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摘 要：本文重点介绍了普通机床数控化改造的必要性及数控化改造的内容及其优缺点，以及如何进行普通机床的数控化改造，包括数控系统的选择要素，并对数控改造中如何对主要机械部件进行改造进行了探讨，列举了普通机床数控改造的主要步骤。最后说明了普通机床数控改造中经常遇到的问题及其解决方案。
关键词：机床 数控 改造 集成 性能 调整
中图分类号：TG502 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0061-02
1946年世界上第一台计算机诞生了，开创了机器部分代替“人脑”的先河，为当今信息社会的产生及数控技术的应用奠定了基础。随着1952年计算机技术在机床上的应用，人类历史上诞生了第一台数控机床。在数控技术发展过程中，数控技术在机加工领域的应用经历了两个阶段。
第一阶段为数控（NC）阶段—此阶段为数控技术应用的初期阶段，起源于1952年。 当时，人们仅采用数字逻辑电路搭成机床专用计算机作为数控系统，简称为数控（NC）。
第二阶段为计算机数控（CNC）阶段— 此阶段起源于1970年，随着小型计算机的诞生，人们开始将其移植到机床的数控系统作为数控的核心部件。
1 普通机床的数控化过程
随着计算机技术的发展和应用，数控技术在机加工领域的应用也在不断的提高和创新。在进入20世纪70年代年以后，随着集成化电路的应用，使计算机的硬件实现了集成化和小型化。20世纪90年代以后，随着小型计算机的发展，使得小型个人计算机（PC）作为前端机来处理人机界面、编程、联网通信等变的更加方便。随着智能化技术的应用，数控系统的智能化水平也在不断提高。例如，人们应用自适应控制技术来检测数控过程中的一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的；将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平台，建立具有人工智能的操作系统等等。数控系统在机加工领域的应用，大大提高了机床的性能。如何提高和改善普通机床性能，成为机床行业的一个新课题。图1描绘了普通机床的数控化改造过程。
2 普通机床数控改造的必要性
数控机床有许多优于普通机床的特性，这些特性主要来自数控系统的控制能力和计算能力。其优越性重点表现在以下几个方面。
（1）效率大大提高-数控机床的效率是普通机床的数倍，有的甚至可达数十倍。
（2）模仿能力-数控机床具有普通机床不具备的“模仿”能力，这主要得益于数控机床超凡的计算能力，可依据已知的要求加工出曲面和曲线等复杂零部件。
（3）可以实现机加工的自动化-计算机具有的数据储存能力，为机加工的自动化提供了可能和保证。
（4）加工精度和可靠性大大提高。
（5）可以实现自动补偿，自动监控和自动报警-数控机床的数据储存能力可以实现加工过程的无人操作，降低了劳动强度，减少了对人的依赖。
（6）机床的数控化为推行FMC（柔性制造单元），FMS（柔性制造系统）和CIMS（计算机集成制造系统）等提供了基础，并为机加工企业的信息化改造提供了技术支持。
（7）为加工领域的网络化生产管理奠定了基础-在多品种小批量的生产条件下，数控机床的网络化管理可大大提高数控机床的利用率。
3 普通机床数控化改造的内容
随着机加工技术的不断进步以及数控技术的不断更新，对普通机床改造的探索也在不断发展。普通机床的数控化改造主要包括以下三类。
（1）设备翻新升级-此种改造的重点是对原数控机床不满足生产要求的CNC（计算机数控）系统进行升级改造。
（2）普通机床的NC（数控）化-此种改造重点是在原普通机床上加数显装置或加数控系统，使普通机床升级为简单的数控机床。
（3）技术更新或技术创新-此种改造的目的是使用新工艺、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，从而达到较大幅度的提高设备的能力和档次。
4 普通机床数控化改造的优势
4.1 节约费用
与购置新的数控机床相比，普通机床的数控化改造一般可节省大约60%～80%的费用。由于大型机床机械部分所占比重较大，可节约的费用更加可观，符合产业节能环保的发展趋势。
4.2 交货期短
一般讲机械部件的交货周期较长，由于机床的数控化改造过程中机械部分的改造较小，交货期可大大缩短。
4.3 机械性能稳定可靠
由于老设备的机械部件经过多年的使用，其主体部分的强度和韧性已得到充分的验证。另外，老的机械设备的主体如床身和立柱等都是重而坚固的铸件，和焊接结构件相比，它的稳定性高、质量好。
4.4 操作更加容易，维修更为方便
由于是老设备的改造升级，操作人员对设备熟悉，在操作使用和维修方面不必花费太多的时间和精力进行培训。
4.5 可以采用最新的技术对老设备进行改造升级
5 数控系统的选择
数控系统的选择应主要考虑实际需求，应尽可能的减少机械部件的改造。数控选型时应充分考虑老设备的承载能力，并适当考虑今后一段时间的发展，制定合理的改造方案。
数控系统主要有以下三种。
（1）步进电机拖动的开环数控系统-这种系统-不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端。驱动装置主要是步进电机，系统的位移精度取决于步进电机的角位移精度和机械传动精度。该系统结构简单，改造费用低，工作可靠。
（2）异步电机或直流电机拖动的闭环数控系统-此种系统需要得到反馈信号，随时与给定值进行比较，并将比较结果传至驱动机构。该系统可取得更高的加工精度，但结构复杂，改造费用高。 （3）交、直流伺服拖动-此种系统介于开环数控系统和闭环数控系统之间。
6 数控改造过程中涉及的主要机械部件
普通机床的数控化改造，不是简单的将数控装置与普通机床连接在一起。还应对一些部件进行改造使其适应数控机床的要求，如图2所示。数控化改造常涉及到的机械部件有以下几点。
（1）滑动导轨-导轨除应具有普通机床的导向精度和工艺性外，还应有良好的耐磨性，同时具有足够的刚度。
（2）齿轮副-为了保证精度，数控机床的传动精度都大于普通机床。因而，改造时机床的主要齿轮传动系统应满足数控机床的要求，以保证数控机床的加工精度。
（3）纵横向进给装置-应对现有进给装置进行评估，选择适用于数控装置的进给装置。加工件精度要求较高时，应选用滚珠丝杆。
（4）刀架-需将手工刀架更换为数控刀架。
（5）安全防护装置-如普通机床的安全防护装置不能满足数控机床的安全要求，应进行改造。
7 普通机床的数控化改造步骤
7.1 确定改造方案，一般包括
（1）确定机械改造和电气改造的内容。机械改造和电器改造互为补充，机械性能的完好是数控化改造的前提。
（2）系统分解。将改造内容分解成若干子系统，如传动系统，测量系统等，逐个制定详细改造方案。
（3）确定改造步骤。可以依照系统的分解，按照先易后难，先局部后整体的思路逐步进行。切忌好大喜功，急于求成。条件不具备，不要强行实施。
7.2 改造前的技术准备
（1）为配合电器改造，确定哪些机械部件需要改造。对需要改造的机械部件进行测量、计算和图纸绘制。
（2）仔细研究需要新配置的电器系统，弄清原理，理解消化新功能。做到改造思路清晰，层次分明。
（3）确定新旧系统接口的设计。做到新旧系统衔接合理通畅，易于操作和维护。
（4）确定调试方案。改造前，应仔细研究分析新的系统性能。依据数控化改造的整体思路，制定相应的单元调试方案和整体综合调试方案。
7.3 改造的具体实施，按时间顺序分为以下几个阶段
（1）对原有设备进行全方位的维护保养，确保设备处于良好状态。并对原有设备进行测量和记录，以便于改造后进行对比分析。
（2）优化需保留的电器系统，更换功能老化的部件，如电缆和紧固件等。使保留的电器元部件处于最佳状态。
（3）拆除需要改造的部分。拆除前应在原图纸上做出标记，以免遗漏或过拆。对拆下的元部件应做好标记，妥善保管，以备使用。
（4）合理安排新系统，及时纠正新系统的不合理配置及安装。做到新系统配置合理、安装有序，功能达到最大化。
7.4 调试
调试应依据事先确定的方案进行。在调试过程中如发现新问题，应停止调试，待方案确定后再继续进行，切忌调试的随意性。调试过程中应做好记录。调试步骤一般分为以下几步。
（1）先调试子系统，再调试整系统。即先单元调试，后联动调试。
（2）先手动后机动。能手动调试的，一定要先手动调试，手动合格后再通电调试。
（3）先空载后加载。空载调试合格后再进行加载调试。加载调试过程中应分步加载，切忌一步加到满载。
7.5 验收
应聘请有关专家和相关技术人员和操作人员组成验收小组，依据改造方案逐步进行验收。验收过程中应做好记录和文件整理，需要进一步完善的应记录在案。达不到要求的不得交付操作人员。所有操作人员应先培训考核，考核合格后再上岗操作。
8 结语
普通机床的数控化改造是一项复杂的工作，需要有耐心和信心。只要准备充分，选择改造方案合理，实施过程控制得当，普通机床的数控化改造将会收到理想的效果。
参考文献
[1] 芮延年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2] 周德俭，吴兆华，陈子辰.使用PC的开放式计算机数控系统，1997.
[3] 刘利.当前NC的热点—— 开放化与PC化[J].机电一体化，1998.
[4]（加）Yusuf Altintas-数控技术与制造自动化[M].化学工业出版社.
关键词：机床 数控 改造 集成 性能 调整
中图分类号：TG502 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0061-02
1946年世界上第一台计算机诞生了，开创了机器部分代替“人脑”的先河，为当今信息社会的产生及数控技术的应用奠定了基础。随着1952年计算机技术在机床上的应用，人类历史上诞生了第一台数控机床。在数控技术发展过程中，数控技术在机加工领域的应用经历了两个阶段。
第一阶段为数控（NC）阶段—此阶段为数控技术应用的初期阶段，起源于1952年。 当时，人们仅采用数字逻辑电路搭成机床专用计算机作为数控系统，简称为数控（NC）。
第二阶段为计算机数控（CNC）阶段— 此阶段起源于1970年，随着小型计算机的诞生，人们开始将其移植到机床的数控系统作为数控的核心部件。
1 普通机床的数控化过程
随着计算机技术的发展和应用，数控技术在机加工领域的应用也在不断的提高和创新。在进入20世纪70年代年以后，随着集成化电路的应用，使计算机的硬件实现了集成化和小型化。20世纪90年代以后，随着小型计算机的发展，使得小型个人计算机（PC）作为前端机来处理人机界面、编程、联网通信等变的更加方便。随着智能化技术的应用，数控系统的智能化水平也在不断提高。例如，人们应用自适应控制技术来检测数控过程中的一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的；将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平台，建立具有人工智能的操作系统等等。数控系统在机加工领域的应用，大大提高了机床的性能。如何提高和改善普通机床性能，成为机床行业的一个新课题。图1描绘了普通机床的数控化改造过程。
2 普通机床数控改造的必要性
数控机床有许多优于普通机床的特性，这些特性主要来自数控系统的控制能力和计算能力。其优越性重点表现在以下几个方面。
（1）效率大大提高-数控机床的效率是普通机床的数倍，有的甚至可达数十倍。
（2）模仿能力-数控机床具有普通机床不具备的“模仿”能力，这主要得益于数控机床超凡的计算能力，可依据已知的要求加工出曲面和曲线等复杂零部件。
（3）可以实现机加工的自动化-计算机具有的数据储存能力，为机加工的自动化提供了可能和保证。
（4）加工精度和可靠性大大提高。
（5）可以实现自动补偿，自动监控和自动报警-数控机床的数据储存能力可以实现加工过程的无人操作，降低了劳动强度，减少了对人的依赖。
（6）机床的数控化为推行FMC（柔性制造单元），FMS（柔性制造系统）和CIMS（计算机集成制造系统）等提供了基础，并为机加工企业的信息化改造提供了技术支持。
（7）为加工领域的网络化生产管理奠定了基础-在多品种小批量的生产条件下，数控机床的网络化管理可大大提高数控机床的利用率。
3 普通机床数控化改造的内容
随着机加工技术的不断进步以及数控技术的不断更新，对普通机床改造的探索也在不断发展。普通机床的数控化改造主要包括以下三类。
（1）设备翻新升级-此种改造的重点是对原数控机床不满足生产要求的CNC（计算机数控）系统进行升级改造。
（2）普通机床的NC（数控）化-此种改造重点是在原普通机床上加数显装置或加数控系统，使普通机床升级为简单的数控机床。
（3）技术更新或技术创新-此种改造的目的是使用新工艺、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，从而达到较大幅度的提高设备的能力和档次。
4 普通机床数控化改造的优势
4.1 节约费用
与购置新的数控机床相比，普通机床的数控化改造一般可节省大约60%～80%的费用。由于大型机床机械部分所占比重较大，可节约的费用更加可观，符合产业节能环保的发展趋势。
4.2 交货期短
一般讲机械部件的交货周期较长，由于机床的数控化改造过程中机械部分的改造较小，交货期可大大缩短。
4.3 机械性能稳定可靠
由于老设备的机械部件经过多年的使用，其主体部分的强度和韧性已得到充分的验证。另外，老的机械设备的主体如床身和立柱等都是重而坚固的铸件，和焊接结构件相比，它的稳定性高、质量好。
4.4 操作更加容易，维修更为方便
由于是老设备的改造升级，操作人员对设备熟悉，在操作使用和维修方面不必花费太多的时间和精力进行培训。
4.5 可以采用最新的技术对老设备进行改造升级
5 数控系统的选择
数控系统的选择应主要考虑实际需求，应尽可能的减少机械部件的改造。数控选型时应充分考虑老设备的承载能力，并适当考虑今后一段时间的发展，制定合理的改造方案。
数控系统主要有以下三种。
（1）步进电机拖动的开环数控系统-这种系统-不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端。驱动装置主要是步进电机，系统的位移精度取决于步进电机的角位移精度和机械传动精度。该系统结构简单，改造费用低，工作可靠。
（2）异步电机或直流电机拖动的闭环数控系统-此种系统需要得到反馈信号，随时与给定值进行比较，并将比较结果传至驱动机构。该系统可取得更高的加工精度，但结构复杂，改造费用高。 （3）交、直流伺服拖动-此种系统介于开环数控系统和闭环数控系统之间。
6 数控改造过程中涉及的主要机械部件
普通机床的数控化改造，不是简单的将数控装置与普通机床连接在一起。还应对一些部件进行改造使其适应数控机床的要求，如图2所示。数控化改造常涉及到的机械部件有以下几点。
（1）滑动导轨-导轨除应具有普通机床的导向精度和工艺性外，还应有良好的耐磨性，同时具有足够的刚度。
（2）齿轮副-为了保证精度，数控机床的传动精度都大于普通机床。因而，改造时机床的主要齿轮传动系统应满足数控机床的要求，以保证数控机床的加工精度。
（3）纵横向进给装置-应对现有进给装置进行评估，选择适用于数控装置的进给装置。加工件精度要求较高时，应选用滚珠丝杆。
（4）刀架-需将手工刀架更换为数控刀架。
（5）安全防护装置-如普通机床的安全防护装置不能满足数控机床的安全要求，应进行改造。
7 普通机床的数控化改造步骤
7.1 确定改造方案，一般包括
（1）确定机械改造和电气改造的内容。机械改造和电器改造互为补充，机械性能的完好是数控化改造的前提。
（2）系统分解。将改造内容分解成若干子系统，如传动系统，测量系统等，逐个制定详细改造方案。
（3）确定改造步骤。可以依照系统的分解，按照先易后难，先局部后整体的思路逐步进行。切忌好大喜功，急于求成。条件不具备，不要强行实施。
7.2 改造前的技术准备
（1）为配合电器改造，确定哪些机械部件需要改造。对需要改造的机械部件进行测量、计算和图纸绘制。
（2）仔细研究需要新配置的电器系统，弄清原理，理解消化新功能。做到改造思路清晰，层次分明。
（3）确定新旧系统接口的设计。做到新旧系统衔接合理通畅，易于操作和维护。
（4）确定调试方案。改造前，应仔细研究分析新的系统性能。依据数控化改造的整体思路，制定相应的单元调试方案和整体综合调试方案。
7.3 改造的具体实施，按时间顺序分为以下几个阶段
（1）对原有设备进行全方位的维护保养，确保设备处于良好状态。并对原有设备进行测量和记录，以便于改造后进行对比分析。
（2）优化需保留的电器系统，更换功能老化的部件，如电缆和紧固件等。使保留的电器元部件处于最佳状态。
（3）拆除需要改造的部分。拆除前应在原图纸上做出标记，以免遗漏或过拆。对拆下的元部件应做好标记，妥善保管，以备使用。
（4）合理安排新系统，及时纠正新系统的不合理配置及安装。做到新系统配置合理、安装有序，功能达到最大化。
7.4 调试
调试应依据事先确定的方案进行。在调试过程中如发现新问题，应停止调试，待方案确定后再继续进行，切忌调试的随意性。调试过程中应做好记录。调试步骤一般分为以下几步。
（1）先调试子系统，再调试整系统。即先单元调试，后联动调试。
（2）先手动后机动。能手动调试的，一定要先手动调试，手动合格后再通电调试。
（3）先空载后加载。空载调试合格后再进行加载调试。加载调试过程中应分步加载，切忌一步加到满载。
7.5 验收
应聘请有关专家和相关技术人员和操作人员组成验收小组，依据改造方案逐步进行验收。验收过程中应做好记录和文件整理，需要进一步完善的应记录在案。达不到要求的不得交付操作人员。所有操作人员应先培训考核，考核合格后再上岗操作。
8 结语
普通机床的数控化改造是一项复杂的工作，需要有耐心和信心。只要准备充分，选择改造方案合理，实施过程控制得当，普通机床的数控化改造将会收到理想的效果。
参考文献
[1] 芮延年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2] 周德俭，吴兆华，陈子辰.使用PC的开放式计算机数控系统，1997.
[3] 刘利.当前NC的热点—— 开放化与PC化[J].机电一体化，1998.
[4]（加）Yusuf Altintas-数控技术与制造自动化[M].化学工业出版社.