业的产值和销售收入保持较高的增长速度，其中数控金属切削机床产量快速增长，全年生产85756台，同比增长32.8%，增幅高于金属切削机床产量增幅的18.4%。2007年1月至10月我国进口金属加工机床57.06亿美元，其中金属切削机床进口达41.98亿美元，同比减少8.18%，所占比例为73.57%；成形机床进口达15.08亿美元，同比增长5.68%，所占比例为26.43%。 专家认为，目前我国机床市场的需求结构已经发生了很大的变化，数控机床，特别是普及型数控机床将逐步成为市场主体。国内的机床制造企业在努力开拓高档机床的同时，一定要加速普及型数控机床产业化步伐。通过生产和进口数控机床并不能满足我国日益增长的制造业需求，而淘汰大型企业原有的大量普通金属切削机床不但会造成很大的浪费，而且会因为缺乏资金购买大量的数控机床来填补淘汰普通金属切削机床后的机床空缺，造成停产。所以，目前数控化改造是适应我国制造也迅猛发展，资金短缺，旧有机床所占比例大的国情所需。据调查，现有的与机床数控化改造有关的书籍不多，在网上有关机床数控化改造的问题很多，但是多偏向于一些基本的改造常识和高级的改造技巧方面的问题。由于机床数控化改造涉及的知识面广，若没有专业知识的支持，改造后的机床在使用中会出现很多问题，进而造成事故；而且数控化改造的市场也会因此变得不规范。因此，数控化改造的规范化设计改造是非常迎合目前数控化改造市场的需要的。 机床数控化改造主要是针对数控系统，伺服系统，辅助控制系统和液压系统的改造。由于数控机床本身是机，电，液一体化，结构复杂的产品，因此在改造中是否按照准确的计算方法计算，是否按照规则，要求选择改造方案和元器件类型，是决定改造后机床性能，运行精度，加工质量和可靠性的关键因素。 本书着眼于数控机床改造的具体实例，通过提供详细的计算公式，选择原则和选择方案，进一步说明了数控机床的改造方法。同时根据已有的改造案例总结改造中出现的问题，并说明相应的改造方法。 第一章机床数控化改造概述 1.1 机床数空化改造的必要性 1.1.1微观改造的必要性 从微观上看，数控机床同传统机床相比有如下突出的优越性，而且优越性都来自数控系统计算机的威力。 1）可以加工传统机床加工不出来的曲线，曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。
C6140普通车床数控化改造设计方 案 有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以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档次，将机床改造成当今水平的机床。 数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术
C6150A普通车床数控改造方案 一、概述： 贵公司现有C61140普通车床，为了提高生产效率，提高产品的一致性和加工复杂零件。贵公司提出对C61140普通车床进行数控化升级改造。根据贵公司提出的技术要求，结合我公司在数控机床改造方面积累的经验。特制定如下C61140普通车床数控化升级改造技术协议。 二、机械改造部分： 根据《GJB5481-2005国家军用标准》{机床数控化改造通用技术要求} 改造前，应按GB/T 17421.1-1998规定的方法对机床几何精度进行检测，并符合下列要求: 对于改造后需加工的零件（顶头）精度在8级或8级以上的机床，其几何精度应不低于（设备修理精度检验技术手册）Ⅱ类机床的要求。 对于改造后需加工的零件精度在8级以下的机床，其几何精度应不低于（设备修理精度检验技术手册）Ⅲ类机床的要求。 (说明：由于该车床为全新设备。在改造前由双方共同确认机床几何精度，如果几何精完全符合国家标准及出厂精度将不进行几何精度修复工作。) ▲改造部分 (1)进给系统改造：用数控系统控制纵横两方向的伺服电机，实现X、Z两方向的进给。 ①保留Z轴梯形丝杆，只增加伺服电机及行星减速机，获得Z向进给运动。 ②将刀架滑动丝杠螺母副改为滚珠丝杠副。通过连接装置与伺服电机连接，得到X向进给运动。 (2)刀架保留原手动刀架，如需电动刀架，费用另计 (3)保留主轴的驱动方式，增加主轴编码器，编码器采用同步带传动方式。 ▲普通卧式车床数控改造后示意图： ①在改造时取消其原有的走刀箱及溜板箱。
②将原机床上床身梯形丝杆、中拖板梯形丝杆更换为滚珠丝杆。 ③因为为了节约费用，保留了Z轴梯形丝杆，但轴反向间隙可能较大（数控只能补偿1MM间隙），加工时尽量向同一个方向移动，反向移动时，需在程序上补偿反向间隙，同时T型丝杠精度不高，长距离时可能误差较大（根据丝杠磨损情况而定）。 ④重新设计、加工伺服电机安装座。 ⑤伺服电机与滚珠丝杆的联接采用梅花辨式联轴器。 ⑥滚珠丝杆副的润滑采用集中润滑站系统定时定量润滑。 ▲改造件的机械设计要求 1 机床改造件的安全防护设计应符合GB15760的规定。 2 加工件应符合图样、技术文件和有关标准的规定。 3 加工尺寸的未注公差，应符合GB/T 1804－2000的m级。 4 加工件在热处理后不再进行加工的表面应清洁，表面处理后的光泽应均匀一致。 5 重要铸件粗加工后应进行时效处理。 6 铸件上不影响使用和外观的缺陷，允许按有关规定进行修补。 7 加工件的已加工表面不应有磕碰、划伤和锈蚀等缺陷，螺纹表面不应有压痕。搬运和存放时，应防止加工件损伤和变形。 ▲主要改造件加工的基本要求 1 箱体上滚动轴承孔的形状公差应符合GB/T 275-1993的规定。 2 箱体上孔端面对孔轴线的垂直度，一般应按所选轴承的型号和精度等级的安装精度要求确定。 3 系统中高速、重载和滑移齿轮的齿部应进行淬火、渗碳和表面氮化的处理，并应符合有关标准的规定。圆锥齿轮的精度应符合GB/T 11365-1989的规定。 4 滚珠丝杠副应符合GB/T 17587.3-1998的规定。机床传动链末端滚珠丝杠副精度等级的选择应保证各类型机床精度的要求。 ▲数控改造装配技术要求 1）装配环境应清洁。精度要求高的部件，装配环境应符合有关规定。 2 ）装配时的零、部件应清理清洁。在装配过程中，零部件不应磕碰、划伤和锈蚀。零部件的配合面及外露表面不应有修挫和打磨等痕迹。 3）机床应按产品图样和装配工艺规程进行装配。装配到机床上的零、部件（包括外购件）均应达到图样及技术文件规定的质量要求。
数控机床改造方案及实施 一、具体步骤 机械修理与电气改造相结合 一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。要确定修理的要求、范围、内容；也要确定因电气改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。机械性能的完好是电气改造成功的基础。 先易后难、先局部后全局 确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如数控系统、测量系统、主轴、进给系统、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。这样可使改造工作减少遗漏和差错。在每个子系统工作中，应先做技术性较低的、工作量较大的工作，然后做技术性高的、要求精细的工作，使人的注意力能集中到关键地方。 根据使用条件选择系统 针对某台或某几台机床，确定它的环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线，甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电气系统有了可行的使用保证。当然，电气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。 落实参与改造人员和责任 改造是一个系统工程，人员配备十分重要。除了人员的素质条件外，根据项目的大小，合理地确定人数与分工是关键。人员太少不利于开展工作，人员太多也容易引起混乱。根据各个划分开的子系统，确定人员职责，有主有次，便于组织与协调。如果项目采用对外合作形式，更需在目标明确的前提下，界定分工，确定技术协调人。 改造范围与周期的确定 有时数控机床电气系统改造，并不一定包含该机床全部电气系统，应根据科学的测定和分析决定其改造范围。停机改造的周期，根据各企业的实际情况确定，考虑因素有生产紧张程度、人员技术水平、准备工作充分程度、新系统大小与复杂程度，甚至还包括天气情况等。切忌好大喜功，急于求成，匆忙上阵，但也要合理安排，防止拖拖拉拉。 二、改造的技术准备 改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。技术准备包括： 机械部分准备
综 述机床的数控化改造及其未来发展趋势 赵中敏 (淮海工学院东港学院,222069) 摘要:普通机床数控化改造是综合性很强的一门机电一体化技术,本文就如何实现改造进行了分析并提供了一些方法和思路。同时对数控设备的发展趋势作了介绍,为进一步改造提供了一些参考。 关键词:机床;数控化改造;数控设备;新特征 中图分类号:TG659 文献标识码:B 文章编号:1004-0420(2006)02-0005-03 NC tran sforma ti on and developm en t trend of mach i n e tool Z HAO Zhong-m in (Huahai Engineering College,222069) Abstract:The common machine t ool NC transf or mati on is a synthet electr omechanical integrati on technol ogy,this text p r ovided s ome methods and trains of thought t o realize the transf or mati on,and intr oduced the devel opment trend of NC equi p2 ment at the sa me ti m e. Key words:machine t ool;NC transf or mati on;NC equi pment;new characteristic 0 前言 有关资料表明,目前我国机床总拥有量为378万台,其中数控机床只有8万多台,远远低于美国、日本、德国、韩国等制造业发达国家机床数控化率20%以上的水平。主要表现在设备老化陈旧、自动化水平低、技术水平落后、劳动生产率低,严重影响了生产力的发展。采用先进的工艺设备,逐步增加数控机床所占比重,已经成为我国制造技术发展的总趋势,也是企业走出困境、提升水平,实现跨越式发展的必由之路。提高机床数控化率有两个途径: a1购买新的数控机床; b1把普通型的旧机床改造成数控机床。 平均测算,购买一台数控车床12万左右,数控改造一台只需3万元左右。考虑到我国企业的经济状况,靠投入大量资金购买更新数控机床不太现实。如何少投资多收益,利用有限的设备改造资金引进数控技术,笔者认为第2种方法比较适合我国企业的实际情况,普通机床的数控改造应成为我国企业数控技术推广应用的基本做法。 1 机床的数控化改造 普通机床的数控改造,是指将普通机床配置上数控系统,并对机床的某些部位做一定的改造,使机床具有数控加工能力。改造的项目随机床种类和精度要求而不同,现以经济型数控车床为例说明。 111 数字控制系统 进口数控系统有日本F ANUC系统、德国Sie mens 系统、美国MCS-8051系统等;国产数控系统主要有华中数控系统、广州数控系统等。这些数控系统均具有直线插补、圆弧插补、车公/英制螺纹、刀具补偿、间隙补偿、刀具自动转位等功能,性能稳定、价格适中。操作面板简单直观,主要有起动键、暂停键、单段/连续开关、连续进给键、急停键、键盘、显示屏等。不但控制弱电,对主轴变速、刀架转位、主轴起停与换向及其他一些辅助性动作也能通过指令控制。 112 滚珠丝杠螺母副改造 普通车床的进给丝杠都是滑动丝杠,即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。为了更好地消除丝杠与螺母之间的转动间隙,保证机床的加工精度,需要将原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠丝杠螺母副。此项改造不属于必改项,对机床精度要求不高时,可以通过预紧原螺母的方法消除转动间隙。 113 步进电机选用 车床进给传动部分改造一般是拆除原机床的机械传动机构,用步进电机经齿轮或同步带机构,减速驱动丝杠,带动刀架纵向或横向移动。纵向步进电机固定在床身上,横向步进电机固定在床鞍上。 综 述———机床的数控化改造及其未来发展趋势机床电器200612
机电一体化系统设计任务书总汇 课题：C6140普通机床的数控化改造 姓名：蒋青松（第7组） 班级： 5 学号： 专业：机械设计制造及其自动化 院系：机械工程学院 2015年6月
任务一 一：总体方案的确定 总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。 1.普通车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。 2.普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。 3.根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。 4.根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等，还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。 5.为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。 6.计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速齿轮副，且应有消间隙机构。
二：机械本体 初步原理框图
数控原理框图 三：问题说明 1：连续控制系统：由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速度相对于工件沿加工路径运动（因为点位控制系统要求工件相对于刀具运动过程不进行切削），所以选择之； 2：开环控制系统：该改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，没有加入反馈系统，为了简化系统，降低成本，所以选择之。3：机床选择X，Z两轴联动。 4：由于是开环控制，而且结构简单，适用于普通数控机床，功能水平低。
传统机床数控化改造的意义、市场以及实施方法 一、机床数控化改造的意义 一般说来，数控机床比传统机床有以下突出的优越性。 1.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。 2.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。 3.加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要工人“修配”。 4.可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5.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。 6.降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。
数控技术现已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 二、机床数控化改造的市场 由于机床下游行业固定资产投资连续几年快速增长，国内机电产品市场需求年均增长30％，带动了机床市场需求30％以上的增长。从2002年开始，我国就成为世界第一机床消费大国。2004年国产金属切削机床年产量达到38.94万台、数控机床产量5.19万台；2005年前三季度，我国金属切削机床和数控机床产量分别达到34.08万台和4.33万台。 我国的大多数制造行业和企业的生产、加工装备大多数是传统的机床，而且多数是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响到企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 由于近几年国内外数控系统的高速发展，使原来进口的高档数控系统已不再满足日新月异的产品需求，迫切需要更换最新的数控系统及软件。 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备
浅谈普通机床的数控化改造 数控机床是机电一体化的产品，它可以很好的解决现代机械制造中复杂的结构，并且在机械制造业中起着很大的作用。作为拥有机床的大国，普通机床的保有量很大。所以，对普通机床的数控化改造是一种较好的选择。 标签：机电一体化；提高效率；经济效益 1 普通机床的改造意义 当前市场竞争激烈，需求多变。普通机床已不适应多品种、成批量生产的要求。而数控机床则结合了数控技术、PLC控制、检测技术等先进技术，可满足批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件要求。只需要改变加工零件程序，便可以满足不同的加工对象，无需对机床做任何调整。经过多次大修的普通车床，其零部件的尺寸改变较大，主要传动部件经过多次的更换、调整，仍然存在较高的故障率。传统的修理方案很难满足加工要求，而且维修费用高。因此进行数控系统的改造是必要的。 在机械加工行业中，数控机床的使用越来越广泛。数控机床的发展，既要全功能、高性能，又得简单实用，而且还得具有自动加工，操作和维修方便的基本功能。 2 数控化改造后的优越性 （1）提高加工精度和生产效率。 （2）提高机床的质量和性能，满足复杂型面零件的加工要求。 （3）实现机械加工的自动化，效率可提高2-6倍。 （4）可减少零件在机床间的频繁搬运时间，降低定位误差，实现工序的集中。 （5）可实现自动报警、监控、补偿等多种自检功能，可以监视机床运行状态。 （6）采用数控机床，不但可以降低了工人的劳动强度，节约了劳动力，大大减少了工装时间，同时可以缩短新产品试生产周期和测试周期，可对市场需求做出快速反应。 3 数控化改造主要解决的问题 （1）查找出普通机床所存在的问题，恢复其功能。
普通车床数控化改造总体方案设计 1.机械部分的改造设计 ca6140车床的主轴以及进给系统都是由法兰式电动机拖动。普通车床主轴传动系统部分改造难度大、成本高，且精度提高有限，所以在改造此类机床时，摇臂钻床要选那些主轴各方面性能能满足使用要求的。改造时，保留原主轴系统，对进给传动系统及电气控制系统进行改造。 进给传动系统的传动精度及效率也是数控机床性能的重要组成部分。原机床进给箱为交换齿轮箱，结构复杂、反向间隙大、传动精度差。在改造过程中，采用步进电动机与滚珠丝杠，并装有减速机构的传动方式，通过减速机构可得到所需的减速比并增大驱动力矩。普通车床原机床是用滑动丝杠，传动误差大，因此在数控化改造中将其更换为滚珠丝杠。滚珠丝杠的传动效率高、无爬行、预紧后可消除反向间隙、精度高。改造后ca6140车床的横向、纵向传动方式为：步进电动机一消隙齿轮一滚珠丝杠螺母副一工作台的传动方式。ca6140车床垂直方向的传动方式为：步进电动机一圆锥齿轮一滚珠丝杠螺母副一工作台。同时，垂直方向还应考虑滚珠丝杠的自锁，采用超越离合器的自动平衡装置实现自锁。 ca6140车床的导轨是采用铸铁-铸铁或铸铁—淬火钢滑动导轨，其静摩擦因数大，摇臂钻床动、静摩擦因数相差较大，低速时易出现爬行，力矩损失大，影响运动的平稳性和定位精度。若是将导轨改造成滚动导轨或静压导轨，工艺复杂、费用大、周期长；所以在对ca61 40车床改造时采用在普通车床原导轨上粘接聚四氟乙烯软带的方法。聚四氟乙烯软带是以聚四氟乙烯树脂为基材与耐磨填充料复合后，在常温下用模压法成型烧结、车削和活化处理制得。其特点是摩擦因数低，抗磨损，静、动摩擦因数差值小，定位准确，防振消声运行平稳，低能耗，具有耐老化和足够的力学性能，对提高机械加工精度、延长导轨副使用寿命也
? 电气技术与自动化? 李盛宇? 普通车床的数控化改造
普通车床的数控化改造
李盛宇
( 丽水学院 机械系 ,浙江 丽水 323000)
摘 要 : 通过对普通车床的数控改造 ,使其加工精度明显提高 ,定位准确可靠 ,操作方便 ,性能 价格比高 。这种方法对中小企业设备的数控化改造有一定借鉴与推广作用 。 关键词 : 车床 ; 数控 ; 改造 中图分类号 : TG511 ; TP205 文献标识码 :B 文章编号 :167125276 (2005) 0320121203
The Alteration of Numerical Control Lathe
L I Sheng2yu (Lishui College , Mechanism Science Depart ment , ZJ Lishui 323000 , China) Abstract : This paper int roduced an alteration met hod of numerical cont rol lat he. This alteration leads t he ma2 chining precision sharply improved. The positioning is precisie and reliable , and t he manipulation is conve2 nient , finally t he price is much cheaper. This met hod is wort hy to popularize for reference. Key words :lat he ; numerical cont rol ; alteration
0 前言
数控技术水平的高低和数控设备拥有量的多 少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志 。 但是 ,发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初 期投资大 ,这使许多中小型企业难以承受 。如果淘 汰大量的普通机床 , 而去购买昂贵的数控机床 , 势 必造成巨大的浪费 。因此 ,普通机床的数控化改造 大有可为 。 为了机电一体化和数控加工技术专业教学的 需要 ,更新现有的数控实验设备以改善办学条件 , 比较经济有效的办法就是充分利用和改造现有的 设备 , 满足教学实践的需要 。为此 , 对我校实习厂 原有的 S K360 普通车床成功地进行了数控化改 造。
有关资料 ,确定总体方案为 : 利用数控系统对输入的加工程序进行运算处 理 ,发出的进给指令通过 I/ O 接口输出给 X 轴和 Z 轴步进电动机 ,经齿轮减速后 ,带动滚珠丝杠转动 , 由螺母带动刀架直线移动 ,从而实现纵向和横向的 自动进给运动 。换刀指令通过刀架控制器控制三 相电动机实现刀架转位功能 ,由脉冲编码器协调完 成螺纹车削功能 ( 图 1) 。
2 数控改造的主要结构
2. 1 数控系统
数控机床的价格主要由数控系统来决定 ,数控 系统从功能上可分为低中高三档 , 中高档系统 ( 如 Siemlens 、 Fanuc 和华中 I 型等 ) 功能齐全 , 性能优 良 ,但价格偏高 ( 2～4 万元不等) 。结合实际 ,从实 用角度出发 ,我们选择了中美合作兰博数控公司的 产品 : LBNC - 2 T 型数控车床系统 , 该系统采用 8031 单片机为主控单元 , 编程格式符合 ISO 国标 代码标准 、 三排数码管显示程序字符和两轴动态坐 标 ,具有自动加工 、 自动换刀 、 车螺纹和 MD I 等功 能 ,是教学 、 生产两用型的数控系统 。
1 总体改造方案
数控机床由机床 、 数控系统和外围技术三部分 组成 。普通车床改造的目的是利用数控系统控制 车床自动完成机械加工任务 ,提高车床的加工精度 和生产率 。在考虑经济型数控机床改造具体方案 时 ,所遵循的原则是在满足需要的前提下 , 对原有 车床尽可能减少改动量 ,以降低改造成本 。改造中 需要解决的问题是 : 将机械传动的进给和手动控制 的刀架转位改造成数控装置控制的刀架自动转位 和自动进给的数控加工车床 。根据 S K360 车床的
M achi ne B uil di ng & A utom ation , J un 2005 , 34 ( 3) : 121 ～ 123
2. 2 纵向 ( Z 向) 进给系统
a) 设计思路 : 纵向进给系统由步进电动机经
减速后驱动滚珠丝杠螺母机构运动 ,带动大拖板左 右纵向移动 。步进电动机安装在纵向丝杠的右端 。
? ? 121
? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
课程设计说明书 课程名称：课程设计 题目：用CNC改装C6140车床的进给系统 学院：南昌大学科学技术系：机电 专业：机械设计制造及其自动化 班级：082班 学号：7011208084 学生姓名：谭辉 起讫日期：2011.11.29￣~￣2011.12.16 指导教师：胡庭蔚职称：教师 系分管主任： 审核日期：
目录 设计任务书……………………………………………………………前言…………………………………………………………… 1.1概述………………………………………………………. 1.2控机床的特点及其组成………………………………… 1.3可行性论证……………………………………………… 1.4改造方案的拟定………………………………………… 1.5课程设计的主要参数…………………………………… 1.6给伺服系统机械部分的设计计算…………………… 1.7、滚珠丝杆螺母传动副的设计计算及选型……………… 1.8、滚球丝杆螺母副的设计计算与选型…………………… 1.9、关于传动设计计算……………………………………… 心得体会……………………………………………………….. 参考文献………………………………………………………. 致谢…………………………………………………………….
前言 计算机技术和先进制造技术的发展，推动了机械加工在各方面的变革和进步。典型的数控机床已成为现代加工器械的鲜明代表。考虑到企业的生产效率和投资成本，普通车床的数控化改造将是一个极为有意义的课题。 在过去的几十年，虽然金属切削的基本原理变化不大，但随着社会生产力的发展，要求制造业向自动化和精密化方向发展，而刀具材料和电子技术的几部，特别是微电子技术、电子计算机技术的进步，运用到控制系统中，技能帮助机床的自动化又能提高加工精度，这些都要求对旧机床进行改造，另外，在经济方面，用机床的数控改造比更新设备节约50%的资金。再加上市场的原因，由于目前机床市场供给无法满足大量的机床设备的更新要求，因此更显示出机床数控化改造的必要性。 数控改造相对于购置机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多的突出优点。由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲面和曲线。而且计算机有很强的记忆和储存能力，可以将输入的程序记忆和储存下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不像新购买的机床不了解加工精度，而改造的机床可以精确的计算出加工能力。另外，数控改造可以充分利用现有地基，还可以根据技术革新发展的速度,及时的提高生产设备的自动化水平。