機床數控化改造技術論文

　　機床數控化改造技術論文

　　【摘 要】本文針對我國現存大量傳統機床、舊機床無法滿足技術進步和產品革新要求的現狀，結合筆者的學習與研究，詳細探討了機床數控化的技術改造，以供有關單位及人員參考。

　　【關健詞】機床;數控化改造;改造方案;機械系統;選型和設計;參數設計;

　　1 引言

　　近年來，我國機械制造業得到了很快的發展，提高工業產品的質量及提高生產效率已經非常重要。

　　在各中、大型制造企業中也有相當數量的傳統機床，且50%都是使用超過10年以上的舊機床，數控系統的使用壽命一般在5～10 年，而我國大多數機床都在超期服役。

　　由于使用時間長，無法滿足技術的進步和產品革新的要求。

　　要解決以上問題，提高企業加工能力和產品競爭力，有兩種根本途徑: (1) 重新購置數控機床，淘汰舊設備;(2) 對舊設備進行數控改造。

　　后者與前者相比，更具優勢，主要表現在:

　　(1)交貨期短。

　　尤其是大型機床和特殊專用機床優勢更加明顯。

　　一般來講，改造大型機床能在較短時間內使機床投入生產，而購買新機床周期都在半年到一年時間;

　　(2)性能更穩定。

　　各基礎件經長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度，各功能部件經長期磨合，功能穩定，可靠性好;

　　(3) 設計風險小。

　　新機床設計中帶來的技術、方案風險在大修改造中幾乎不存在;

　　(4) 可以更充分地體現用戶的意愿。

　　用戶與維修人員可以依照實際需要和機床長期使用情況，在大修改造中提出對機床性能、操作與維修等方面的改進(包括增、改)意見，有權選擇機械零部件、數控系統等電氣設備的規格、型號、性能等;

　　(5) 更有利于使用與維護。

　　由于用戶、維修人員不僅可以直接參與改造方案的制定，而且可以參與改造的全過程，直接獲取各種技術信息，更深入地掌握機床的結構及性能特點，從而增強使用與維修的主動能力;

　　(6) 可以更快地獲取最新的更實用的備件;

　　(7) 節省大量投資;

　　(8) 降低投資風險。

　　2 機床數控化改造技術

　　(1) 確定改造方案

　　對改造對象進行全面檢查，明確改造目標和改造后機床用途，確定改造方案。

　　普通機床數控化改造總體步驟如圖1 所示。

　　對于舊數控機床的升級改造，機械系統改造較少，主要是電氣控制系統的升級改造，以改變系統老化、備件匱乏帶來的故障率高、維修周期長的問題。

　　(2) 機械系統的改造

　　普通機床機械系統改造項目多，如圖2 所示。

　　如普通機床往往在鑄鐵床身上直接加工出導軌，長時間使用出現磨損，影響加工精度，為提高其耐磨性和動、靜剛度，可以改造為采用軸承鋼淬硬制成導軌，粘貼緊固到鑄鐵床身上，而后再對粘貼好的導軌進行磨削;改變普通機床繁瑣的傳動鏈，采用步進、DC或AC 伺服電動機結合滾珠絲杠副的傳動形式，使傳動鏈大大縮短;增加自動換刀裝置; 增加分度工作臺、回轉工作臺等輔助功能部件等。

　　對于舊數控機床的升級改造，如果機械部件性能良好，液壓系統、冷卻系統、潤滑系統等輔助部件性能也都正常，除對機械部件做除銹和清潔保養外，無需做大的更換和修復。

　　(3) 數控系統的選型和設計

　　無論普通機床的數控化改造，或是舊數控機床的升級改造，數控系統的選型、設計和安裝都是至關重要的核心步驟。

　　舊數控機床系統較多采用: SINUM ERIK7，3，8，850 /880，810; FANUC 7，6，3。

　　目前，多數早期型號的數控系統的電氣備件已經停止供貨，改造時，基本不考慮保留老系統，而是根據機床的現狀、產品生產要求、企業資金狀況，選擇相應的低、中、高檔數控系統。

　　如圖3 所示，如果追求品質優越、穩定的數控系統，可選擇國外知名品牌的數控系統;國內數控系統也具有性價比高、維修使用成本低的優勢，在選用時，建議根據企業所在地區選用。

　　舊數控系統大部分帶有老型號的PLC 邏輯控制系統，在數控系統改造過程中，要考慮新老系統替換時的差別，對PLC 部分輸入輸出點的數量和性質作出比較精確的估算。

　　對于外圍電路的改造，可采取的方案有兩種: ①“接口型改造”，即保留外圍繼電器電路，只對NC、PLC 進行改造，新PLC 不參與外圍電路控制，只處理NC 所需的指令信號。

　　此方案改造設計、調試工作量較小;② “徹底改造”，在繼電器邏輯較復雜、故障率較高、用戶又能提供清楚邏輯圖的情況下，可用新NC 所帶的PLC 將外圍電路全部改造，簡化了外圍電路，又合理利用了PLC 的控制能力。

　　此方案可大大簡化硬件電路，提高可靠性，但改造設計、調試工作量較大。

　　對于數控系統的改造，還應注意:①要盡量向一個著名廠家的型號系列靠攏，這樣既有利于維修和管理，又利于備件的購買，千萬不要把企業的數控系統搞成“萬國牌”。

　　②要清楚所選廠家在國內的維修服務狀況，以免將來后患無窮。

　　(4) 伺服驅動系統的選型和設計

　　如圖4 所示，伺服驅動系統的選型和設計主要包括: 主軸伺服系統和進給伺服系統電動機的選擇以及配套電機驅動器和主軸變頻器的選擇。

　　對于電機驅動器，可選擇與數控系統配套的驅動器，如FANUC 本身開發了集成程度很高的多軸驅動器，也可選擇市面上的其他品牌驅動器。

　　在改造過程中，對于狀態良好、價值很高的老伺服系統，可采取保留驅動裝置和電機的方案，也可采取只保留功率大、價格貴、安裝麻煩、狀況良好的電機，而更換為新型驅動裝置，若保留，還要考慮老伺服系統是否與新數控系統匹配的問題。

　　(5) 機床測量系統的選型和設計

　　對于機床測量系統，目前數控系統的要求是增量式脈沖編碼輸入，所以舊機床所配的感應同步尺或旋轉變壓器等測量元件均需用增量式脈沖編碼器、光柵尺代替。

　　具體方案是: 旋轉變壓器基本不能保留，可以采用新型旋轉編碼器替代; 感應同步器/尺的情況略微復雜，能改掉盡量改掉，用新型HEIDENHAIN光柵尺和圓光柵替代，但在某些場合，如精密轉臺，會遇到新的圓光柵不能安裝的問題，西門子為此提供了感應同步器/尺信號到新系統的轉換裝置，但該裝置價格昂貴，盡量不要選用。

　　(6) 電柜設計

　　電柜設計包括的內容如圖5 所示。

　　此外，在舊數控機床的升級改造中，還應遵循以下原則：一是進口數控機床電氣柜以及柜內的元器件即使使用了若干年，狀態仍會優于國內甚至合資品牌的元器件，所以，改造高檔進口數控機床，不建議做大拆大改; 如果電氣柜狀態比較差，全套更換，在資金允許的情況下，要盡量選擇知名品牌。

　　在改造方案確定初期，就要根據電氣改造方案測定所需的電纜長度，凡與數控驅動測量系統直接相關的電纜，只選擇原裝電纜;但大型主軸電機的電力電纜價格過于昂貴，改造時不考慮原裝電纜。

　　(7) 參數設計及設置

　　根據改造方案，查閱數控系統、變頻器、伺服驅動器說明書，依據機床設計性能，設計、設置、匹配參數。

　　如圖6 示。

　　(8) 機電聯調和精度控制

　　這是改造能否成功的關鍵環節。

　　工程人員在這一階段完成機電聯調、數控系統的最終調試、驅動系統的參數最佳化調節等工作，并為驗收做準備。

　　驗收主要包括兩項內容：①按照國際標準，不同類型的機床相應的標準試切削程序，進行標準樣件試切削; ②對機床精度進行檢驗，可采用激光干涉儀進行測量，機床位置測量系統的補償可采用得到的數據，從而提高機床精度。

　　3 總結

　　現代制造技術快速發展，高速電主軸、直線滾動導軌、直線電動機、大容量刀庫、虛擬技術等廣泛應用在數控機床上，機床功能越來越復雜，5 軸加工中心、復合加工設備( 如車、銑、磨集成) 、特種加工設備( 激光、真空電子束、噴涂) 等越來越多。

　　研究、探索這些數控設備性能特點，在其正常工作階段充分利用，通過合理的數控改造進一步挖掘其價值，提高設備可靠性，減少維護費用，是隨著國內制造業的升級而不斷深入的研究課題。

　　參考文獻:

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