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)02-0005-03NC tran sforma ti on and developm en t trend of mach i n e toolZ 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 characteristic0　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200612114　减速驱动机构在机床改造中,步进电机和丝杠传动副之间装有减速机构,其主要目的是为了得到所需的脉冲当量和增大驱动力矩,一般采用齿轮传动机构或同步带传动机构。

此项改造不属于必改项,在步进电机的转矩足够大,结构许可的情况下,也可以不用减速驱动机构,由步进电机直接与丝杠副相连。

115　自动刀架安装刀架改造是数控改造的重要内容,即将原普通车床的手动转位刀架替换成自动转位刀架。

卧式车床自动转位刀架最常见的型式是螺旋型四转位刀架,拆除小拖板后将刀架调整好高度安装在中拖板上,由数控系统直接控制,效率高、工艺性能可靠。

116　光电编码器加工螺纹时为了保证步进电机进给与主轴的旋转相配合,切削出固定螺距、固定起点、多头螺纹等量分度的螺纹,通常在主轴尾部安装增量式光电编码器。

切制螺纹时,编码器与主轴同步旋转,同时发出与主轴转角相对应的脉冲信号,控制刀架纵向移动。

117　导轨改造普通车床均为滑动导轨,这种导轨的缺点是静摩擦系数大,低速时易产生爬行现象,影响运动平稳性和定位精度。

为了克服这一缺点,数控改造时,一种是将原导轨贴塑,使其成为贴塑导轨;另一种是将原滑动导轨换成滚动导轨。

当机床精度要求不高时,一般不做导轨改造,以降低数控改造成本。

118　主轴变速机构主轴变速改造一般采用交流异步电动机变频调速系统,由CNC控制变频器,变频器驱动交流异步电动机,实现自动无级变速。

在自动化程度要求不高的情况下,机床主轴变速部分可不做改动,仍采用原手动变速机构,这样可大大降低改造成本。

2　数控设备新发展211　数控系统结构体系的发展数控系统是数控机床和数字化设备的核心,经过50多年的发展,数控系统已由原来传统的封闭体系结构系统发展到了采用微型计算机的开放式结构数控系统,并且进一步与网络技术、信息技术和控制技术相结合,向网络化、集成化和智能化方向发展。

21111　传统数控系统a1传统数控系统是采用专用的封闭体系结构的数控系统,如F ANUC0系统、M itsubishiM50系统和Si2 e mens810系统等;b1由于其封闭的软硬件结构,系统功能的扩展、改变和维修都比较困难,一般须由系统供应商进行;c1目前,由于开放体系结构数控系统的发展,传统数控系统的市场正受到挑战,已逐渐缩小。

21112　“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统a1这是一种专用数控软硬件技术与通用计算机结合而开发的产品,如F ANUC18i、16i系统、Sie mens 840D系统、Nu m1060系统和AB9/360等数控系统;b1它具有一定的开放性,但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统,其体系结构仍是不开放的。

因此,用户无法介入数控系统的核心。

这类系统结构复杂、功能强大,但价格昂贵。

21113　“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统a1由“开放体系结构运动控制卡+PC机”构成。

这种运动控制卡通常选用高速处理器作为CP U,具有很强的运动控制和P LC控制能力。

如美国DeltaTau 公司用P MAC多轴运动控制卡构造的P MAC-NC数控系统、日本MAZ AK公司用三菱电机的M ELDAS MA2 GI C64构造的MAZ ATROL640CNC等;b1这类系统具有较好的开放性,它开放的函数库供用户在W indow s平台下自行开发构造所需的控制系统。

因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。

21114　软件开放式数控系统a1系统的CNC功能基本上由计算机软件实现,而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。

其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国Power Aut omati on公司的P A8000NT等;b1这种系统的开放性非常好,用户可以在其系统平台上,利用开放的CNC内核,开发所需的各种功能,构成各种类型的高性能数控系统,软件开放式数控系统具有最高的性价比,成为当今数控技术发展的方向。

212　数控系统性能和功能方面的发展21211　开放性系统可通过光纤与PC机连接,采用W indows兼容软件和开发环境。

功能以高速、超精(具有高精纳米插补功能)为核心,并具有智能控制。

特别适合于加工航空机械零件、汽车及家电的高精零件、各种模具和需5轴加工的复杂零件,以及用作超精机械控制。

21212　高级复杂的功能可进行各种数学的插补,如直机床电器200612综 述———机床的数控化改造及其未来发展趋势线、圆弧、螺旋线、渐开线、螺旋渐开线和样条等插补,也可以进行NURBS插补。

采用NURBS插补可以大大减少NC程序的数据输入量,减少加工时间,特别适合于模具加工。

NURBS插补不需任何硬件。

21213　强大的联网通信功能适应工厂自动化需要,支持标准F A网络与DNC的连接。

可联接工厂干线或控制层通信网络、设备层通信网络、RS-485接口传送I/ O信号或采用Prellbus-DP进行高速通信。

21214　高速内装P MC由专用的P MC处理器控制梯形图和顺序程序,可用C语言在PC机上编程,基本P MC指令执行时间为01085p s;最大步数为32000步。

21215　友好的用户界面,操作、维护方便,普遍采用触摸屏、2D和3D彩色图形显示、软件硬件的模块化结构等,给操作和系统维护带来很大方便。

213　新一代数控加工设备的特征21311　高速化目前车床和车削中心主轴转速达到8000r/m in,加工中心的主轴转速一般都在15000r/m in～20000r/m in,高的达到60000r/m in,切削进给速度一般达到20m/m in,高的甚至达到60m/m in,为充分发挥刀具材料性能、提高加工效率、降低加工成本,并且提高加工精度和表面加工品质,数控装备将进一步向更高速度或超高速方向发展。

21312　高精度在加工精度方面,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±(3～5)μm,提高到±(1～115)μm;超精密加工精度已开始进入纳米级(01001μm)。

21313　高可靠性国外数控装置M T BF己达6000h以上,伺服系统M T BF达到30000h以上,表现出非常高的可靠性。

21314　柔性化、网络化、集成化为适应制造自动化的发展,向F MC、F M S和C I M S 提供基础设备,要求数控系统不仅能完成通常的加工功能,而且还能够具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头(有时带坐标变换)、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网功能,特别是依据用户的不同要求,可方便灵活地配置和集成。

21315　智能化a1为追求加工效率和加工品质方面的智能化,设备有自适应控制、工艺参数自动生成的功能;b1为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,具有前馈控制、电机参数自适应运算、自动识别负载自动选定模型和自整定等功能;c1简化编程和简化操作方面的智能化,有智能化的自动编程和智能化的人机界面等功能;d1具有智能诊断和智能监控方面的内容,方便系统的诊断及维修;e1此外,还具有许多特别的智能功能,如加工运动规划、推理和决策能力,以及加工环境的感知能力、制造网络通信能力(包括与人的交互)、智能编程、智能数据库和智能监控等。