数控改造实例以及分析

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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
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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。
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二、数控系统发展的趋势
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l．向开放式、基于PC的第六代方向发展
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6 e& U* @9 _# f' i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

1 o/ g8 s% p4 g& m2 k6 p! o7 C3．向智能化方向发展
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2 j: F' o' r8 J, P2 N2 J(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。

5 A  O8 i; x; Z8 d3 o7 e& G! A; `(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。
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(3)引入故障诊断专家系统

1 Q7 f- \" d" g8 `: V7 q, m(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。

  S; A6 M# `) {三、数控系统的选择
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* F+ @$ M( j1 ^' V8 W2 l1．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
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) J$ Q9 [0 x7 d- W3 d) M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。

8 z  a7 B/ K3 L' S. j# x$ z/ T1 ^4 t3．半闭环系统
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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的部分元件的误差，因此，其精度比闭环系统的精度低，但是其结构与调试都较闭环系统简单。
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当前生产数控系统的公司及厂家比较多，国外的如德国西门子公司、日本发那科公司；国内的如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心等。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求来确定。

; h/ ~/ K3 V, d( `: Q) X) z四、机床数控改造主要步骤

1 P9 V6 h# z6 U( c" f1．改造方案的确定

: ~$ f1 n/ s# ^( n(1)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、范围和内容；也要确定因电气改造而需进行机械结构改造的要求和内容；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。
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(2)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分成若干个子系统进行，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。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。

; \% q/ A' G0 h& M' A3 Z, e6 \(3)根据使用条件选择系统。针对改造对象确定它的环境和条件，这对选择电气系统的防护、抗干扰、自冷却及空气过滤等性能可提供正确的依据。电气系统选择时还必须考虑成熟产品，它们性能应合理实用、有备件可提供维修支持、功能可满足当前和今后若干年内的发展要求等。
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(4)落实参与改造的人员和责任。
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(5)改造范围与周期的确定。

2．改造的技术准备

* ^# n2 S/ F' u) ]6 |3 L+ y(1)机械部分准备。为配合电气改造的机械大修工作应先期完成。同时对需拆、改和加工的部分等应事先规划，要与整个改造工作衔接得当。
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(2)新系统电气资料消化。

! |" b, I% i% d2 q+ }(3)新旧系统接口的转换设计。根据每台设备改造范围不同，需事先设计接口部分转换，若全部改造的，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点、参数测量点、维修位置等。要求操作与维修方便合理、线路走向通顺、中小连接点少、强弱电干扰最小、备有适当裕量等。局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作转换接口。

(4)操作和编程人员的技术培训。培训内容一般应包括①新的操作面板配置、功能、指示含义；②新系统的功能范围、使用方法及与旧系统的差别；③维护保养要求；④编程标准与自动化编程等。重点是弄懂、弄通操作说明书和编程说明书。

" y) V) u/ T6 _1 x4 e$ f; J3 F5 E* N(5)调试步骤与验收标准的确定。调试工作应由项目负责人进行，其他人员配合。调试步骤可从简到繁，从小到大，从外到里进行，也可先局部后全局，先子系统后整系统进行。验收标准的制定必须实事求是，过高或过低的标准都会对改造工作产生负面影响。

3．改造的实施

& A- U! h* s8 Q4 P5 j  g(1)原机床的全面保养。原机床经长期使用后，需要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，并记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。
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( ~# ]- ?) T6 C) \! P(2)保留的电气部分最佳化调整。若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整，如强电部分的零件更换、电机的保养、变压器的烘干绝缘、污染的清洁、通风冷却装置的清洗、伺服驱动装置的最佳化调整、老化电线电缆的更新、连接件的紧固等。只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调整，才能保证改造后的机床有较低的故障率。

(3)原系统拆除。原系统的拆除必须对照原图纸仔细进行，及时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正。拆下的系统要妥善保管，以备万一改造不成功时恢复使用。还有一定使用价值的，可作备件。

% S+ {9 k8 m& ^: I6 K(4)合理安排新系统位置及布线。连线工作必须分工明确，有一人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。
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. u7 p' i( k2 y) f$ x2 u! b  K1 k. Z(5)调试。调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身和设备事故发生。调试现场必须清理干净；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。

- i$ d* b+ j) l% l/ B4．验收及后期工作

; x" x5 {2 C4 u3 N2 u; t(1)机床机械性能验收。机床的各项机械性能应达到要求，几何精度应在规定的范围内。

(2)电气控制功能和控制精度验收。电气控制的各项功能必须达到动作正常、灵敏可靠。控制精度应用系统本身的功能（如步进尺寸等）与标准计量器具（如激光干涉仪、坐标测量仪等）对照检查，达到精度范围之内。同时还应与改造前机床的各项功能和精度作出对比，获得量化的指标差。

(3)试件切削验收。可以参照国内外有关数控机床切削试件标准，在有资格的操作工、编程人员配合下进行试切削。试件切削可验收机床刚度、切削力、噪声、运动轨迹、关联动作等，一般不宜采用产品零件作试件使用。
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(4)图纸、资料验收。机床改造完后，应及时将图纸、资料、改造档案汇总、整理、移交入档。这对该设备的今后稳定运行十分重要。
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(5)总结、提高。

五、数控改造实例

1．用西门子810M改造X53铣床
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' E: W# s; D& y5 M6 \4 l用德国西门子810M数控系统、611A交流伺服驱动系统对一台型号为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珠丝杠及齿轮传动机构。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、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880mm、270mm、280mm；最大速度X、Y、Z轴分别为5 000mm/min、1 500mm/min、800mm/min；点动速度X、Y、Z轴分别为3 000mm/min、1 000mm/min、500 mm/min；机床加工精度达到士0.001 mm。机床的三坐标联动可完成各种复杂曲线或曲面的加工。

2．用GSK980T和步进驱动系统改造C6140车床
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( y4 _% W4 p) M1 Q( |/ \; w5 N采用GSK980T数控系统、DY3混合式步进驱动单元对一台加长C6140车床的X、Z两轴进行改造。保留了原有的主轴系统和冷却系统。改造的两轴在机械上采用了滚珠丝杠及同步带传动机构。整个改造工作包括机械设计、电气设计、机床大修及整机的安装和调试。车床改造后，加工有效行程X、Z轴分别为390mm、1400mm；最大速度X、Z轴分别为1 200mm/min，3 000mm/min；点动速度为400mm/min；点动快速X、Z轴分别为1 200mm/min、3 000mm/min；机床最小移动单位为0.001mm。
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  }! `$ z& x( L) @, Q- F4 E六、数控改造中的问题和建议
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4 K; I/ G* k/ [( L" Z, R7 @1．数控改造中的问题
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通过几台机床的数控改造工作后，发现工作中也存在许多问题，主要表现在：(1)各部门、开发人员职责不明朗、组织混乱，严重影响了改造进度；(2)制定的工作进程和计划大多只是凭经验制定，不太合理；(3)相关人员的培训工作没有到位，导致机床改造后出现工艺人员不会编程、操作人员对机床操作不熟练等问题。

2．数控改造建议

(1)负责改造的员工职责明确，奖罚分明，充分调动员工的积极性；培养一批高素质的应用和维护人员，选派人员外出进修，学习先进技术；

(2)要注重用户使用、维护数控系统的技术培训，建立国内外数控技术资源库。建立技术资料档案，做好备品配件工作。