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數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢及機(jī)床數(shù)控化改造

http://mamafrist.com 2015年09月19日        

 一、數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢 
       1946年誕生了世界上第一臺電子計算機(jī),這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動的工具相比,起了質(zhì)的飛躍,為人類進(jìn)入信息社會奠定了基礎(chǔ)。 
       6年后,即在1952年,計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上,在美國誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。從此,傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀(jì)以來,數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 
       1.1、數(shù)控(NC)階段(1952~1970年) 
       早期計算機(jī)的運(yùn)算速度低,對當(dāng)時的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大,但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路“搭”成一臺機(jī)床專用計算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng),被稱為硬件連接數(shù)控(HARD-WIRED NC),簡稱為數(shù)控(NC)。隨著元器件的發(fā)展,這個階段歷經(jīng)了三代,即1952年的第一代--電子管;1959年的第二代--晶體管;1965年的第三代--小規(guī)模集成電路。 
       1.2、計算機(jī)數(shù)控(CNC)階段(1970年~現(xiàn)在) 
       到1970年,通用小型計算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件,從此進(jìn)入了計算機(jī)數(shù)控(CNC)階段(把計算機(jī)前面應(yīng)有的“通用”兩個字省略了)。到1971年,美國INTEL公司在世界上第一次將計算機(jī)的兩個最核心的部件--運(yùn)算器和控制器,采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上,稱之為微處理器(MICROPROCESSOR),又可稱為中央處理單元(簡稱CPU)。
到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀嬎銠C(jī)功能太強(qiáng),控制一臺機(jī)床能力有富裕(故當(dāng)時曾用于控制多臺機(jī)床,稱之為群控),不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高,但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計算機(jī)的核心部件,故仍稱為計算機(jī)數(shù)控。 
       到了1990年,PC機(jī)(個人計算機(jī),國內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī))的性能已發(fā)展到很高的階段,可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段。 
       總之,計算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代--小型計算機(jī);1974年的第五代--微處理器和1990年的第六代--基于PC(國外稱為PC-BASED)。 
       還要指出的是,雖然國外早已改稱為計算機(jī)數(shù)控(即CNC)了,而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控(NC)。所以我們?nèi)粘Vv的“數(shù)控”,實(shí)質(zhì)上已是指“計算機(jī)數(shù)控”了。 
       1.3、數(shù)控未來發(fā)展的趨勢 
       1.3.1 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 
       基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn),更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī),來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題,由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面,將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊,遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。 
       1.3.2 向高速化和高精度化發(fā)展 
       這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。 
       1.3.3 向智能化方向發(fā)展 
       隨著人工智能在計算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展,數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。 
       (1)應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù) 
       數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息,并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù),達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。 
       (2)引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 
       將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn),加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中,以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐,建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 
       (3)引入故障診斷專家系統(tǒng) 
       (4)智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置 
       可以通過自動識別負(fù)載,而自動調(diào)整參數(shù),使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。 
       二、機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 
       2.1、微觀看改造的必要性
從微觀上看,數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)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(jī)的威力。 
       2.1.1 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計算機(jī)有高超的運(yùn)算能力,可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量,因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 
       2.1.2 可以實(shí)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(jī)床提高3~7倍。
由于計算機(jī)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(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序,就可實(shí)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(shí)現(xiàn)了“柔性自動化”。 
       2.1.3 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”。 
       2.1.4 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中,減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 
       2.1.5 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能,因而可實(shí)現(xiàn)長時間無人看管加工。 
       2.1.6 由以上五條派生的好處。 
       如:降低了工人的勞動強(qiáng)度,節(jié)省了勞動力(一個人可以看管多臺機(jī)床),減少了工裝,縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期,可對市場需求作出快速反應(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(jī)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(jī)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)。 
       2.2、宏觀看改造的必要性 
       從宏觀上看,工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)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(jī)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(jī)械工業(yè))進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)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(jī)械工業(yè)進(jìn)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(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中,數(shù)控機(jī)床的比重(數(shù)控化率)到1995年只有1.9%,而日本在1994年已達(dá)20.8%,因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。 
       三、機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場 
       3.1、機(jī)床數(shù)控化改造的市場 
       我國目前機(jī)床總量380余萬臺,而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺,即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3%。近10年來,我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6~0.8萬臺,年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6%。我國機(jī)床役齡10年以上的占60%以上;10年以下的機(jī)床中,自動/半自動機(jī)床不到20%,F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)(美國和日本自動和半自動機(jī)床占60%以上)。可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床,而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長,從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力,直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益,影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 
       3.2、進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 
       我國自改革開放以來,很多企業(yè)從國外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計,從1979~1988年10年間,全國引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有18446項(xiàng),大約165.8億美元。 
       這些項(xiàng)目中,大部分項(xiàng)目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因,設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn),甚至癱瘓,使企業(yè)的效益受到影響,嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后,有的消化吸收不好,備件不全,維護(hù)不當(dāng),結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良;有的引進(jìn)時只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線,忽視軟件、工藝、管理等,造成項(xiàng)目不完整,設(shè)備潛力不能發(fā)揮;有的甚至不能啟動運(yùn)行,沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用;有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好,但是因?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo);有的因?yàn)槟芎母?、產(chǎn)品合格率低而造成虧損;有的已引進(jìn)較長時間,需要進(jìn)行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財富,反而消耗著財富。 
       這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個包袱,也是一批很大的存量資產(chǎn),修好了就是財富。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn),解決關(guān)鍵技術(shù)問題,就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn),爭取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。 
       四、數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺 
       4.1、國外改造業(yè)的興起 
       在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家,它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè),生意盎然,正處在黃金時代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步,機(jī)床改造是個"永恒"的課題。我國的機(jī)床改造業(yè),也從老的行業(yè)進(jìn)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(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場,已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國,機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)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(jī)床公司、Devlieg-Bullavd(得寶)服務(wù)集團(tuán)、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(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝(Retrofitting)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有:大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。 
       4.2、數(shù)控化改造的內(nèi)容 
       機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn): 
       其一是恢復(fù)原功能,對機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù); 
       其二是NC化,在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置,或加數(shù)控系統(tǒng),改造成NC機(jī)床、CNC機(jī)床; 
       其三是翻新,為提高精度、效率和自動化程度,對機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新,對機(jī)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(jìn)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?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù),在原有基礎(chǔ)上進(jìn)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。 
       4.3、數(shù)控化改造的優(yōu)缺 
       4.3.1 減少投資額、交貨期短 
       同購置新機(jī)床相比,一般可以節(jié)省60%~80%的費(fèi)用,改造費(fèi)用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造,只花新機(jī)床購置費(fèi)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(fèi)工、費(fèi)錢,往往改造成本提高2~3倍,與購置新機(jī)床相比,只能節(jié)省投資50%左右。 
       4.3.2 機(jī)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(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,不宜做突破性的改造。 
       4.3.3 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(jī)床的加工能力;另外,由于多年使用,操作者對機(jī)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(jī)床一安裝好,就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。 
       4.3.4 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。 
       4.3.5 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(jī)床改成當(dāng)今水平的機(jī)床。 
       五、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(jìn)行選擇。 
       5.1 步進(jìn)電機(jī)拖動的開環(huán)系統(tǒng) 
       該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖,經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后,使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動,通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序,便可控制執(zhí)行部件運(yùn)動的位移量、速度和運(yùn)動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端,故稱之為開環(huán)系統(tǒng),該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度,齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度,所以系統(tǒng)的位移精度較低。 
       該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)試維修方便,工作可靠,成本低,易改裝成功。 
       5.2、異步電動機(jī)或直流電機(jī)拖動,光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 
       該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是:由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實(shí)際位置反饋信號,隨時與給定值進(jìn)行比較,將兩者的差值放大和變換,驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu),以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動,直到給定位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜,成本也高,對環(huán)境室溫要求嚴(yán)。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度,更快的速度,驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)??筛鶕?jù)產(chǎn)品技術(shù)要求,決定是否采用這種系統(tǒng)。 
       5.3、交/直流伺服電機(jī)拖動,編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 
       半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上,間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差,因此,它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低,但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機(jī)作成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。 
       當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多,國外著名公司的如德國SIEMENS公司、日本FANUC公司;國內(nèi)公司如中國珠峰公司、北京航天機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司、華中數(shù)控公司和沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心。 
       選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機(jī)床要達(dá)到的各種精度、驅(qū)動電機(jī)的功率和用戶的要求。 
       六、數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝探討

       一臺新的數(shù)控機(jī)床,在設(shè)計上要達(dá)到:有高的靜動態(tài)剛度;運(yùn)動副之間的摩擦系數(shù)小,傳動無間隙;功率大;便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達(dá)到上述要求。不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求,還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計要求,才能獲得預(yù)期的改造目的。 
       6.1、滑動導(dǎo)軌副 
       對數(shù)控車床來說,導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外,還要有良好的耐摩擦、磨損特性,并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度,以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響,要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。 
       6.2、齒輪副 
       一般機(jī)床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度,數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無間隙傳動,因而改造時,機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求,以保證機(jī)床加工精度。 
       6.3、滑動絲杠與滾珠絲杠 
       絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠,但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況,如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于6級,螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低,但難以滿足精度較高的零件加工。 
       滾珠絲杠摩擦損失小,效率高,其傳動效率可在90%以上;精度高,壽命長;啟動力矩和運(yùn)動時力矩相接近,可以降低電機(jī)啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。 
       6.4、安全防護(hù) 
       必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施,切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件,工作時要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好,絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動面損傷導(dǎo)軌。 
       七、機(jī)床數(shù)控改造主要步驟 
       7.1、改造方案的確定 
       改造的可行性分析通過以后,就可以針對某臺或某幾臺機(jī)床的現(xiàn)況確定改造方案,一般包括: 
       7.1.1 機(jī)械修理與電氣改造相結(jié)合 
       一般來說,需進(jìn)行電氣改造的機(jī)床,都需進(jìn)行機(jī)械修理。要確定修理的要求、范圍、內(nèi)容;也要確定因電氣改造而需進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)改造的要求、內(nèi)容;還要確定電氣改造與機(jī)械修理、改造之間的交錯時間要求。機(jī)械性能的完好是電氣改造成功的基礎(chǔ)。 
       7.1.2 先易后難、先局部后全局 
       確定改造步驟時,應(yīng)把整個電氣部分改造先分成若干個子系統(tǒng)進(jìn)行,如數(shù)控系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、主軸、進(jìn)給系統(tǒng)、面板控制與強(qiáng)電部分等,待各系統(tǒng)基本成型后再互聯(lián)完成全系統(tǒng)工作。這樣可使改造工作減少遺漏和差錯。在每個子系統(tǒng)工作中,應(yīng)先做技術(shù)性較低的、工作量較大的工作,然后做技術(shù)性高的、要求精細(xì)的工作,使人的注意力能集中到關(guān)鍵地方。 
       7.1.3 根據(jù)使用條件選擇系統(tǒng) 
       針對某臺或某幾臺機(jī)床,確定它的環(huán)境、溫度、濕度、灰塵、電源、光線,甚至有否鼠害等外界使用條件,這對選擇電氣系統(tǒng)的防護(hù)性能、抗干擾性能、自冷卻性能、空氣過濾性能等可提供正確的依據(jù),使改造后的電氣系統(tǒng)有了可靠的使用保證。當(dāng)然,電氣系統(tǒng)的選擇必須考慮成熟產(chǎn)品,性能合理、實(shí)用,有備件及維修支持,功能滿足當(dāng)前和今后若干年內(nèi)的發(fā)展要求等。 
       7.1.4 落實(shí)參與改造人員和責(zé)任 
       改造是一個系統(tǒng)工程,人員配備十分重要。除了人員的素質(zhì)條件外,根據(jù)項(xiàng)目的大小,合理地確定人數(shù)與分工是關(guān)鍵。人員太少不利于開展工作,人員太多也容易引起混亂。根據(jù)各個劃分開的子系統(tǒng),確定人員職責(zé),有主有次,便于組織與協(xié)調(diào)。如果項(xiàng)目采用對外合作形式,更需在目標(biāo)明確的前提下,界定分工,確定技術(shù)協(xié)調(diào)人。 
       7.1.5 改造范圍與周期的確定 
       有時數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)改造,并不一定包含該機(jī)床全部電氣系統(tǒng),應(yīng)根據(jù)科學(xué)的測定和分析決定其改造范圍。停機(jī)改造的周期,根據(jù)各企業(yè)的實(shí)際情況確定,考慮因素有生產(chǎn)緊張程度、人員技術(shù)水平、準(zhǔn)備工作充分程度、新系統(tǒng)大小與復(fù)雜程度,甚至還包括天氣情況等。切忌好大喜功,急于求成,匆忙上陣,但也要合理安排,防止拖拖拉拉。 
       7.2、改造的技術(shù)準(zhǔn)備 
       改造前的技術(shù)準(zhǔn)備充分與否,很大程度上決定著改造能否取得成功。技術(shù)準(zhǔn)備包括: 
       7.2.1 機(jī)械部分準(zhǔn)備 
       為配合電氣改造而需進(jìn)行的機(jī)械大修改造的測量、計算、設(shè)計、繪圖、零件制作等應(yīng)先期完成。同時對停機(jī)后需拆、改、加工的部分等應(yīng)事先規(guī)劃完畢,提出明確要求,與整個改造工作銜接得當(dāng)。 
       7.2.2 新系統(tǒng)電氣資料消化 
       新系統(tǒng)有許多新功能、新要求、新技術(shù),因此改造前應(yīng)熟悉技術(shù)資料,包括系統(tǒng)原理說明、線路圖、PLC梯形圖及文本、安裝調(diào)試說明、使用手冊、編程手冊等。要有充裕的時間來對上述資料進(jìn)行翻譯(進(jìn)口系統(tǒng))、消化、整理、核對,做到思路清晰,層次分明。 
       7.2.3 新舊系統(tǒng)接口的轉(zhuǎn)換設(shè)計 
       根據(jù)每臺設(shè)備改造范圍不同,需事先設(shè)計接口部分轉(zhuǎn)換,若全部改造的,應(yīng)設(shè)計機(jī)電轉(zhuǎn)換接口、操作面板控制與配置、互聯(lián)部分接點(diǎn)、參數(shù)測量點(diǎn)、維修位置等,要求操作與維修方便、合理,線路走向通順、中小連接點(diǎn)少,強(qiáng)弱電干擾最小,備有適當(dāng)裕量等。局部改造的,還需要考慮新舊系統(tǒng)的性能匹配、電壓極性與大小變換、安裝位置、數(shù)模轉(zhuǎn)換等,必要時需自行制作轉(zhuǎn)換接口。 
       7.2.4 操作、編程人員的技術(shù)培訓(xùn) 
       機(jī)床電氣系統(tǒng)改造后,必然對操作、編程人員帶來新的要求。因此提前對操作人員和編程人員進(jìn)行新系統(tǒng)知識培訓(xùn)十分重要,否則將影響改造后的機(jī)床迅速投入生產(chǎn)。培訓(xùn)內(nèi)容一般應(yīng)包括新的操作面板配置、功能、指示含義;新系統(tǒng)的功能范圍、使用方法及與舊系統(tǒng)的差別;維護(hù)保養(yǎng)要求;編程標(biāo)準(zhǔn)與自動化編程等等。重點(diǎn)是弄懂、弄通操作說明書和編程說明書。 
       7.2.5 調(diào)試步驟與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的確定 
       新的電氣系統(tǒng)改造完以后,怎樣進(jìn)行調(diào)試以及確定合理的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),也是技術(shù)準(zhǔn)備工作的重要一環(huán)。調(diào)試工作涉及機(jī)械、液壓、電氣、控制、傳感等,因此必須由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人進(jìn)行,其它人員配合。調(diào)試步驟可從簡到繁,從小到大,從外到里進(jìn)行,也可先局部后全局,先子系統(tǒng)后整系統(tǒng)進(jìn)行。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是對新系統(tǒng)的考核,制定時必須實(shí)事求是,過高或過低的標(biāo)準(zhǔn)都會對改造工作產(chǎn)生負(fù)面影響。標(biāo)準(zhǔn)一旦確定下來,不能輕易修改,因?yàn)樗鼱可娴秸麄€改造工作的各個環(huán)節(jié)。 
       7.3、改造的實(shí)施 
       準(zhǔn)備工作就緒后,即可進(jìn)入改造的實(shí)施階段。實(shí)施階段內(nèi)容按時間順序分為: 
       7.3.1 原機(jī)床的全面保養(yǎng) 
       機(jī)床經(jīng)長期使用后,會不同程度地在機(jī)械、液壓、潤滑、清潔等方面存在缺陷,所以首先要進(jìn)行全面保養(yǎng)。其次,應(yīng)對機(jī)床作一次改前的幾何精度、尺寸精度測量,記錄在案。這樣既可對改造工作起指導(dǎo)參考作用,又可在改造結(jié)束時作對比分析用。 
       7.3.2 保留的電氣部分最佳化調(diào)整 
       若對電氣系統(tǒng)作局部改造,則應(yīng)對保留電氣部分進(jìn)行保養(yǎng)和最佳化調(diào)整。如強(qiáng)電部分的零件更換,電機(jī)的保養(yǎng),變壓器的烘干絕緣,污染的清潔,通風(fēng)冷卻裝置的清洗,伺服驅(qū)動裝置的最佳化調(diào)整,老化電線電纜的更新,連接件的緊固等等。只有對保留的電氣部分做好過細(xì)的最佳化調(diào)整工作,才能保證改造后的機(jī)床有較低的故障率。 
       7.3.3 原系統(tǒng)拆除 
       原系統(tǒng)的拆除必須對照原圖紙,仔細(xì)進(jìn)行,及時在圖紙上作出標(biāo)記,防止遺漏或過拆(局部改造情況下)。在拆的過程中也會發(fā)現(xiàn)一些新系統(tǒng)設(shè)計中的欠缺之處,應(yīng)及時補(bǔ)充與修正,拆下的系統(tǒng)及零件應(yīng)分門別類,妥善保管,以備萬一改造不成功或局部失敗時恢復(fù)使用。還有一定使用價值的,可作其他機(jī)床備件用。切忌大手大腳,亂扔亂放。 
       7.3.4 合理安排新系統(tǒng)位置及布線 
       根據(jù)新系統(tǒng)設(shè)計圖紙,合理進(jìn)行新系統(tǒng)配置,包括箱體固定、面板安放、線路走向和固定、調(diào)整元器件位置、密封及必要裝飾等。連線工作必須分工明確,有人復(fù)查檢驗(yàn),以確保連線工藝規(guī)范、線徑合適、正確無誤、可靠美觀。 
       7.3.5 調(diào)試 
       調(diào)試必須按事先確定的步驟和要求進(jìn)行。調(diào)試人員應(yīng)頭腦冷靜,隨時記錄,以便發(fā)現(xiàn)和解決問題。調(diào)試中首先試安全保護(hù)系統(tǒng)靈敏度,防止人身、設(shè)備事故發(fā)生。調(diào)試現(xiàn)場必須清理干凈,無多余物品;各運(yùn)動坐標(biāo)拖板處于全行程中心位置;能空載試驗(yàn)的,先空載后加載;能模擬試驗(yàn)的,先模擬后實(shí)動;能手動的,先手動后自動。 
       7.4、驗(yàn)收及后期工作 
       驗(yàn)收工作應(yīng)聘請有關(guān)的人員共同參加,并按已制定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。改造的后期工作也很重要,它有利于項(xiàng)目技術(shù)水平的提高和使設(shè)備盡早投產(chǎn)。驗(yàn)收及后期工作包括: 
       7.4.1 機(jī)床機(jī)械性能驗(yàn)收 
       經(jīng)過機(jī)械修理和改造以及全面保養(yǎng),機(jī)床的各項(xiàng)機(jī)械性能應(yīng)達(dá)到要求,幾何精度應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)。 
       7.4.2 電氣控制功能和控制精度驗(yàn)收 
       電氣控制的各項(xiàng)功能必須達(dá)到動作正常,靈敏可靠??刂凭葢?yīng)用系統(tǒng)本身的功能(如步進(jìn)尺寸等)與標(biāo)準(zhǔn)計量器具(如激光干涉儀、坐標(biāo)測量儀等)對照檢查,達(dá)到精度范圍之內(nèi)。同時還應(yīng)與改造前機(jī)床的各項(xiàng)功能和精度作出對比,獲得量化的指標(biāo)差。 
       7.4.3 試件切削驗(yàn)收 
       可以參照國內(nèi)外有關(guān)數(shù)控機(jī)床切削試件標(biāo)準(zhǔn),在有資格的操作工、編程人員配合下進(jìn)行試切削。試件切削可驗(yàn)收機(jī)床剛度、切削力、噪聲、運(yùn)動軌跡、關(guān)聯(lián)動作等,一般不宜采用產(chǎn)品零件作試件使用。 
       7.4.4 圖紙、資料驗(yàn)收 
       機(jī)床改造完后,應(yīng)及時將圖紙(包括原理圖、配置圖、接線圖、梯形圖等)、資料(包括各類說明書)、改造檔案(包括改造前、后的各種記錄)匯總、整理、移交入檔。保持資料的完整、有效、連續(xù),這對該設(shè)備的今后穩(wěn)定運(yùn)行是十分重要的。 
       7.4.5 總結(jié)、提高 
       每次改造結(jié)束后應(yīng)及時總結(jié),既有利于提高技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平,也有利于整個企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。 
       八、數(shù)控改造幾個實(shí)例 
       1、用SIEMENS 810M改造X53銑床 
       1998年,公司投入20萬元,用德國西門子810M數(shù)控系統(tǒng)、611A交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)對公司的一臺型號為X53的銑床進(jìn)行X、Y、Z三軸數(shù)控改造;保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng);改造的三軸在機(jī)械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機(jī)構(gòu)。整個改造工作包括機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計、PLC程序的編制與調(diào)試、機(jī)床大修,最后是整機(jī)的安裝和調(diào)試。銑床改造后,加工有效行程X/Y/Z軸分別為880/270/280 mm;最大速度X/Y/Z軸分別為5000/1500/800 mm/min;手動速度X/Y/Z軸分別為3000/1000/500 mm/min;機(jī)床加工精度達(dá)到±0.001mm。機(jī)床的三坐標(biāo)聯(lián)動可完成各種復(fù)雜曲線或曲面的加工。 
       2、用GSK980T和步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)改造C6140車床 
       1999年,公司投入了8萬元,采用廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK980T數(shù)控系統(tǒng)、DY3混合式步進(jìn)驅(qū)動單元對公司的一臺加長C6140車床的X、Z兩軸進(jìn)行改造;保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng);改造的兩軸在機(jī)械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機(jī)構(gòu)。整個改造工作包括機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計、機(jī)床大修及整機(jī)的安裝和調(diào)試。車床改造后,加工有效行程X/Z軸分別為390/1400 mm;最大速度X/Z軸分別為1200/3000 mm/min;手動速度為400mm/min;手動快速為X/Z軸分別為1200/3000 mm/min;機(jī)床最小移動單位為0.001mm。 
       3、用GSK980T和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)改造C6140車床 
       2000年,用廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK980T數(shù)控系統(tǒng)、DA98交流伺服單元及4工位自動刀架對電機(jī)分廠的一臺C6140車床X、Z兩軸進(jìn)行數(shù)控改造;保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng);改造的兩軸在機(jī)械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機(jī)構(gòu)。整個改造工作包括機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計、機(jī)床大修及整機(jī)的安裝和調(diào)試。車床改造后,加工有效行程X/Z軸分別為390/730 mm;最大速度X/Z軸分別為1200/3000 mm/min;手動速度為400mm/min;手動快速為X/Z軸分別為1200/3000 mm/min;機(jī)床最小移動單位為0.001mm。 
       4、用SIEMENS 802S改造X53銑床 
       2000年,公司投入12萬元,用德國西門子802S數(shù)控系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)對公司的另一臺型號為X53的銑床進(jìn)行X、Y、Z三軸數(shù)控改造;保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng);改造的三軸在機(jī)械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機(jī)構(gòu)。整個改造工作包括機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計、機(jī)床大修,最后是整機(jī)的安裝和調(diào)試。銑床改造后,加工有效行程X/Y/Z軸分別為630/240/280 mm;最大速度X/Y/Z軸分別為3000/1000/600 mm/min;手動進(jìn)給速度X/Y/Z軸分別為2000/800/500 mm/min;最小移動單位為0.001mm。 
       九、數(shù)控改造中的問題和建議 
       通過幾臺機(jī)床的數(shù)控改造工作后,發(fā)現(xiàn)工作中也存在許多問題,主要表現(xiàn)在: 
       一是各部門、開發(fā)人員職責(zé)不明朗,組織混亂,嚴(yán)重影響了改造進(jìn)度; 
       二是制定的工作進(jìn)程和計劃大多只是憑經(jīng)驗(yàn)制定,不太合理; 
       三是相關(guān)人員的培訓(xùn)工作沒有到位,導(dǎo)致機(jī)床改造后工藝人員不會編程、操作人員對機(jī)床操作不熟練等問題。 
       綜合以上問題,有幾點(diǎn)建議: 
       一是負(fù)責(zé)改造的員工職責(zé)明確,獎罰分明,充分調(diào)動員工的積極性; 
       二是培養(yǎng)一批高素質(zhì)的應(yīng)用和維護(hù)人員,選派人員外出進(jìn)修,學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù); 
       三是要注重用戶使用、維護(hù)數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn),建立國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)資源庫。

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