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对普通机床数控改造的技术路线分析
摘 要：对普通机床特别是大、中型关键设备进行数控改造，可有效地提高原机床的加工精度和效率，拓展原机床的功能，延长原机床的生命周期，增进企业在市场的竞争力。本文是在广西南宁发电设备总厂这几年对普通机床进行数控改造的经验总结基础上，阐述普通数控机床改造过程的一般技术路线和方法，可作为类似普通机床数控改造的有益参考。
关键词：普通机床；数控改造；技术路线
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1672—545X（2007）02— —
The Technique Methods for Reconstructing General
Machine Tool Based on NC System
YANG Zhi-gang①, PAN Hai-hong②, HUANG Bing-qiong②
(①Guangxi Nanning Hhydroelectric Equipment Factory,Nanning Guangxi 530031,China
②College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning Guangxi 530004,China)
Abstract: Reconstructed with numerical control (NC) system, the machining accuracy and efficiency of general machine tools especially the large or middle -scale key equipment could be enhanced effectively, and the function of the original machine tools is extended, and thus the life cycles of the equipment are prolonged. Consequently, the capability of competition of enterprise is improved. This paper introduces the technique methods for reconstruction general machine tool with NC system. These methods could be useful referenced by others in reconstruction of general machine tools.
Key words: General Machine Tool; Reconstruction Based on NC System; Technique Method
前言
数控机床能够适应市场对产品多样化、高精度和快速响应的加工要求，因此得到了广泛的应用。但是，商品化的数控机床价格较高，特别是一些大中型的数控机床价格更为昂贵，推广应用受到限制。改造老机床与购买新机床相比，投资成本较低，而且又能增强系统功能，提高机床设备的技术水平与性能，提高原机床设备的生产效率，给用户带来巨大的经济效益。因此，利用较先进的数控系统对现有普通机床，特别是企业的大中型关键设备进行技术改造，对增进企业在市场经济中的竞争力具有重要意义 [1]。
然而，在对普通机床进行数控改造中，也遇到许多难题。首先，数控改造涉及到许多学科和技术，包括：机械技术，计算机技术，电气自动控制技术，液压控制技术等。因此，要求多类技术人员配合协同工作。其次，数控改造之前，要制定好技术改造方案。实践表明，一个好的改造方案或技术路线是数控改造成功的重要基础，并在这个环节严格把关，才能保证改造的成功实施。本文结合广西南宁发电设备总厂采用西门子802D数控系统进行数控改造就技术路线制定及方法进行阐述。
1数控改造技术路线
1．1明确改造对象的功能、参数及要求
改造前必须对机床的类型、结构、性能、运行状态、现有加工精度、特殊功能以及对现有系统改造后要求达到的加工精度、特殊功能进行详细了解。
数控系统主要由控制系统、伺服驱动和测量系统3 部分组成。究竟是整体改造还是局部改造取决于上述3 大系统的状况以及对改造成本要求。下面较为详细的罗列出对改造对象所要明确的内容：
（1）设备种类及型号：如：车床、铣床等。
（2）要求控制轴数，特别是联动控制轴数。这对数控系统的选型至关重要，因为不同的数控系统所能同时控制的轴数是不同的。
（3）机床的机械结构及参数。主要包括如下内容：
①主轴转速范围、有级还是无级调速，定位精度，重复定位精度等，功率参数；
②进给轴的速度范围、调速要求、精度要求、行程范围、转矩要求等；
③其他辅助参数：如润滑、冷却、照明、安全特性等要求；
④机床的相关机械结构尺寸。
（4）机械结构的改造要求：丝杆、导轨、减速箱（包括主轴、进给轴）、刀架等部件的改造要求。
（5）改造后要求机床所具备的功能及性能参数。
（6）机床改造前的电气控制原理图（或电气控制方式）。
目的，是了解在改造时，这部分电气接线能否继续使用，若不行，就要通过PLC来改造。
1．2数控系统的选型
数控系统的选型与配置需综合考虑机床状况、对改造后机床功能的要求、改造成本费用及各种数控系统的特点。系统配置时,需对电缆长度、电机扭矩及额定转速、主轴功率、系统安装空间等细节予以充分考虑。由于国内外的数控系统种类及品种繁多，如西门子，FANUC，华中数控等，在选型时，除了考虑上述因素外，还要充分考虑数控系统厂家的技术支持能力。表1列出了西门子主要数控系统的性能特点，供选型时参考[2][3]。其他厂家的数控系统性能特点可上相关网站得到。
表1 西门子数控系统性能对比简要列表
参数 型号 802S 802C 802D 810D
CCU1 840D
NCU 571 840D
NCU 572/3 840C
测量回路数 4 4 5 6 6 31 30
进给轴/主轴 3/1 3/1 4/1 6/1+1 6/6 31/31 30/6
驱动系统 步进驱动 611A/U 611U 611D 611D 611D 611A/D
线性插补轴 3 3 3 4 4 4/12 5
通道数 1 1 1 1 2 10 6
PLC最大I/O 64/64 64/64 144/96 768/768 2048/2048 2048/2048 1024/1024
龙门同步轴 否 否 否 否 否 是 是
性能 经济型 经济型 经济型 中档型 中档型 高档型 高档型
主要适用
机床类型 车/铣 车/铣 车/铣 车/铣/磨 铣/磨/冲 镗/铣/磨/冲 加工中心
1．3机械部分的设计计算
在许多情况下，对旧机床进行数控改造时，或多或少都要对机械部分进行改造，为了能够安全可靠的选取驱动系统和伺服电机，必须对机械传动系统重新设计及计算。
（1）根据前面提出的机床参数及要求，以及机床结构，参考《机床设计手册》，对主轴、进给轴等部分进行相关的受力分析计算，得出大概值，写成规范文档“数控改造机械部分设计计算说明书”，以此作为选取电机及驱动器的主要依据。
（2）根据上面的计算结果，确定驱动电机的功率、输出扭矩及型号，进一步选取驱动器类型和型号。当然，在一些情况下，也可以采用类比方式来确定或选取伺服电机及其驱动器。
例如：在某台立车的数控改造中，选用西门子802D为数控系统。由于西门子数控系统的配套要求，一般我们只能选取611UE为驱动系统。但这不能说我们前面的计算就没有用了，因为还要为驱动系统配套功率模块以及选取伺服电机，在这里就体现受力分析计算的重要性。如果我们在选择其他数控系统时，若数控系统与驱动系统是相对独立的，那更显得机械部分设计计算的重要性。
1．4机床机械结构的改造
机床的机械结构改造要根据被改造对象的功能要求来进行。总的原则是：运动部件的质量越轻越好，摩擦力越小越好，运
关键词：普通机床；数控改造；技术路线
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1672—545X（2007）02— —
The Technique Methods for Reconstructing General
Machine Tool Based on NC System
YANG Zhi-gang①, PAN Hai-hong②, HUANG Bing-qiong②
(①Guangxi Nanning Hhydroelectric Equipment Factory,Nanning Guangxi 530031,China
②College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning Guangxi 530004,China)
Abstract: Reconstructed with numerical control (NC) system, the machining accuracy and efficiency of general machine tools especially the large or middle -scale key equipment could be enhanced effectively, and the function of the original machine tools is extended, and thus the life cycles of the equipment are prolonged. Consequently, the capability of competition of enterprise is improved. This paper introduces the technique methods for reconstruction general machine tool with NC system. These methods could be useful referenced by others in reconstruction of general machine tools.
Key words: General Machine Tool; Reconstruction Based on NC System; Technique Method
前言
数控机床能够适应市场对产品多样化、高精度和快速响应的加工要求，因此得到了广泛的应用。但是，商品化的数控机床价格较高，特别是一些大中型的数控机床价格更为昂贵，推广应用受到限制。改造老机床与购买新机床相比，投资成本较低，而且又能增强系统功能，提高机床设备的技术水平与性能，提高原机床设备的生产效率，给用户带来巨大的经济效益。因此，利用较先进的数控系统对现有普通机床，特别是企业的大中型关键设备进行技术改造，对增进企业在市场经济中的竞争力具有重要意义 [1]。
然而，在对普通机床进行数控改造中，也遇到许多难题。首先，数控改造涉及到许多学科和技术，包括：机械技术，计算机技术，电气自动控制技术，液压控制技术等。因此，要求多类技术人员配合协同工作。其次，数控改造之前，要制定好技术改造方案。实践表明，一个好的改造方案或技术路线是数控改造成功的重要基础，并在这个环节严格把关，才能保证改造的成功实施。本文结合广西南宁发电设备总厂采用西门子802D数控系统进行数控改造就技术路线制定及方法进行阐述。
1数控改造技术路线
1．1明确改造对象的功能、参数及要求
改造前必须对机床的类型、结构、性能、运行状态、现有加工精度、特殊功能以及对现有系统改造后要求达到的加工精度、特殊功能进行详细了解。
数控系统主要由控制系统、伺服驱动和测量系统3 部分组成。究竟是整体改造还是局部改造取决于上述3 大系统的状况以及对改造成本要求。下面较为详细的罗列出对改造对象所要明确的内容：
（1）设备种类及型号：如：车床、铣床等。
（2）要求控制轴数，特别是联动控制轴数。这对数控系统的选型至关重要，因为不同的数控系统所能同时控制的轴数是不同的。
（3）机床的机械结构及参数。主要包括如下内容：
①主轴转速范围、有级还是无级调速，定位精度，重复定位精度等，功率参数；
②进给轴的速度范围、调速要求、精度要求、行程范围、转矩要求等；
③其他辅助参数：如润滑、冷却、照明、安全特性等要求；
④机床的相关机械结构尺寸。
（4）机械结构的改造要求：丝杆、导轨、减速箱（包括主轴、进给轴）、刀架等部件的改造要求。
（5）改造后要求机床所具备的功能及性能参数。
（6）机床改造前的电气控制原理图（或电气控制方式）。
目的，是了解在改造时，这部分电气接线能否继续使用，若不行，就要通过PLC来改造。
1．2数控系统的选型
数控系统的选型与配置需综合考虑机床状况、对改造后机床功能的要求、改造成本费用及各种数控系统的特点。系统配置时,需对电缆长度、电机扭矩及额定转速、主轴功率、系统安装空间等细节予以充分考虑。由于国内外的数控系统种类及品种繁多，如西门子，FANUC，华中数控等，在选型时，除了考虑上述因素外，还要充分考虑数控系统厂家的技术支持能力。表1列出了西门子主要数控系统的性能特点，供选型时参考[2][3]。其他厂家的数控系统性能特点可上相关网站得到。
表1 西门子数控系统性能对比简要列表
参数 型号 802S 802C 802D 810D
CCU1 840D
NCU 571 840D
NCU 572/3 840C
测量回路数 4 4 5 6 6 31 30
进给轴/主轴 3/1 3/1 4/1 6/1+1 6/6 31/31 30/6
驱动系统 步进驱动 611A/U 611U 611D 611D 611D 611A/D
线性插补轴 3 3 3 4 4 4/12 5
通道数 1 1 1 1 2 10 6
PLC最大I/O 64/64 64/64 144/96 768/768 2048/2048 2048/2048 1024/1024
龙门同步轴 否 否 否 否 否 是 是
性能 经济型 经济型 经济型 中档型 中档型 高档型 高档型
主要适用
机床类型 车/铣 车/铣 车/铣 车/铣/磨 铣/磨/冲 镗/铣/磨/冲 加工中心
1．3机械部分的设计计算
在许多情况下，对旧机床进行数控改造时，或多或少都要对机械部分进行改造，为了能够安全可靠的选取驱动系统和伺服电机，必须对机械传动系统重新设计及计算。
（1）根据前面提出的机床参数及要求，以及机床结构，参考《机床设计手册》，对主轴、进给轴等部分进行相关的受力分析计算，得出大概值，写成规范文档“数控改造机械部分设计计算说明书”，以此作为选取电机及驱动器的主要依据。
（2）根据上面的计算结果，确定驱动电机的功率、输出扭矩及型号，进一步选取驱动器类型和型号。当然，在一些情况下，也可以采用类比方式来确定或选取伺服电机及其驱动器。
例如：在某台立车的数控改造中，选用西门子802D为数控系统。由于西门子数控系统的配套要求，一般我们只能选取611UE为驱动系统。但这不能说我们前面的计算就没有用了，因为还要为驱动系统配套功率模块以及选取伺服电机，在这里就体现受力分析计算的重要性。如果我们在选择其他数控系统时，若数控系统与驱动系统是相对独立的，那更显得机械部分设计计算的重要性。
1．4机床机械结构的改造
机床的机械结构改造要根据被改造对象的功能要求来进行。总的原则是：运动部件的质量越轻越好，摩擦力越小越好，运
