一、引言

    我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，数控化率不到3%。近10年来，数控机床年产量为0.6~0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/自动机床不到20%，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。
    自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、机床设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从1979-1988年，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。
    这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，不仅没有创造财富，反而消耗着财富，有的设备或生产线不能正常运转，使企业的效益受到影响，陷入困境这些不能使用的机床设备、生产线是一批很大的存量资产，修好了就是财富只要找出主要的技术难点，通过数控化改造提高技术性能和装备水平，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。

    二、数控系统发展的趋势

    (1)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继续向开放式、基于PC的第六代方向发展。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的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通信，远程诊断和维修将更加普遍。
    (2)为适应机床向高速和高精度方向发展的需要，数控系统也向高速化和高精度化发展。
    (3)随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。①应用自适应控制技术达到改进系统运行状态的目的；②引入专家系统指导加工；③引入故障诊断专家系统；④智能化数字伺服驱动装置，可以通过自动识别负载，调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。

    三、数控化改造的内容

    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；②NC化。在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；③翻新。对机械部分重新装配加工，恢复原精度，对不满足生产要求的CNC系统用最新CNC进行更新；④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。

    四、数控系统的选择

    1．步进电机拖动的开环系统
    该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向，不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端。系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。

    2．异步电动机或直流电机拖动、光栅测量反馈的闭环数控系统
    由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严，设计和调试都比开环系统难。但可以获得更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。

    3．交／直流伺服电机拖动、编码器反馈的半闭环数控系统
    半闭环系统检钡l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部部分元件的误差，因此，它的精度低于闭环系统，但结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。
    当前生产数控系统的公司厂家较多，国外如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司；国内如中国珠峰公司、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。据悉，我国高性能数控系统基本依赖进口。自上世纪90年代以来，我国对数控装备的市场需求急剧增加，到2003年已成为世界第一大消费国。统计资料显示，2004年FANUC公司和SIEMENS公司在中国的数控系统销售量分别为12000台和7000台，基本上垄断了中国中高档数控系统市场。SIEMENS数控系统SINUMERIK 840C，840D，810D，802S，FM/NC，WF以及驱动系统SIMODRIVE 611A，611D，6RA24用于老系统的改造，它们能满足各种要求。FANUC数控系统是最畅销的机床控制系统之一，目前在国内使用的FANUC数控系统主要有0系统和0i系统。
    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。

    五、机床数控化改造主要步骤

    1．改造方案的确定
    (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，都需进行机械结构改造和修理。要确定改造和修理的要求、范围、内容，及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。
    (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先分成若干个子系统进行，如数控系统、测量系统、主轴、进给系统、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。这样可使改造工作减少遗漏和差错：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。
    (3)根据使用条件选择系统。确定被改造机床的外界使用环境选择电气系统，使改造后的电气系统有可靠的使用保证。当然，电气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。
    (4)落实参与改造人员和责任。改造是一个系统工程，人员配备十分重要。除了人员的素质条件外，根据项目的大小，合理地确定人数与分工是关键根据各个划分开的子系统，确定人员职责，有主有次，便于组织与协调如果项目采用对外合作形式，更需在目标明确的前提下，界定分工，确定技术协调入。
    (5)改造范围与周期的确定。数控机床电气系统改造，应根据科学的测定和分析决定其改造范围停机改造的周期，应根据各企业的实际情况合理安排。#p#

    2．改造的技术准备
    (1)机械部分准备。为配合电气改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。同时对停机后需拆、改、加工的部分等应事先规划完毕，提出明确要求，与整个改造工作衔接得当。
    (2)新系统电气资料消化。改造前应熟悉新系统的技术资料，包括系统原理说明、线路图、PLC梯形图及文本、安装调试说明、使用手册、编程手册等。对进口系统的上述资料进行翻译、消化、整理、核对，做到思路清晰，层次分明。
    (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、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、编程人员的技术培训。机床电气系统改造后，必然对操作、编程人员带来新的要求为不影响改造后机床迅速投入生产，需提前对操作人员和编程人员进行新系统知识培训。内容包括新的操作面板配置、功能、指示含义，新系统的功能范围、使用方法及与旧系统的差别，维护保养要求，编程标准与自动化编程等等重点是弄懂、弄通操作说明书和编程说明书。
    (5)调试步骤与验收标准的确定调试工作涉及机械、液压、电气、控制、传感等，因此必须由项目负责人进行，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是对新系统的考核，制定时必须实事求是，标准一旦确定下来，不能轻易修改，因为它牵涉到整个改造工作的各个环节。

    3．改造的实施
    (1)原机床的全面保养。机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先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，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。
    (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，变压器的烘千绝缘，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，连接件的紧固等等，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进行，及时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆（局部改造情况下）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；拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用；还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。
    (4)合理安排新系统位置及布线。根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装饰等连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。
    (5)调试。必须按事先确定的步骤和要求进行，随时记录，以便发现和解决问题调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生调试现场必须清理干净，无多余物品；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。

    4．验收及后期工作
    验收工作应聘请有关的人员共同参加，并按已制定的验收标准进行验收及后期工作包括：
    (1)机床机械性能验收。经过机械修理和改造以及全面保养，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。
    (4)图纸、资料验收机床改造完后，应及时将图纸（包括原理图、配置图、接线图、梯形图等）、资料（包括各类说明书）、改造档案（包括改造前、后的各种记录）汇总、整理、移交入档。保持资料的完整、有效、连续，这对该设备的今后稳定运行是十分重要的。
    (5)总结、提高。每次改造结束后应及时总结，既有利于提高技术人员的业务水平，也有利于整个企业的技术进步。

    六、数控改造实例

    1．用SIEMENS 810M改造X53铣床
    1998年，公司投入20万元，用SIEMENS 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，最后是整机的安装和调试。铣床改造后，加工有效行程X/Y/Z轴分别为880/270/280mm，最大速度X/Y/Z轴分别为5000/1500/800mm/min，手动速度X/Y/Z轴分别为3000/1000/500mm/min，机床加工精度达到士0.001mm。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
    1999年，公司投入了8万元，采用广州数控设备厂生产的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390/1400mm；最大速度X/Z轴分别为1200/3000mm/min，手动速度为400mm/min，手动快速X/Z轴分别为1200/3000mm/min，机床最小移动单位为0.001mm。

    3．用GSK980T和交流伺服驱动系统改造C6140车床
    2000年，用广州数控设备厂生产的GSK980T数控系统、DA98交流伺服单元及4工位自动刀架对电机分厂的一台C6140车床X、Z两轴进行数控改造。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390/730mm；最大速度X/Z轴分别为1200/3000mm/min，手动速度为400mm/min，手动快速X/Z轴分别为1200/3000mm/min，机床最小移动单位为 0.001mm。

    4．用SIEMENS 8025改造X53铣床
    2000年，公司投入12万元，用SIEMENS 802S数控系统、步进驱动系统对另一台型号为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、机床大修，最后是整机的安装和调试。铣床改造后，加工有效行程X/Y/Z轴分别为630/240/280mm，最大速度X/Y/Z轴分别为3000/1000/600mm/min，手动进给速度X/Y/Z.轴分别为2000/800/500mm/min，最小移动单位为0.001mm。