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C616普通車床數(shù)控化改造
摘 要
針對大多數(shù)企業(yè),具有數(shù)量眾多和較長使用壽命的普通機床，其加工精度較低、不能批量生產(chǎn)，自動化程度不高，自適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性又不能馬上被淘汰。
數(shù)控機床作為機電液氣一體化的典型產(chǎn)品，能解決機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量、零件多變的問題，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。
購買新的數(shù)控機床是提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的重要途徑,但是成本高，許多企業(yè)在短時間內(nèi)無法實現(xiàn)，這嚴重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的步伐。為此把普通機床數(shù)控化改造，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的捷徑，提升企業(yè)競爭力，在我國成為制造強國的進程中，占有一席之地。
本文以C616型普通車床的數(shù)控化改造為例，闡述車床數(shù)控化改造的方案、工作原理，以及對現(xiàn)有的普通車床進行數(shù)控化改造, 并指出數(shù)控系統(tǒng)的選擇的方法和步驟，為企業(yè)進行數(shù)控化技術(shù)改造提供了一種途徑。
關(guān)鍵詞： 數(shù)控改造；滾珠絲杠；步進電動機；數(shù)控機床
i
Abstract
Most enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production, low automatization and adaptability, but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprise’s production．
As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining．
Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much． Enterprises’ equipment updating step are counteracted severly． So General lathe's numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises’ competitive power． So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country．
Abstract ：In this paper ，taking example for C616 common lathe ,we represented the scheme and operating principle of the NC reforming of lathe and how to reform existing common lathe． We showed the method and process of NC system design ，and offered a way of NC reforming for corporations．
Key words ： digital modification; ball screw; stepping motor; CNC Lathe
ii
目 錄
摘 要 i
Abstract ii
第一章 緒論 1
第一節(jié) 數(shù)控設(shè)備及技術(shù)現(xiàn)狀 1
一、數(shù)控機床行業(yè)發(fā)展 1
二、數(shù)控技術(shù) 6
第二節(jié) 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 11
第二章 機床的數(shù)控化改造 13
第一節(jié) 數(shù)控機床的特點 13
第二節(jié) 設(shè)備數(shù)控化改造的現(xiàn)狀 14
一、機床數(shù)控化改造的內(nèi)容及特點 14
二、機床數(shù)控化改造的必要性 15
三、數(shù)控化改造的內(nèi)容 17
第三節(jié) 本文的選題及主要研究內(nèi)容 19
一、問題提出 19
二、本文的選題 20
三、主要研究內(nèi)容 20
第三章 數(shù)控車床總體改造方案及機械部分設(shè)計 21
第一節(jié) 設(shè)計方案的確定 21
一、設(shè)計基本思路 21
二、設(shè)備改造前后各項性能指標 21
第二節(jié) 改造方案的確定 22
一、方案設(shè)計論證 22
二、設(shè)計目的 24
三、總體方案設(shè)計 24
第三節(jié) 機械部分的設(shè)計 25
一、（縱向）Z向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 25
二、（橫向）X向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 33
第四節(jié) 步進電動機的選擇 39
一、步進電機選用的基本原則 39
二、步進電機的選擇 41
第四章 C616車床數(shù)控化改造的數(shù)控裝置系統(tǒng) 43
第一節(jié) 數(shù)控裝置系統(tǒng)選型 43
第二節(jié) GSK—980T數(shù)控系統(tǒng)的基本功能 43
第三節(jié) 系統(tǒng)配置方案研究 44
一、GSK—980T數(shù)控系統(tǒng)配置 44
二、系統(tǒng)配置方案研究 45
第四節(jié) 數(shù)控裝置的安裝 46
一、進給步進電機的驅(qū)動器選型 46
二、脈沖發(fā)生器 47
第五章 CJK616-A數(shù)控車床電氣控制設(shè)計 50
第一節(jié) C616車床電氣控制 50
一、C616車床運動形式 50
二、電力拖動特點和控制電路 50
第二節(jié) CJK616-A車床電氣控制設(shè)計 50
一、CJK616-A數(shù)控車床主電路設(shè)計 50
二、CJK616-A數(shù)控車床控制電路設(shè)計 51
第三節(jié) 驅(qū)動器與步進電機的連接線路 53
第四節(jié) 控制元件清單 54
第六章 數(shù)控機床的安裝、調(diào)試、精度檢測 56
第一節(jié) 數(shù)控機床的安裝、調(diào)試、精度檢測 56
第二節(jié) 數(shù)控機床操作指南 59
一、數(shù)控系統(tǒng)面板解釋 59
二、手動操作 61
三、操作說明 64
結(jié) 論 65
參考文獻 66
外文資料 67
中文譯文 71
致 謝 73
iv
第一章 緒論
當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精、高效、高自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計算機技術(shù)的進步，數(shù)控機床在20世紀80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早已成為四大國際機床展上各國機床制造商競相展示先進技術(shù)、爭奪用戶、擴大市場的焦點。中國加入WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強機床工業(yè)實力、加速數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實是緊迫而又艱巨的任務(wù)。
近年來，隨著各行業(yè)對機加工產(chǎn)品要求的不斷提高和數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控機床以其精度高、效率高和勞動強度低等諸多普通機床無法比擬的優(yōu)勢，成為當今制造業(yè)的主流加工設(shè)備。目前，一個企業(yè)設(shè)備數(shù)控化程度的高低已經(jīng)直接影響到了它的生存。那些擁有大量普通機床的工廠，正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這些廠家效益不好的主要原因，一方面是大量普通機床閑置造成浪費，另一方面是沒有足夠的資金購買新的數(shù)控設(shè)備。因此，投入較少的資金，把原有機床進行升級改造，使之變成數(shù)控機床，就成了解決這一問題的最好辦法。現(xiàn)在，機床的改造，特別是把普通機床改造成經(jīng)濟型數(shù)控機床，已經(jīng)成為了我國廣大企業(yè)設(shè)備投資的重要組成部分。
近年來，我國已積極開展了對機床數(shù)控化改造再制造技術(shù)的研究，如：武漢華中數(shù)控公司先后完成了50多家企業(yè)數(shù)百臺設(shè)備的數(shù)控化再制造，為國家節(jié)約了數(shù)億元設(shè)備購置費。一般來說，數(shù)控化再制造一臺普通車床的價格不到相同功能新數(shù)控機床的一半。因此，對普通機床進行數(shù)控化再制造具有重大的意義，既能充分利用原有的舊設(shè)備資源，減少浪費，又能以較小的代價落的性能先進的數(shù)控設(shè)備，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的的要求，符合我國的產(chǎn)業(yè)政策。
第一節(jié) 數(shù)控設(shè)備及技術(shù)現(xiàn)狀
一、數(shù)控機床行業(yè)發(fā)展
中國機床工具工業(yè)協(xié)會常務(wù)副理事長吳柏林日前表示，2014年機床工具行業(yè)經(jīng)濟運行基本處于穩(wěn)定向好態(tài)勢，但是金融危機對行業(yè)的影響以及不確定因素依然存在。預(yù)計2015年，在經(jīng)濟增速超過8%的拉動作用下，機床工具全行業(yè)增速將會達到15%左右，金切機床行業(yè)將有個位數(shù)增長，全年金屬加工機床進出口將出現(xiàn)恢復(fù)性增長。
數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代的CAD／CAM、FMS、CIMS等，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上，離開了數(shù)控技術(shù)，先進制造技術(shù)就成了無本之木。同時，數(shù)控技術(shù)的利用關(guān)系到國家的戰(zhàn)略地位，是體現(xiàn)國家綜合國力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其水平高低是衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標志，實現(xiàn)加工機床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，已經(jīng)成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向。
數(shù)控（NC）技術(shù)是指用數(shù)字、文字、符號組成的數(shù)字指令來實現(xiàn)一臺或多臺機械設(shè)備動作控制的技術(shù)。它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和與機械能量流向有關(guān)的開關(guān)量。數(shù)控的產(chǎn)生依賴于數(shù)據(jù)載體的二進制形式數(shù)據(jù)運算的出現(xiàn)。1938年香農(nóng)在美國麻省理工大學(xué)進行了數(shù)據(jù)快速運算和傳輸，奠定了現(xiàn)代計算機，包括計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)是與機床控制密切結(jié)合發(fā)展起來的。1952年，第一臺數(shù)控機床問世，成為世界工業(yè)史上一件劃時代事件，推動了自動化的發(fā)展。
現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)也叫計算機數(shù)控技術(shù)（CNC）。目前，它是采用計算機實現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。這種技術(shù)用計算機按事先存儲的控制程序來執(zhí)行對設(shè)備的運動軌跡和外設(shè)的操作時序邏輯控制功能。由于采用計算機代替原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入操作指令的存儲、處理、運算、邏輯判斷等各種控制技能的實現(xiàn)，均可通過計算機軟件來完成，處理生成的微觀指令傳送給伺服驅(qū)動裝置驅(qū)動 電機或液壓執(zhí)行元件帶動設(shè)備運行。
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化設(shè)備，如數(shù)控機床等。其技術(shù)涉及多個領(lǐng)域：（1）機械制造技術(shù)；（2）信息處理、加工、傳輸技術(shù)；（3）伺服驅(qū)動技術(shù)；（4）自動控制技術(shù)；（5）傳感器技術(shù)；（6）軟件技術(shù)等。
1．行業(yè)承載多重壓力
2014年是中國機床工具行業(yè)連續(xù)8年高速發(fā)展后最為困難的一年。金融危機對中國機床工具行業(yè)影響深遠，中央領(lǐng)導(dǎo)多次視察機床制造企業(yè)，對裝備制造業(yè)包括機床工業(yè)的發(fā)展做過多次重要指示，極大地鼓舞了業(yè)界戰(zhàn)勝危機、謀求更大發(fā)展的信心。
受金融危機影響，機床工具市場需求增長乏力，市場規(guī)?？傮w萎縮。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料，國內(nèi)機床需求增速下降20%以上。金融危機導(dǎo)致固定資產(chǎn)投資項目進度放慢，減少了對機床工具的市場需求，加劇了競爭。
同時，市場需求結(jié)構(gòu)也發(fā)生明顯變化，由于國內(nèi)主要用戶行業(yè)，如軍工、汽車、鐵路等行業(yè)進行調(diào)整升級，對普通、低檔機床需求大幅度萎縮，大重型和高檔數(shù)控機床則保持穩(wěn)定需求。
此外，用戶對機床工具產(chǎn)品的性能、可靠性、服務(wù)、付款方式等也提出更嚴格的要求，加上國外機床制造商的價格競爭，增加了國內(nèi)企業(yè)的銷售難度和壓力，削弱了中國機床工具行業(yè)的價格優(yōu)勢，影響了盈利能力，加大了行業(yè)運行所面臨的風(fēng)險。
受金融危機影響，境外機床工業(yè)陷入衰退，機床工具產(chǎn)量和銷售額同比都下降了30%～
50%。其原因在于制造業(yè)的不景氣，全球基礎(chǔ)設(shè)施投資處于停頓狀態(tài)，汽車和通用機械制造等行業(yè)困難重重，對機床的需求大幅度下降。這也導(dǎo)致了我國機床工具出口同比大幅下降，據(jù)統(tǒng)計，同比下降33．5%。
2．躍居世界第一制造大國
盡管2014年我國機床工具行業(yè)發(fā)展受到金融危機的嚴重影響，但在中央正確方針政策的指導(dǎo)下，全行業(yè)堅定信心，頑強拼搏，共克時艱，全年全行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值和銷售收入仍維持增長局面，并首次躍居世界第一機床制造大國。
按照國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2014年全行業(yè)完成工業(yè)總產(chǎn)值4014億元，同比增長16．1%；1～11月產(chǎn)品銷售收入3319億元，同比增長12．2%。中國是世界上機床工具產(chǎn)值和銷售收入惟一保持增長態(tài)勢的國家。
2014年全年金屬切削機床總產(chǎn)量580273臺，其中數(shù)控金屬切削機床143904臺，同比分別降低13．6%和0．5%；成形機床總產(chǎn)量218867臺，其中數(shù)控成形機床產(chǎn)量9315臺，同比分別增長6．1%和16．8%。
2014年全年機床工具產(chǎn)品出口47．4億美元，同比降低33．5%，其中金屬加工機床出口14．1億美元，同比下降33．0%。
2014年全年機床工具產(chǎn)品進口97．0億美元，同比降低21．1%，其中金屬加工機床進口59．0億美元，同比降低22．3%。
2014年1～11月全行業(yè)實現(xiàn)利潤176．4億元，同比下降1．8%；產(chǎn)品銷售收入利潤率5．3%，同比下降0．8個百分點。
2014年行業(yè)運行表現(xiàn)出自主創(chuàng)新成果顯著。自主創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化進程加快，新產(chǎn)品開發(fā)受到了極大地重視。數(shù)控機床已經(jīng)成為企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的主題，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進一步得到優(yōu)化。一批高速、精密、復(fù)合、多軸聯(lián)動數(shù)控機床，以及一批大規(guī)格、大噸位數(shù)控機床新產(chǎn)品進入市場，增強了企業(yè)抗擊金融危機影響的能力，滿足了國防軍工和國家重點用戶的需要，在國民經(jīng)濟建設(shè)和國防軍工發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用。特別是重型金切機床發(fā)展迅速，開發(fā)和制造了世界最大的25m、28m數(shù)控立式銑車床，回轉(zhuǎn)直徑5m、承重500t的數(shù)控臥式車床，10．5m數(shù)控橋式龍門復(fù)合機床，鏜桿直徑320mm的數(shù)控落地銑鏜床，直徑2500mm的軋輥磨床，高性能數(shù)控鍛壓設(shè)備等引起了國際同行的極大關(guān)注。2014年度機床工具行業(yè)有24個項目分獲了“中國機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎”一、二、三等獎。
為適應(yīng)金融危機以來市場需求的變化，許多企業(yè)對主要產(chǎn)品做了大量的調(diào)整工作。壓
縮低檔、普通產(chǎn)品，升級換代經(jīng)濟型數(shù)控機床，著力發(fā)展中高檔數(shù)控機床及生產(chǎn)線。從全行業(yè)看，低檔、普通產(chǎn)品生產(chǎn)少了，中高檔數(shù)控產(chǎn)品、專用產(chǎn)品多了。根據(jù)協(xié)會重點聯(lián)系企業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2014年金屬加工機床產(chǎn)值數(shù)控化率為52%，同比增加3．4個百分點。金切機床和數(shù)控金切機床平均單價分別為19．5萬元和40．6萬元，分別比2013年提升了21．9%和8．8%。業(yè)內(nèi)專家指出：行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有效調(diào)整得益于前幾年快速發(fā)展期間技術(shù)創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)打下的良好基礎(chǔ)。
經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，機床工具一些細分行業(yè)已經(jīng)在激烈的國際競爭中取得了優(yōu)勢。如大重型數(shù)控金切機床以及大噸位鍛壓設(shè)備，多次在與國外產(chǎn)品的同臺競技中擊敗眾多境外競爭對手。
數(shù)控機床可以較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批及多變零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，但是數(shù)控機床的應(yīng)用也受到其他條件的限制。首先，數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有余而力不足；目前，各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床替換根本不可能，而且被替代下的機床閑置起來又會造成浪費；在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需；通用數(shù)控機床對具體生產(chǎn)存在冗余功能。
要較好地解決上述問題，應(yīng)走普通機床數(shù)控改造之路。低成本普通車床數(shù)控化改造是一項適合我國實際情況的先進適用技術(shù)，也是一項提升我國機床數(shù)控化率的有效途徑。
在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個“永恒”的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美、日、德等國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線已形成了新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務(wù)集團、US設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、干代田工機公司、野崎工程公司、山本工程公司等
3．產(chǎn)業(yè)升級任重道遠
投入力度，為后金融危機時代下一輪產(chǎn)業(yè)升級做準備。中央經(jīng)濟工作會議也提出：“要保持投資適度增長，重點用于完成在建項目，嚴格控制新上項目”。這意味著國家將把有限的財力用于鼓勵企業(yè)研發(fā)高技術(shù)產(chǎn)品、創(chuàng)造有利于節(jié)能減排的科技、惠及三農(nóng)、改善民生等方面，而不會為保增長而犧牲環(huán)境，對“兩高一資”產(chǎn)品限制更嚴。對下一階段應(yīng)該重點關(guān)注的工作，吳柏林表示應(yīng)注意以下幾點。
首先，關(guān)注國家投資重點，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整
協(xié)會近期對若干用戶行業(yè)進行調(diào)研的情況顯示，國家對航空、汽車、鐵路、綠色能源、船舶、電子信息等行業(yè)的巨大的投資拉動了市場需求結(jié)構(gòu)向高端發(fā)展。國家對上述重點領(lǐng)域的投資不僅為應(yīng)對金融危機、擴大內(nèi)需，更是著眼于結(jié)構(gòu)調(diào)整這一長遠發(fā)展目標。這預(yù)示著結(jié)構(gòu)調(diào)整在后金融危機時代將是這些行業(yè)的工作重點。
特別是我國在很多關(guān)鍵領(lǐng)域還受到國外的技術(shù)封鎖，因此結(jié)構(gòu)調(diào)整必將是以自主創(chuàng)新為基礎(chǔ)。行業(yè)企業(yè)應(yīng)關(guān)注重點投資領(lǐng)域，深入了解用戶工藝，加大研發(fā)適用產(chǎn)品的力度。盡快淘汰落后產(chǎn)品和產(chǎn)能，避免惡性競爭。應(yīng)大膽嘗試向“專、精、特”產(chǎn)品轉(zhuǎn)移。一些企業(yè)開發(fā)出高速鐵路軌道板磨床就是向“專機”發(fā)展的成功例子。這種需要填補空白的領(lǐng)域還有很多，如：飛機用鋪帶機、飛機用自動鉆鉚機、紡機針專用機床、人體關(guān)節(jié)和假肢等醫(yī)療保健領(lǐng)域所需零件的加工設(shè)備等。目前這些設(shè)備主要依靠進口，有的甚至對我國禁售。只有立足自主創(chuàng)新、開發(fā)出滿足用戶需求的進口替代產(chǎn)品，才能打開新的市場。數(shù)據(jù)顯示：2014年機床零部件進口持續(xù)增長，這顯示國產(chǎn)機床零部件還不能完全滿足主機行業(yè)的要求。零部件企業(yè)應(yīng)抓住市場增長的契機，開發(fā)新產(chǎn)品，加快進行結(jié)構(gòu)調(diào)整。
其次，通過加強管理的有效性，保證企業(yè)效益
近幾個月市場向好趨勢較為明顯，但大部分企業(yè)對未來一段時間內(nèi)的市場前景持謹慎樂觀態(tài)度。企業(yè)要通過加強企業(yè)管理的有效性，提高流動資金周轉(zhuǎn)率、提高投入產(chǎn)出比，保證企業(yè)效益。
再次，尋求突破口，擴大行業(yè)出口
根據(jù)目前全球經(jīng)濟形勢，機床行業(yè)要保持傳統(tǒng)機床、工具、重型機床和成形機床等優(yōu)勢產(chǎn)品的出口。針對當前增長較快的亞洲市場，通過擴大宣傳、提供完善的售后服務(wù)，實現(xiàn)批量出口中高檔機床的目標。特別是我國與東盟自貿(mào)區(qū)協(xié)議于2010年1月1日生效，絕大部分商品貿(mào)易將享受零關(guān)稅，企業(yè)應(yīng)利用這一便利條件，關(guān)注東盟市場需求，加強中高檔機床的出口。有海外并購的企業(yè)應(yīng)通過海外渠道突破高檔機床的出口。此外，還可以利用政府的援外項目以及政府貸款擴大我行業(yè)產(chǎn)品及技術(shù)出口。
二、數(shù)控技術(shù)
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域機械制造技術(shù)信息處理、加工、傳輸技術(shù)自動控制技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù)傳感器技術(shù)軟件技術(shù)等。
1．數(shù)控技術(shù)的基本概念
機床的數(shù)字控制，機床依靠各個部件的相對運動實現(xiàn)各種零件的加工。在普通機床上按手動和機動兩種方式進行控制：手動，靠手工搖動手把帶動機床部件進行運動和停止；機動時，用按鈕接通動力源（電動機）經(jīng)機械傳動系統(tǒng)使機床部件運動，運動的停止也是靠按鈕或行程開關(guān)碰到檔鐵后切斷電路而實現(xiàn)。數(shù)字控制機床則是以數(shù)字指令方式控制機床各部件的相對運動和動作。例如：要求機床執(zhí)行如下一條指令程序段：
N0003 G90 G01 X325．927 Y279．346 Z-429．732 S1000 T02 F500 M08；其含義為：第三個程序段，用 2 號刀具加工一條空間直線段，起點為坐標原點或上一程序段指令點，終點為程序段中給定的點（325．927，279．346，-429．732）。坐標值的計算以坐標原點為基準。還指明機床主軸轉(zhuǎn)速為 1000r/m，進給部件的運動速度為 500mm/min，且需將冷卻液打開。從上面的程序段可以看出，它由數(shù)字 0～9，文字 X、Y、Z、S、T、F、M……，符號“+”“-”“．”……等組成，而這些都要轉(zhuǎn)換成“二進制”數(shù)字代碼輸入機床的數(shù)字控制裝置（即控制機床的專用計算機）中去，經(jīng)過計算機的計算處理、伺服控制、驅(qū)動機床各部件運動，完成上述空間直線段的加工，由于指令運動過程是以“二進制”數(shù)字代碼進行的，所以稱這種控制為數(shù)字控制（Numerical Control 縮寫為 NC）。數(shù)字控制是與機床控制密切結(jié)合而發(fā)展起來的，因此，人們習(xí)慣把“機床數(shù)控”簡稱為“數(shù)控”或“NC”，用這種控制技術(shù)控制的機床就稱為“數(shù)控機床”（Numerically Controlled Machine Tool）或“NC 機床”。數(shù)控裝置和伺服控制部分統(tǒng)稱為“數(shù)控系統(tǒng)”。機床的數(shù)字控制是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信息實現(xiàn)機床控制一種方法。
數(shù)控技術(shù)是裝備制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)技術(shù)，它不僅能改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率，更能體現(xiàn)一個國家的綜合國力水平。從企業(yè)面臨的情況來看：一方面數(shù)控機床價格較貴，一次性投資大且使企業(yè)心有余而力不足；另一方面，又有大量設(shè)備閑置。這種情況下，對原來的普通車床數(shù)控化改造，不僅能夠節(jié)約資金、降低成本，更能發(fā)揮老式傳統(tǒng)機床的潛在價值是加快我國機床數(shù)控化的一種有效途徑，既經(jīng)濟又快捷。
機床數(shù)控化改造大體分兩類：一類是在現(xiàn)有的普通機床上加數(shù)控裝置或可編程控制器；另一類是采用更先進的數(shù)控系統(tǒng)替代現(xiàn)有數(shù)控機床的數(shù)控裝置。
數(shù)控機床可以很好的解決形狀復(fù)雜、精密、多品種及中小批零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，隨著制造技術(shù)向自動化、柔性化方向的發(fā)展，當前機床的數(shù)控化率已成為衡量一個國家制造工業(yè)水平的重要標志。但目前我國數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用受到一些條件的限制。例如，數(shù)控機加床價格昂貴，一次性投資大，對中小型企業(yè)并不適用，同時各企業(yè)有大量的普通機床，如果全部用數(shù)控機床代替也將造成很大的浪費；在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機床的交貨周期較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需。要較好的解決上述問題，用數(shù)控技術(shù)對普通機床進行改造，是既符合我國國情又能提高機床數(shù)控化率的一條有效途徑，是我國，尤其在中西部欠發(fā)達地區(qū)，是企業(yè)設(shè)備技術(shù)改造的主要方向之一。
對普通機床和舊機床進行數(shù)控化改造是可行的。首先，我國的經(jīng)濟增長方式正在由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，集約型經(jīng)濟增長方式就是以經(jīng)濟效益為中心，主要依靠科技進步和提高勞動者素質(zhì)，重點放在現(xiàn)有企業(yè)的挖掘改造、充實和提高上也就是運用高新技術(shù)對老設(shè)備進行改造，以大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，達到提高經(jīng)濟效益的目的；其次是技術(shù)上的保障，近年來，微電子技術(shù)的發(fā)展、電子計算機的應(yīng)用、傳感技術(shù)、粘結(jié)技術(shù)等新工藝、新產(chǎn)品的出現(xiàn)都為機床數(shù)控化改造提供了充足的后備力量；最后是在經(jīng)濟方面機床數(shù)控化改造針對性強，投資少，資金利用率高，許多基礎(chǔ)部件仍可利用，可以縮短改造周期并降低生產(chǎn)成本。
普通機床的數(shù)控化改造一般是指對現(xiàn)有普通機床的某些部位做一些改裝，再配上經(jīng)濟型數(shù)控裝置或標準型數(shù)控系統(tǒng)，從而使原機床具有數(shù)控加工的能力。普通機床數(shù)控化改造后較改造前機床的自動化程度高、專業(yè)性強、加工精度及生產(chǎn)率都有很大的提高，改造機床的費用比購買數(shù)控機床的費用低、經(jīng)濟性好、生產(chǎn)周期短。
2．數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
數(shù)控機床以其卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河，成為先進制造技術(shù)中的一項核心技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的突飛猛進為數(shù)控機床的技術(shù)進步提供了條件。當前，數(shù)控機床的發(fā)展主要體現(xiàn)為以下幾方面：
（1）高速、高效
機床向高速化方向發(fā)展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對制造業(yè)實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。20 世紀90 年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)速15000 － 100000r/min）、高速且高加/減速度的進給運動部件（快移速度60～120m/min，切削進給速度高達（60m/min）、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達到了新的技術(shù)水平。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具，大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅(qū)動進給部件以及高性能控制系統(tǒng)（含監(jiān)控系統(tǒng)）和防護裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，為開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機床提供了技術(shù)基礎(chǔ)。目前，在超高速加工中，車削和銑削的切削速度已達到5000～8000m/min以上；主軸轉(zhuǎn)數(shù)在30000 轉(zhuǎn)/分（有的高達10 萬r/min）以上；工作臺的移動速度（進給速度）：在分辨率為1 微米時，在100m/min（有的到200m/min） 以上，在分辨率為0．1 m 時，在24m/min 以上；自動換刀速度在1 秒以內(nèi)；小線段插補進給速度達到12m/min。
（2）高精度
從精密加工發(fā)展到超精密加工，是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級（#lt;10nm），其應(yīng)用范圍日趨廣泛。當前，在機械加工高精度的要求下，普通級數(shù)控機床的加工精度已由±10 m 提高到±5 m；精密級加工中心的加工精度
則從±3～5 m，提高到±1～1．5 m，甚至更高；超精密加工精度進入納米級（0．001m），主軸回轉(zhuǎn)精度要求達到0．01～0．05 m，加工圓度為0．1m，加工表面粗糙度Ra=0．003微米等。這些機床一般都采用矢量控制的變頻驅(qū)動電主軸（電機與主軸一體化），主軸徑向跳動小于2 m，軸向竄動小于1 m，軸系不平衡度達到G0．4級。高速高精加工機床的進給驅(qū)動，主要有回轉(zhuǎn)伺服電機加精密高速滾珠絲杠和直線電機直接驅(qū)動兩種類型。此外，新興的并聯(lián)機床也易于實現(xiàn)高速進給。滾珠絲杠由于工藝成熟，應(yīng)用廣泛，不僅精度能達到較高（ISO34081 級），而且實現(xiàn)高速化的成本也相對較低，所以迄今仍為許多高速加工機床所采用。當前使用滾珠絲杠驅(qū)動的高速加工機床最大移動速度90m/min，加速度1．5g。滾珠絲杠屬機械傳動，在傳動過程中不可避免存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應(yīng)地造成運動滯后和其它非線性誤差，為了排除這些誤差對加工精度的影響，1993 年開始在機床上應(yīng)用直線電機直接驅(qū)動，由于是沒有中間環(huán)節(jié)的零傳動，不僅運動慣量小、系統(tǒng)剛度大、響應(yīng)快，可以達到很高的速度和加速度，而且其行程長度理論上不受限制，定位精度在高精度位置反饋系統(tǒng)的作用下也易達到較高水平，是高速高精加工機床特別是中、大型機床較理想的驅(qū)動方式。目前使用直線電機的高速高精加工機床最大快移速度已達208 m/min，加速度2g，并且還有發(fā)展余地。
（3）高可靠性
隨著數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)控機床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造商和數(shù)控機床制造商追求的目標。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16 小時內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率在P（t）= 99%以上，則數(shù)控機床的平均無故障運行時間MTBF 就必須大于3000 小時。我們只對一臺數(shù)控機床而言，如主機與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為10：1（數(shù)控的可靠比主機高一個數(shù)量級）。此時數(shù)控系統(tǒng)的MTBF 就要大于33333．3 小時，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動等的MTBF 就必須大于10 萬小時。當前國外數(shù)控裝置的MTBF 值已達6000 小時以上，驅(qū)動裝置達30000 小時以上，但是，可以看到距理想的目標還有差距。
（4）復(fù)合化
在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調(diào)整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上，因此，復(fù)合功能的機床成為近年來發(fā)展很快的機種。柔性制造范疇的機床復(fù)合加工概念是指將工件一次裝夾后，機床便能按照數(shù)控加工程序，自動進行同一類工藝方法
或不同類工藝方法的多工序加工，以完成一個復(fù)雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴孔等多種加工工序。就棱體類零件而言，加工中心便是最典型的進行同一類工藝方法多工序復(fù)合加工的機床。事實證明，機床復(fù)合加工能提高加工精度和加工效率，節(jié)省占地面積特別是能縮短零件的加工周期。
（5）多軸化
隨著5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的普及，5 軸聯(lián)動控制的加工中心和數(shù)控銑床已經(jīng)成為當前的一個開發(fā)熱點，由于在加工自由曲面時，5 軸聯(lián)動控制對球頭銑刀的數(shù)控編程比較簡單，并且能使球頭銑刀在銑削3 維曲面的過程中始終保持合理的切速，從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在3 軸聯(lián)動控制的機床無法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參與切削，因此，5 軸聯(lián)動機床以其無可替代的性能優(yōu)勢已經(jīng)成為各大機床廠家積極開發(fā)和競爭的焦點。最近，國外還在研究6 軸聯(lián)動控制使用非旋轉(zhuǎn)刀具的加工中心，雖然其加工形狀不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低，時尚難實用化。
（6）智能化
智能化是21 世紀制造技術(shù)發(fā)展的一個大方向。智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和理論的加工，它是要在加工過程中模擬人類專家的智能活動，以解決加工過程許多不確定性的、要由人工干預(yù)才能解決的問題。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化，如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機界面等；智能診斷、智能監(jiān)控，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。世界上正在進行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多，其中日本智能化數(shù)控裝置研究會針對鉆削的智能加工方案具有代表性。
（7）網(wǎng)絡(luò)化
數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)化，主要指機床通過所配裝的數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或上位計算機進行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)控機床一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場和企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)，然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂Internet/Intranet 技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，最近業(yè)界又提出了數(shù)字制造的概念。數(shù)字制造，又稱e-制造，是機械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標志之一，也是國際先進機床制造商當今標準配置的供貨方式。隨著信息化技術(shù)的大量采用，越來越多的國內(nèi)用戶在進口數(shù)控機床時要求具有遠程通訊服務(wù)等功能。機械制
造企業(yè)在普遍采用CAD/CAM的基礎(chǔ)上，越加廣泛地使用數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控應(yīng)用軟件日趨豐富和具有人性化。虛擬設(shè)計、虛擬制造等高端技術(shù)也越來越多地為工程技術(shù)人員所追求。通過軟件智能替代復(fù)雜的硬件，正在成為當代機床發(fā)展的重要趨勢。在數(shù)字制造的目標下，通過流程再造和信息化改造，ERP 等一批先進企業(yè)管理軟件已經(jīng)脫穎而出，為企業(yè)創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟效益。
（8）柔性化
數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點（數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機床）、線（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段車間獨立制造島、FA）、體（CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標；注重加強單元技術(shù)的開拓、完善；CNC 單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展；數(shù)控機床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS 聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。
（9）綠色化
21世紀的金切機床必須把環(huán)保和節(jié)能放在重要位置，即要實現(xiàn)切削加工工藝的綠色化。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，這主要是因為切削液既污染環(huán)境和危害工人健康，又增加資源和能源的消耗。干切削一般是在大氣氛圍中進行，但也包括在特殊氣體氛圍中（氮氣中、冷風(fēng)中或采用干式靜電冷卻技術(shù)）不使用切削液進行的切削。不過，對于某些加工方式和工件組合，完全不使用切削液的干切削目前尚難與實際應(yīng)用，故又出現(xiàn)了使用極微量潤滑（MQL） 的準干切削。目前在歐洲的大批量機械加工中，已有10～15%的加工使用了干和準干切削。對于面向多種加工方法/工件組合的加工中心之類的機床來說，主要是采用準干切削，通常是讓極微量的切削油與壓縮空氣的混合物經(jīng)由機床主軸與工具內(nèi)的中空通道噴向切削區(qū)。在各類金切機床中，采用干切削最多的是滾齒機。
總之，數(shù)控機床技術(shù)的進步和發(fā)展為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件，促使制造業(yè)向著高效、優(yōu)質(zhì)以及人性化的方向發(fā)展?？梢灶A(yù)見，隨著數(shù)控機床技術(shù)的發(fā)展和數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用，制造業(yè)將迎來一次足以撼動傳統(tǒng)制造業(yè)模式的深刻革命。
第二節(jié) 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考
我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年，在近50年發(fā)展歷程大致可分為3個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術(shù)封鎖和我國基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段由于改革開放、國家的重視、研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國的數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段，在此階段我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率已經(jīng)達到50%。
1．取得的成績
縱觀我國數(shù)控技術(shù)近50年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過四個五年計劃的攻關(guān)，總體來看取得了以下成績：
（1）奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)：我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、數(shù)控主機、專機及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)，其中大部分技術(shù)已具備進行商品化開發(fā)的基礎(chǔ)，部分技術(shù)已商品化和產(chǎn)業(yè)化。
（2）初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上，建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠、蘭州電機廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產(chǎn)廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若干數(shù)控主機生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。
（3）建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊伍。
2．存在的差距
雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進步，但也要清醒的認識到，我國高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平與我國的現(xiàn)實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國外對比）不僅技術(shù)水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的技術(shù)水平差距有擴大趨勢。與國外水平相比時，我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平大致估計如下：
（1）技術(shù)水平比國外先進水平大約落后10～15年，在高精尖技術(shù)方面則更大；
（2）產(chǎn)業(yè)化水平市場占有率低，品種覆蓋面小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀質(zhì)量相對較差；可靠性不高，商品化程度不足；數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。
（3）可持續(xù)發(fā)展的能力對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強；相關(guān)標準規(guī)范的研究、制定滯后。
3．主要原因分析
（1）認識方面對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進程的艱巨性、復(fù)雜性和長期性的特點認識不足；對我國數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平及能力分析不夠。
（2）體系方面從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題較多，從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題較少；沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系，完善的培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。
（3）機制方面人才流失，制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新以及產(chǎn)品創(chuàng)新，也制約了規(guī)劃的有效實施。
（4）技術(shù)方面企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強，核心技術(shù)的工程化能力不強。機床標準落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠。
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第二章 機床的數(shù)控化改造
第一節(jié) 數(shù)控機床的特點
數(shù)控加工就是數(shù)控機床在加工程序的驅(qū)動下將毛坯加工成合格零件的加工過程。數(shù)控機床控制系統(tǒng)具有普通機床所沒有的計算機數(shù)據(jù)處理功能、智能識別功能以及自動控制能力。數(shù)控加工與常規(guī)加工相比有著明顯的區(qū)別，其特點如下：
1．自動化程度高，易實現(xiàn)計算機控制
除了裝夾工件還需要手工外，全部加工過程都在數(shù)控程序的控制下，由數(shù)控機床自動完成，不需要人工干預(yù)。因此加工質(zhì)量主要由數(shù)控程序的編制質(zhì)量來控制。
2．數(shù)控加工的連續(xù)性高
工件在數(shù)控機床上只需裝夾一次，就可以完成多個部位的加工，甚至完成工件的全部加工內(nèi)容。配有刀具庫的加工中心能裝有幾把甚至幾十把備用刀具，具有自動換刀功能，可以實現(xiàn)數(shù)控程序控制的全自動換刀，不需要中斷加工過程，生產(chǎn)效率高。
3．數(shù)控加工的一致性好
數(shù)控加工基本消除了操作者的主觀誤差，精度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、互換性好。
4．適合于復(fù)雜零件的加工
數(shù)控加工不受工件形狀復(fù)雜程度的影響，應(yīng)用范圍廣。它很容易實現(xiàn)渦輪葉片、成型模具等帶有復(fù)雜曲面、高精度零件的加工，并解決一些如裝配要求較高，常規(guī)加工中難以解決的難題。
5．便于建立網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)
例如建立直接數(shù)控系統(tǒng)（DNC），把編程、加工、生產(chǎn)管理連成一體，建立自動化車間，走向集成化制造。甚至于CAD系統(tǒng)集成，形成企業(yè)的數(shù)字化制造體系。數(shù)控程序由CAM軟件編制，采用數(shù)字化和可視化技術(shù)，在計算機上用人機交互方式，能夠迅速完成復(fù)雜零件的編程，從而縮短產(chǎn)品的研制周期。
近年來，隨著數(shù)控機床的模塊化發(fā)展，使數(shù)控加工設(shè)備增加了柔性化的特點。先進的柔性加工不僅適合于多品種、小批量生產(chǎn)的需要，而且增加了自動變換工件的功能，能交替完成兩種或更多種不同零件的加工，可實現(xiàn)夜間無人看管的生產(chǎn)操作。有數(shù)臺數(shù)控機床（加工中心）組成的柔性制造系統(tǒng)（FMS）是一種具有更高柔性的自動化制造系統(tǒng)，具有將加工、裝配和檢驗等制造過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)高度集成的自動化制造系統(tǒng)。
數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。其中，數(shù)控機床的精確性和重復(fù)性成為用戶考慮最多的重要因素。
我國現(xiàn)有機床的大約四百多萬臺，其中40%以上是車床，多數(shù)車床役齡都很長，尤其是大型和重型的役齡更長，這些機床結(jié)構(gòu)一般陳舊，操作部分復(fù)雜，測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)落后。把這些性能落后、生產(chǎn)率低的機床全部閑置或淘汰，用新的機床去取代是不現(xiàn)實的。重型機床，特別是現(xiàn)代化的數(shù)控機床價格都非常昂貴，我國是一個發(fā)展中國家，國家財力薄弱，資金短缺，不可能花大量的資金添置新的機床，把舊機床改造成數(shù)控機床的意義就更加明顯了。?
第二節(jié) 設(shè)備數(shù)控化改造的現(xiàn)狀
一、機床數(shù)控化改造的內(nèi)容及特點
1．國外改造業(yè)的興起
在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個“永恒”的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務(wù)集團、US設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。?????????
2．數(shù)控化改造的內(nèi)容
機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點：其一是恢復(fù)原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)；其二是NC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機床、CNC機床；其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進行更新；其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。
3．數(shù)控化改造的優(yōu)缺點
（1）減少投資額、交貨期短
同購置新機床相比，一般可以節(jié)省60％～80％的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費工、費錢，往往改造成本提高2～3倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投資50％左右。
（2）機械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限
所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。
（3）熟悉了解設(shè)備、便于操作維修
購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。改造的機床一安裝好，就可以實現(xiàn)全負荷運轉(zhuǎn)。
（4）可充分利用現(xiàn)有的條件
可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。
（5）可以采用最新的控制技術(shù)
可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。
二、機床數(shù)控化改造的必要性
1．微觀看改造的必要性
微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
（1）可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
（2）可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。
由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”。
（3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
（4）可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。
（5）擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
（6）由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求做出快速反應(yīng)等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
2．宏觀看改造的必要性
宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1．9％，而日本在1994年已達20．
8％，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。
3. 數(shù)控改造的優(yōu)點
（1）從提高資本效率出發(fā)，改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機床的原有功能和改造后的新增功能，提高機床的使用價值。
（2）適用于多品種、小批量零件生產(chǎn)。
（3）數(shù)控改造費用低，減少了投資額，經(jīng)濟性好。數(shù)控改造費用僅為新購一臺數(shù)控機床費用的15％～25％，同購置新機床相比，一般可以節(jié)省75％～85％的費用。特別是大型，特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只需花費新機床購置費用的1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費工、費錢，往往改造成本提高2～3倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投資50％左右。如果再結(jié)合機床大修理，幾乎就是一臺新的數(shù)控機床，甚至精度會更好，因為舊機床床身不會再產(chǎn)生變形。
（4）力學(xué)性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限。所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。數(shù)控化改造使原有的機械結(jié)構(gòu)更為簡單。原有的手搖進給機構(gòu)全部消失。這樣一方面可以提高精度，減少傳動鏈對精度的影響；另一方面可以減少機械故障率，提高運行的可靠性。但是受到原來機械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。
（5）熟悉了解設(shè)備、便于操作維修，降低了操作者的技術(shù)要求，更易提高管理水平。購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。改造的機床一旦安裝好，就可以實現(xiàn)全負荷運轉(zhuǎn)。操作者只需裝夾工件和按開關(guān)，加工全部由電腦控制自動完成，即使再復(fù)雜的工件也能快速完成，省去了對技術(shù)要求的煩惱。同時提高定額管理水平。
（6）可充分利用現(xiàn)有的條件?？梢猿浞掷矛F(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。
（7）可以采用最新的控制技術(shù)?？筛鶕?jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。自動化程度高，專業(yè)性強，加工精度高，生產(chǎn)效率高。提高了生產(chǎn)率，減少了勞動強度。
（8）增強了功能，如圓弧加工、錐度加工，這是傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)的。
（9）交貨期短，可滿足生產(chǎn)急需。
三、數(shù)控化改造的內(nèi)容
1．普通車床數(shù)控化改造主要內(nèi)容
（1）對機床幾何精度、主軸精度及床身基礎(chǔ)檢查與分析，進而確定總體設(shè)計方案。
（2）縱、橫向進給滾珠絲杠副選型及校核與計算。
（3）采用貼塑方法對機床導(dǎo)軌的改造設(shè)計。
（4）自動回轉(zhuǎn)刀架的選型與安裝。
（5）主軸電氣部分的改造設(shè)計，并對主軸脈沖編碼器進行選型及安裝。
（6）進給電氣部分的改造，包括控制方式的確定、伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計、數(shù)控系統(tǒng)的選型、步進電機及接口箱的選擇計算。
（7）強電接口設(shè)計。
（8）機床改造后的調(diào)試，包括機床的電氣部分調(diào)試、機械調(diào)試、機電聯(lián)動調(diào)試及調(diào)試中遇到的問題和解決辦法。
（9）改造后的機床試加工，包括加工試件選擇及加工結(jié)果分析。
（10）機床改造后的經(jīng)濟效益分析。
2．數(shù)控系統(tǒng)的選擇???????????
數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時，應(yīng)根據(jù)具體情況進行選擇。
（1）步進電機拖動