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小型機床的數(shù)控改造
附錄 1 外文文獻
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附錄 2 中文翻譯
1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢
數(shù)控機床改造
1946 年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎(chǔ)。
6 年后，即在 1952 年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
1.1 數(shù)控（NC）階段（1952～1970 年）
早期計算機的運算速度低，對當(dāng)時的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經(jīng)了三代，即 1952 年的第一代--電子管；1959 年的第二代
--晶體管；1965 年的第三代--小規(guī)模集成電路。
1.2 計算機數(shù)控（CNC）階段（1970 年～現(xiàn)在）
到 1970 年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控（CNC）階段（把計算機前面應(yīng)有的"通用" 兩個字省略了）。到 1971 年，美國 INTEL 公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件--運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱 CPU）。
到 1974 年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當(dāng)時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟合理。而且當(dāng)時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。
到了 1990 年，PC 機的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于 PC 的階段。
總之，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即 1970 年的第四代--小型計算機；1974 年的第五代--微處理器和 1990 年的第六代--基于 PC（也就是為 PC-BASED）。
1.3 數(shù)控未來發(fā)展的趨勢
1.3.1 繼續(xù)向開放式、基于 PC 的第六代方向發(fā)展
基于 PC 所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用 PC 機作為它的前端機，來處理人機界
面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC 機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。
1.3.2 向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應(yīng)機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
1.3.3 向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
（1） 應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。
（2） 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗，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)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
（3） 引入故障診斷專家系統(tǒng)
（4） 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置
可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。
2 機床數(shù)控化改造的必要性
2.1 微觀看改造的必要性
從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
2.1.1 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
2.1.2 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3～7 倍。
由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。
2.1.3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。
2.1.4 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。
2.1.5 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
2.1.6 由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行 FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
2.2 宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在 70 年代末、80 年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)） 進行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS 外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS 等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。
3 數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺
3.1 數(shù)控改造業(yè)的興起
在美國、日本和德國等國家，機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個"永恒"的課題。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 機床公司、Devlieg-Bullavd
（得寶）服務(wù)集團、US 設(shè)備公司等。。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting） 業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野 崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。
3.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容
機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點：
其一是恢復(fù)原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)；
其二是 NC 化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機床、CNC 機床；
其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進行更新；
其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)， 在原有基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。
3.3 數(shù)控化改造的優(yōu)缺
3.3.1 減少投資額、交貨期短
同購置新機床相比，一般可以節(jié)省 60％～80％的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的 1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費工、費錢，往往改造成本提高 2～3 倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投資 50％左右。
3.3.2 機械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限
所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件， 改造后的機床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。
3.3.3 熟悉了解設(shè)備、便于操作維修
購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。改造的機床一安裝好，就可以實現(xiàn)全負荷運轉(zhuǎn)。
3.3.4 可充分利用現(xiàn)有的條件
可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。
3.3.5 可以采用最新的控制技術(shù)
可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機床改成當(dāng)今水平的機床。
4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時，應(yīng)根據(jù)具體情況進行選擇。
4.1 步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)
該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序， 便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
4.2 異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。
設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度， 驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)。可根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。
4.3 交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機作成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。
當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，著名公司的如德國 SIEMENS 公司、日本FANUC 公司。
選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機床要達到的各種精度、驅(qū)動電機的功率和用戶的要求。
5 數(shù)控改造中主要機械部件改裝探討
一臺新的數(shù)控機床，在設(shè)計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達到上述要求。不能認為將數(shù)控裝置與普通機床連接在一起就達到了數(shù)控機床的要求，還應(yīng)對主要部件進行相應(yīng)的改造使其達到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。
5.1 滑動導(dǎo)軌副
對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護和潤滑。
5.2 齒輪副
一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數(shù)控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高。在結(jié)構(gòu)上要能達到無間隙傳動，因而改造時， 機床主要齒輪必須滿足數(shù)控機床的要求，以保證機床加工精度。
5.3 滑動絲杠與滾珠絲杠
絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況， 如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于 6 級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。
滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在 90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運動時力矩相接近，可以降低電機啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。
5.4 安全防護
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必須以安全為前提。在機床改造中要根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進入滑動面損傷導(dǎo)軌。
6 數(shù)控改造幾個實例
6.1 用 SIEMENS 810M 改造 X53 銑床
2001 年，用德國西門子 810M 數(shù)控系統(tǒng)、611A 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)對公司的一臺型號為 X53 的銑床進行 X、Y、Z 三軸數(shù)控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的三軸在機械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機構(gòu)。整個改造工作包括機械設(shè)計、電氣設(shè)計、PLC 程序的編制與調(diào)試、機床大修，最后是整機的安裝和調(diào)試。銑床改造后， 加工有效行程 X/Y/Z 軸分別為 880/270/280 mm ； 最大速度 X/Y/Z 軸分別為5000/1500/800 mm/min；手動速度 X/Y/Z 軸分別為 3000/1000/500 mm/min；機床加工精度達到±0.001mm。機床的三坐標(biāo)聯(lián)動可完成各種復(fù)雜曲線或曲面的加工。
6.2 用 GSK980T 和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)改造 C6140 車床
2004 年，GSK980T 數(shù)控系統(tǒng)、DA98 交流伺服單元及 4 工位自動刀架對電機分廠的一臺 C6140 車床 X、Z 兩軸進行數(shù)控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的兩軸在機械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機構(gòu)。整個改造工作包括機械設(shè)計、電氣設(shè)計、機床大修及整機的安裝和調(diào)試。車床改造后，加工有效行程 X/Z 軸分別為390/730 mm；最大速度 X/Z 軸分別為 1200/3000 mm/min；手動速度為 400mm/min；手動快速為 X/Z 軸分別為 1200/3000 mm/min；機床最小移動單位為 0.001mm。
6.3 用 SIEMENS 802S 改造 X53 銑床
2004 年，用德國西門子 802S 數(shù)控系統(tǒng)、步進驅(qū)動系統(tǒng)對公司的另一臺型號為 X53 的銑床進行 X、Y、Z 三軸數(shù)控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的三軸在機械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機構(gòu)。整個改造工作包括機械設(shè)計、電氣設(shè)計、機床大修，最后是整機的安裝和調(diào)試。銑床改造后，加工有效行程 X/Y/Z 軸分別為630/240/280 mm；最大速度 X/Y/Z 軸分別為 3000/1000/600 mm/min；手動進給速度X/Y/Z 軸分別為 2000/800/500 mm/min；最小移動單位為 0.001mm。
致 謝
在這四年的學(xué)生生活中，關(guān)浩導(dǎo)師為人和善、平易近人，不僅其名下學(xué)習(xí)的學(xué)生對關(guān)老師贊嘆有加，同時在學(xué)院的廣大師生中具有良好聲譽。在過去的四年中，關(guān)老師嚴謹?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度，熱忱的工作熱情和開放的態(tài)度對我的工作和學(xué)習(xí)產(chǎn)生了深遠的影響。
在寫這篇文章的時候，我們和關(guān)老師互相討論過，并建立了深厚的友誼。大家熱烈的討論和建議使這篇文章可以更順利地完成。而且在生活上我們還成為了朋友，非常感謝這次的選題機會，讓我結(jié)交了不少的學(xué)習(xí)盟友這位即將走上工作崗位的我來說很有幫助，再次的感謝他們。