本文首先介紹了機床數控化改造的必要性，然后簡單介紹了機床數控化改造的內容及其的優缺點，而重點在于介紹如何進行機床數控化改造，包括數控系統的選擇、數控改造中對主要機械部件改裝探討和機床數控改造主要步驟，并列舉了幾個數控改造的實例，最后說明了數控改造中的問題并提出了建議。 


    一、機床進行數控化改造的必要性

    1 微觀看改造的必要性

    微觀上看，數控機床比傳統機床有以下突出的優越性，而且這些優越性均來自數控系統所包含的計算機的威力。

    可以加工出傳統機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。

    由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 

    可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統機床提高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，然后按程序規定的順序自動去執行，從而實現自動化。數控機床只要更換一個程序，就可實現另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現了“柔性自動化”。

    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”。

    可實現多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。

    擁有自動報警、自動監控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間無人看管加工。

    由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。

    以上這些優越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統）以及CIMS（計算機集成制造系統）等企業信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業自動化的核心技術和基礎技術。

    2 宏觀看改造的必要性

    宏觀上看，工業發達國家的軍、民機械工業，在70年代末、80年代初已開始大規模應用數控機床。其本質是，采用信息技術對傳統產業（包括軍、民機械工業）進行技術改造。除在制造過程中采用數控機床、FMC、FMS外，還包括在產品開發中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產管理中推行MIS（管理信息系統）、CIMS等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統產業方面比發達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數控機床的比重（數控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達20.8％，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數控化改造的必要性。

    二、如何進行機床數控化改造

    1、國外改造業的興起

    在美國、日本和德國等發達國家，它們的機床改造作為新的經濟增長行業，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床改造是個"永恒"的課題。我國的機床改造業，也從老的行業進入到以數控技術為主的新的行業。在美國、日本、德國，用數控技術改造機床和生產線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產線數控改造的新的行業。在美國，機床改造業稱為機床再生（Remanufacturing）業。從事再生業的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務集團、US設備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，上海商標注冊，機床改造業稱為機床改裝（Retrofitting）業。從事改裝業的著名公司有：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。          

    2、數控化改造的內容

    機床與生產線的數控化改造主要內容有以下幾點：其一是恢復原功能，對機床、生產線存在的故障部分進行診斷并恢復；其二是NC化，在普通機床上加數顯裝置，或加數控系統，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，恢復原精度；對其不滿足生產要求的CNC系統以最新CNC進行更新；其四是技術更新或技術創新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規模的技術更新或技術創新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。

    3、數控化改造的優缺點

    (1) 減少投資額、交貨期短

    同購置新機床相比，一般可以節省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，只能節省投資50％左右。

    (2) 機械性能穩定可靠，結構受限

    所利用的床身、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造構件，而不是那種焊接構件，改造后的機床性能高、質量好，可以作為新設備繼續使用多年。但是受到原來機械結構的限制，不宜做突破性的改造。

    (3) 熟悉了解設備、便于操作維修

    購買新設備時，不了解新設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時間短，見效快。改造的機床一安裝好，就可以實現全負荷運轉。

    (4) 可充分利用現有的條件

    可以充分利用現有地基，不必像購入新設備時那樣需重新構筑地基。

    (5) 可以采用最新的控制技術

    可根據技術革新的發展速度，及時地提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。                

     4、數控系統的選擇            

     數控系統主要有三種類型，改造時，應根據具體情況進行選擇。

    (1) 步進電機拖動的開環系統

    該系統的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數控系統送出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執行部件。只要控制指令脈沖的數量、頻率以及通電順序，便可控制執行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環系統，該系統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距精度，所以系統的位移精度較低。該系統結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。

    (2) 異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環數控系統

    該系統與開環系統的區別是：由光柵、感應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，驅動執行機構，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。閉環進給系統在結構上比開環進給系統復雜，成本也高，對環境室溫要求嚴。設計和調試都比開環系統難。但是可以獲得比開環進給系統更高的精度，更快的速度，驅動功率更大的特性指標。可根據產品技術要求，決定是否采用這種系統。

    (3) 交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環數控系統

    半閉環系統檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執行部件的位置。它只能補償系統環路內部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環系統的精度低，但是它的結構與調試都較閉環系統簡單。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。

    當前生產數控系統的公司廠家比較多，國外著名公司的如德國SIEMENS公司、日本FANUC公司；國內公司如中國珠峰公司、北京航天機床數控系統集團公司、華中數控公司和沈陽高檔數控國家工程研究中心。

    選擇數控系統時主要是根據數控改造后機床要達到的各種精度、驅動電機的功率和用戶的要求。

    5、數控改造中主要機械部件改裝探討

    一臺新的數控機床，在設計上要達到：有高的靜動態剛度；運動副之間的摩擦系數小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數控改造時應盡量達到上述要求。不能認為將數控裝置與普通機床連接在一起就達到了數控機床的要求，還應對主要部件進行相應的改造使其達到一定的設計要求，才能獲得預期的改造目的。

    (1) 滑動導軌副

    對數控車床來說，導軌除應具有普通車床導向精度和工藝性外，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。同時要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響，要有合理的導軌防護和潤滑。

    (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，數控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高。在結構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控機床的要求，以保證機床加工精度。

    (3) 滑動絲杠與滾珠絲杠

    絲杠傳動直接關系到傳動鏈精度。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) 安全防護

    改造效果必須以安全為前提。在機床改造中要根據實際情況采取相應的措施，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。大拖板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。

    6、機床數控改造主要步驟

    (1) 改造方案的確定

    改造的可行性分析通過以后，就可以針對某臺或某幾臺機床的現況確定改造方案，一般包括：

    ① 機械修理與電氣改造相結合

    一般來說，需進行電氣改造的機床，都需進行機械修理。要確定修理的要求、范圍、內容；也要確定因電氣改造而需進行機械結構改造的要求、內容；還要確定電氣改造與機械修理、改造之間的交錯時間要求。機械性能的完好是電氣改造成功的基礎。

    ② 先易后難、先局部后全局

    確定改造步驟時，應把整個電氣部分改造先分成若干個子系統進行，如數控系統、測量系統、主軸、進給系統、面板控制與強電部分等，待各系統基本成型后再互聯完成全系統工作。這樣可使改造工作減少遺漏和差錯。在每個子系統工作中，應先做技術性較低的、工作量較大的工作，然后做技術性高的、要求精細的工作，使人的注意力能集中到關鍵地方。

    ③ 根據使用條件選擇系統

    針對某臺或某幾臺機床，確定它的環境、溫度、濕度、灰塵、電源、光線，甚至有否鼠害等外界使用條件，這對選擇電氣系統的防護性能、抗干擾性能、自冷卻性能、空氣過濾性能等可提供正確的依據，使改造后的電氣系統有了可靠的使用保證。當然，電氣系統的選擇必須考慮成熟產品，性能合理、實用，有備件及維修支持，功能滿足當前和今后若干年內的發展要求等。

    ④ 落實參與改造人員和責任

    改造是一個系統工程，人員配備十分重要。除了人員的素質條件外，根據項目的大小，合理地確定人數與分工是關鍵。人員太少不利于開展工作，人員太多也容易引起混亂。根據各個劃分開的子系統，確定人員職責，有主有次，便于組織與協調。如果項目采用對外合作形式，更需在目標明確的前提下，界定分工，確定技術協調人。

    ⑤ 改造范圍與周期的確定

    有時數控機床電氣系統改造，并不一定包含該機床全部電氣系統，應根據科學的測定和分析決定其改造范圍。停機改造的周期，根據各企業的實際情況確定，考慮因素有生產緊張程度、人員技術水平、準備工作充分程度、新系統大小與復雜程度，甚至還包括天氣情況等。切忌好大喜功，急于求成，匆忙上陣，但也要合理安排，防止拖拖拉拉。

    ⑥ 改造的技術準備

    改造前的技術準備充分與否，很大程度上決定著改造能否取得成功。技術準備包括：

    a. 機械部分準備  為配合電氣改造而需進行的機械大修改造的測量、計算、設計、繪圖、零件制作等應先期完成。同時對停機后需拆、改、加工的部分等應事先規劃完畢，提出明確要求，與整個改造工作銜接得當。

    b. 新系統電氣資料消化  新系統有許多新功能、新要求、新技術，因此改造前應熟悉技術資料，包括系統原理說明、線路圖、PLC梯形圖及文本、安裝調試說明、使用手冊、編程手冊等。要有充裕的時間來對上述資料進行翻譯(進口系統)、消化、整理、核對，做到思路清晰，層次分明。

    c. 新舊系統接口的轉換設計  根據每臺設備改造范圍不同，需事先設計接口部分轉換，若全部改造的，應設計機電轉換接口、操作面板控制與配置、互聯部分接點、參數測量點、維修位置等，要求操作與維修方便、合理，線路走向通順、中小連接點少，強弱電干擾最小，備有適當裕量等。局部改造的，還需要考慮新舊系統的性能匹配、電壓極性與大小變換、安裝位置、數模轉換等，必要時需自行制作轉換接口。

    d. 操作、編程人員的技術培訓  機床電氣系統改造后，必然對操作、編程人員帶來新的要求。因此提前對操作人員和編程人員進行新系統知識培訓十分重要，否則將影響改造后的機床迅速投入生產。培訓內容一般應包括新的操作面板配置、功能、指示含義；新系統的功能范圍、使用方法及與舊系統的差別；維護保養要求；編程標準與自動化編程等等。重點是弄懂、弄通操作說明書和編程說明書。

    e. 調試步驟與驗收標準的確定  新的電氣系統改造完以后，怎樣進行調試以及確定合理的驗收標準，也是技術準備工作的重要一環。調試工作涉及機械、液壓、電氣、控制、傳感等，因此必須由項目負責人進行，其它人員配合。調試步驟可從簡到繁，從小到大，從外到里進行，也可先局部后全局，先子系統后整系統進行。驗收標準是對新系統的考核，制定時必須實事求是，過高或過低的標準都會對改造工作產生負面影響。標準一旦確定下來，不能輕易修改，因為它牽涉到整個改造工作的各個環節。

    (2) 改造的實施

    準備工作就緒后，即可進入改造的實施階段。實施階段內容按時間順序分為：

    a. 原機床的全面保養  機床經長期使用后，會不同程度地在機械、液壓、潤滑、清潔等方面存在缺陷，所以首先要進行全面保養。其次，應對機床作一次改前的幾何精度、尺寸精度測量，記錄在案。這樣既可對改造工作起指導參考作用，又可在改造結束時作對比分析用。

    b. 保留的電氣部分最佳化調整  若對電氣系統作局部改造，則應對保留電氣部分進行保養和最佳化調整。如強電部分的零件更換，電機的保養，變壓器的烘干絕緣，污染的清潔，通風冷卻裝置的清洗，伺服驅動裝置的最佳化調整，老化電線電纜的更新，連接件的緊固等等。只有對保留的電氣部分做好過細的最佳化調整工作，才能保證改造后的機床有較低的故障率。

    c. 原系統拆除  原系統的拆除必須對照原圖紙，仔細進行，及時在圖紙上作出標記，防止遺漏或過拆(局部改造情況下)。在拆的過程中也會發現一些新系統設計中的欠缺之處，應及時補充與修正，拆下的系統及零件應分門別類，妥善保管，以備萬一改造不成功或局部失敗時恢復使用。還有一定使用價值的，可作其他機床備件用。切忌大手大腳，亂扔亂放。

    d. 合理安排新系統位置及布線  根據新系統設計圖紙，合理進行新系統配置，包括箱體固定、面板安放、線路走向和固定、調整元器件位置、密封及必要裝飾等。連線工作必須分工明確，有人復查檢驗，以確保連線工藝規范、線徑合適、正確無誤、可靠美觀。

    e. 調試  調試必須按事先確定的步驟和要求進行。調試人員應頭腦冷靜，隨時記錄，以便發現和解決問題。調試中首先試安全保護系統靈敏度，防止人身、設備事故發生。調試現場必須清理干凈，無多余物品；各運動坐標拖板處于全行程中心位置；能空載試驗的，先空載后加載；能模擬試驗的，先模擬后實動；能手動的，先手動后自動。

    (3) 驗收及后期工作

    驗收工作應聘請有關的人員共同參加，并按已制定的驗收標準進行。改造的后期工作也很重要，它有利于項目技術水平的提高和使設備盡早投產。驗收及后期工作包括：

    a. 機床機械性能驗收  經過機械修理和改造以及全面保養，機床的各項機械性能應達到要求，幾何精度應在規定的范圍內。

    b. 電氣控制功能和控制精度驗收  電氣控制的各項功能必須達到動作正常，靈敏可靠。控制精度應用系統本身的功能(如步進尺寸等)與標準計量器具(如激光干涉儀、坐標測量儀等)對照檢查，達到精度范圍之內。同時還應與改造前機床的各項功能和精度作出對比，獲得量化的指標差。

    c. 試件切削驗收  可以參照國內外有關數控機床切削試件標準，在有資格的操作工、編程人員配合下進行試切削。試件切削可驗收機床剛度、切削力、噪聲、運動軌跡、關聯動作等，一般不宜采用產品零件作試件使用。

    d. 圖紙、資料驗收  機床改造完后，應及時將圖紙(包括原理圖、配置圖、接線圖、梯形圖等)、資料(包括各類說明書)、改造檔案(包括改造前、后的各種記錄)匯總、整理、移交入檔。保持資料的完整、有效、連續，這對該設備的今后穩定運行是十分重要的。

    e. 總結、提高  每次改造結束后應及時總結，既有利于提高技術人員的業務水平，也有利于整個企業的技術進步。

    7、數控改造幾個實例

    (1) 用SIEMENS 810M改造X53銑床

    1998年，公司投入20萬元，用德國西門子810M數控系統、611A交流伺服驅動系統對公司的一臺型號為X53的銑床進行X、Y、Z三軸數控改造；保留了原有的主軸系統和冷卻系統；改造的三軸在機械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、PLC程序的編制與調試、機床大修，最后是整機的安裝和調試。銑床改造后，加工有效行程X/Y/Z軸分別為880/270/280mm；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3000/1000/500mm/min；機床加工精度達到±0.001mm。機床的三坐標聯動可完成各種復雜曲線或曲面的加工。

    (2) 用GSK980T和步進驅動系統改造C6140車床

    1999年，公司投入了8萬元，采用廣州數控設備廠生產的GSK980T數控系統、DY3混合式步進驅動單元對公司的一臺加長C6140車床的X、Z兩軸進行改造；保留了原有的主軸系統和冷卻系統；改造的兩軸在機械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、機床大修及整機的安裝和調試。車床改造后，加工有效行程X/Z軸分別為390/1400mm；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200/3000mm/min；機床最小移動單位為0.001mm。

    (3) 用GSK980T和交流伺服驅動系統改造C6140車床

    2000年，用廣州數控設備廠生產的GSK980T數控系統、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兩軸進行數控改造；保留了原有的主軸系統和冷卻系統；改造的兩軸在機械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、機床大修及整機的安裝和調試。車床改造后，加工有效行程X/Z軸分別為390/730mm；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。

    (4) 用SIEMENS 802S改造X53銑床

    2000年，公司投入12萬元，用德國西門子802S數控系統、步進驅動系統對公司的另一臺型號為X53的銑床進行X、Y、Z三軸數控改造；保留了原有的主軸系統和冷卻系統；改造的三軸在機械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、機床大修，最后是整機的安裝和調試。銑床改造后，加工有效行程X/Y/Z軸分別為630/240/280mm；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2000/800/500mm/min；最小移動單位為0.001mm。

    8、數控改造中的問題和建議

    通過幾臺機床的數控改造工作后，發現工作中也存在許多問題，主要表現在： 一是各部門、開發人員職責不明朗，組織混亂，嚴重影響了改造進度；二是制定的工作進程和計劃大多只是憑經驗制定，不太合理； 三是相關人員的培訓工作沒有到位，導致機床改造后工藝人員不會編程、操作人員對機床操作不熟練等問題。

    綜合以上問題，有幾點建議： 一是負責改造的員工職責明確，獎罰分明，充分調動員工的積極性；二是培養一批高素質的應用和維護人員，選派人員外出進修，學習先進技術；三是要注重用戶使用、維護數控系統的技術培訓，建立國內外數控技術資源庫。