計算機數控機床改造應用研究
摘要：將普通機床改造成為數控機床，是企業提高自身自動化程度的一種重要手段。就如何實現改造進行分析並提供方法和思路，本文主要闡述數控化改造的研究內容和關鍵技術和方法。
關鍵詞：計算機；機床；數控化；改造；方案
數控技術是指用數字、文字和符號組成的數字指令來實現一臺或多臺機械裝置動作控制的技術。數控一般是採用通用或專用計算機實現數字程式控制，因此數控也稱為計算機數控***Computer Numerical Control***，簡稱CNC。計算機按事先存貯的控制程式來執行對裝置的運動軌跡和外設的操作時序邏輯控制功能。由於採用計算機替代原先用硬體邏輯電路組成的數控裝置，使輸入操作指令的存貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現，均可通過計算機軟體來完成，處理生成的微觀指令傳送給伺服驅動裝置驅動電機或液壓執行元件帶動裝置執行。
1 數控機床概述
2 機床的數控化改造方案
2.1進行改造專案的可行性評估
2.1.1 對其價值做出評估。例如一臺加工中心，主要構成的機電部件有：①系統及操作子系統；②伺服系統包括電動機；③機床電氣；④機械本體床身、立柱、導軌和絲槓等；⑤刀庫機械手系統；⑥自動工作臺交換系統等。每一個子系統根據實際情況，都可以做出相應的價值評估。
2.1.3 進行成本的估算，即投入資金的評估。投入資金多少與制訂改造目標高低密切相關。投人的改造費用主要由下列專案構成：①數控系統及相關伺服系統；②機床電氣及附件更換；③機床機械元部件準確度修復和維修保養；④機床輔助系統如液壓系統、冷卻系統等維修保養；⑤機床外觀質量的修復；⑥機床改造後的除錯檢測；⑦機床改造所需的技術勞務費。在受改造費用限制時，可以修改改造目標，降低一些要求以減少投入費用。
2.1.4 對改造方案進行風險評估。在做改造方案時，不可能對裝置進行現狀大解剖，不可能拿到機床現狀準確測試資料，因此在以後實施改造工作中還會碰到意料之外的問題。因此必須做出風險評估和制訂相應對策。一般做法是在工程專案費中，設定不可預見費用。
2.1.5 效能價格比評估。為了在經濟上有定量分析的依據，常選一臺現在市場上效能相似的商品價格作為標準進行比較。
2.2 數控系統的選擇
數控系統是機床的核心，在選擇時要對其效能、經濟性及維修服務等進行綜合考慮。數控系統主要有3種類型：步進電機拖動的開環系統；非同步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環數控系統；交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環數控系統。其中步進電機拖動的開環系統的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機等。由數控系統送出的進給指令脈衝，經驅動電路控制和功率放大後，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲槓副驅動執行部件。該系統的位移準確度主要決定於步進電機的角位移準確度，齒輪絲槓等傳動元件的節距準確度，所以系統的位移準確度較低。但該系統結構簡單，除錯維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
2.3 伺服系統的選擇
伺服系統是數控機床的重要組成部分，它既是數控系統CNC系統與刀具、主軸間的資訊傳遞環節，又是能量放大與傳遞的環節。它的效能在很大程度上決定了數控機床的效能。例如，數控機床的最高移動速度、跟蹤度、定位度等重要指標均取決於伺服系統的動態。伺服系統按控制方式分為開環控制系統、半閉環控制系統和閉環控制系統三類。在普通機床的數控化改造中，一般選用價格較低的開環控制系統。
2.4 機床機械部件的改造
一臺新的數控機床，在設計上要達到很高的動態剛度；運動副之間的摩擦係數小，傳動無間隙；功率大；便於操作和維修。機床數控改造時應儘量達到此要求，並注意下述幾方面。
2.4.1 導軌副。對數控車床來說，導軌除應具有普通車床導向度和工藝外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，並減少因摩擦阻力而致死區。
2.4.2 齒輪副。一般機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，數控機床上使用的齒輪準確度等級都比普通機床高。
2.4.3 滑動絲槓與滾珠絲槓。絲槓傳動直接關係到傳動鏈準確度。絲槓的選用主要取決於加工件的準確度要求和拖動扭矩要求。
2.4.4 聯軸器。為了消除傳動系統中的反向間隙,提高重複定位度，伺服驅動元件所用的聯軸器多數採用無鍵連線，如錐銷剛性聯軸器,錐環聯軸器等。
2.4.5 迴轉刀架。一般改裝的車床多數採用四工位自動迴轉刀架。
2.4.6 安全防護。改造效果必須以安全為前提。在機床改造中要根據實際情況採取相應的措施，切不可忽視。
3 數控系統開發方法
3.1 基於微控制器的數控系統
基於微控制器的經濟型數控系統一般採用步進電機作為驅動元件，步進電機採用脈衝方式工作，基本原理是：系統中的鍵盤用於向計算機輸入和編輯零件加工程式；採用數碼管顯示加工資料及機床狀態等資訊；儲存器用來存放監控程式、鍵盤掃描程式、顯示驅動程式及使用者控制程式碼程式等；功率放大器用來對計算機送來的脈衝進行功率放大，以驅動步進電機帶動負載執行。需要完成的具體任務有：
3.1.1 硬體系統的結構設計。一般採用51系統微控制器作為主控制器，在此基礎上擴充套件一些必要的器件如ROM、鍵盤等。
3.1.2 軟體設計。包括：監控與操作軟體,用來實現人機對話、系統監控、指揮整個系統軟體協調工作等，包括系統的初始化、命令處理迴圈、零件加工程式的編輯修改等；步進電機控制軟體，包括：通電狀態程式碼和電動機正、反轉的實現；步進電機轉速的控制。
3.2 基於ARM與運動控制器的數控系統
3.2.1 系統硬體結構。系統硬體採用主從式雙CPU結構模式。主CPU為ARM處理器，用於鍵盤、顯示，網路通訊等管理工作,而從CPU即為運動控制晶片，專門負責運動控制的處理工作。ARM處理器通過匯流排操作，把命令寫入運動控制晶片，使運動控制晶片來完成運動控制。
3.2.2 作業系統及程式語言。為了最大地利用系統硬體資源，並且還要保證實時性，所以使用了μC/OS多工實時作業系統。使用到μC/OS作業系統,通過它實現多工實時控制。程式的程式語言為C語言以及ARM組合語言。
3.3 基於PC機的數控系統
近年來，以工業PC機為核心的控制系統已廣泛地被工業控制領域所接受。採用工業PC機在WIN-DOWS作業系統下通用的數控系統，已成為數控系統發展的潮流。基於工業PC機的數控系統採用的是標準的PC硬體和作業系統，因此易於進行模組化和開放式的設計。開放式數控系統是目前新型數控系統研發的主流。系統採用工業PC機+運動控制器結構組成,主要包括工業計算機、運動控制卡以及伺服系統等。
4 結論
進行機床數控化改造要將改造的重點放在電氣、控制系統的改造上，機械部分只對影響準確度的重點部件進行改造。這樣可縮短改造週期，降低改造成本，並利於對系統進行再次升級。隨著社會的不斷髮展以及技術的不斷進步，數控技術的發展，必將帶動數控機床改造技術的進步與發展。
參考文獻
[1]趙中敏.機床數控化改造的研究［J］.煤礦機電，2005.
[2]楊有君.數控技術［M］.北京：機械工業出版社，2005.
[3]富大偉,劉瑞素.數控系統［M］.北京：化學工業出版社,2005.
[4]劉麗雲，王元娥.普通機床數控化改造中要考慮的主要問題［J］.裝備製造技術，2007.
關鍵詞：計算機；機床；數控化；改造；方案
數控技術是指用數字、文字和符號組成的數字指令來實現一臺或多臺機械裝置動作控制的技術。數控一般是採用通用或專用計算機實現數字程式控制，因此數控也稱為計算機數控***Computer Numerical Control***，簡稱CNC。計算機按事先存貯的控制程式來執行對裝置的運動軌跡和外設的操作時序邏輯控制功能。由於採用計算機替代原先用硬體邏輯電路組成的數控裝置，使輸入操作指令的存貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現，均可通過計算機軟體來完成，處理生成的微觀指令傳送給伺服驅動裝置驅動電機或液壓執行元件帶動裝置執行。
1 數控機床概述
2 機床的數控化改造方案
2.1進行改造專案的可行性評估
2.1.1 對其價值做出評估。例如一臺加工中心，主要構成的機電部件有：①系統及操作子系統；②伺服系統包括電動機；③機床電氣；④機械本體床身、立柱、導軌和絲槓等；⑤刀庫機械手系統；⑥自動工作臺交換系統等。每一個子系統根據實際情況，都可以做出相應的價值評估。
2.1.3 進行成本的估算，即投入資金的評估。投入資金多少與制訂改造目標高低密切相關。投人的改造費用主要由下列專案構成：①數控系統及相關伺服系統；②機床電氣及附件更換；③機床機械元部件準確度修復和維修保養；④機床輔助系統如液壓系統、冷卻系統等維修保養；⑤機床外觀質量的修復；⑥機床改造後的除錯檢測；⑦機床改造所需的技術勞務費。在受改造費用限制時，可以修改改造目標，降低一些要求以減少投入費用。
2.1.4 對改造方案進行風險評估。在做改造方案時，不可能對裝置進行現狀大解剖，不可能拿到機床現狀準確測試資料，因此在以後實施改造工作中還會碰到意料之外的問題。因此必須做出風險評估和制訂相應對策。一般做法是在工程專案費中，設定不可預見費用。
2.1.5 效能價格比評估。為了在經濟上有定量分析的依據，常選一臺現在市場上效能相似的商品價格作為標準進行比較。
2.2 數控系統的選擇
數控系統是機床的核心，在選擇時要對其效能、經濟性及維修服務等進行綜合考慮。數控系統主要有3種類型：步進電機拖動的開環系統；非同步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環數控系統；交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環數控系統。其中步進電機拖動的開環系統的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機等。由數控系統送出的進給指令脈衝，經驅動電路控制和功率放大後，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲槓副驅動執行部件。該系統的位移準確度主要決定於步進電機的角位移準確度，齒輪絲槓等傳動元件的節距準確度，所以系統的位移準確度較低。但該系統結構簡單，除錯維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
2.3 伺服系統的選擇
伺服系統是數控機床的重要組成部分，它既是數控系統CNC系統與刀具、主軸間的資訊傳遞環節，又是能量放大與傳遞的環節。它的效能在很大程度上決定了數控機床的效能。例如，數控機床的最高移動速度、跟蹤度、定位度等重要指標均取決於伺服系統的動態。伺服系統按控制方式分為開環控制系統、半閉環控制系統和閉環控制系統三類。在普通機床的數控化改造中，一般選用價格較低的開環控制系統。
2.4 機床機械部件的改造
一臺新的數控機床，在設計上要達到很高的動態剛度；運動副之間的摩擦係數小，傳動無間隙；功率大；便於操作和維修。機床數控改造時應儘量達到此要求，並注意下述幾方面。
2.4.1 導軌副。對數控車床來說，導軌除應具有普通車床導向度和工藝外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，並減少因摩擦阻力而致死區。
2.4.2 齒輪副。一般機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，數控機床上使用的齒輪準確度等級都比普通機床高。
2.4.3 滑動絲槓與滾珠絲槓。絲槓傳動直接關係到傳動鏈準確度。絲槓的選用主要取決於加工件的準確度要求和拖動扭矩要求。
2.4.4 聯軸器。為了消除傳動系統中的反向間隙,提高重複定位度，伺服驅動元件所用的聯軸器多數採用無鍵連線，如錐銷剛性聯軸器,錐環聯軸器等。
2.4.5 迴轉刀架。一般改裝的車床多數採用四工位自動迴轉刀架。
2.4.6 安全防護。改造效果必須以安全為前提。在機床改造中要根據實際情況採取相應的措施，切不可忽視。
3 數控系統開發方法
3.1 基於微控制器的數控系統
基於微控制器的經濟型數控系統一般採用步進電機作為驅動元件，步進電機採用脈衝方式工作，基本原理是：系統中的鍵盤用於向計算機輸入和編輯零件加工程式；採用數碼管顯示加工資料及機床狀態等資訊；儲存器用來存放監控程式、鍵盤掃描程式、顯示驅動程式及使用者控制程式碼程式等；功率放大器用來對計算機送來的脈衝進行功率放大，以驅動步進電機帶動負載執行。需要完成的具體任務有：
3.1.1 硬體系統的結構設計。一般採用51系統微控制器作為主控制器，在此基礎上擴充套件一些必要的器件如ROM、鍵盤等。
3.1.2 軟體設計。包括：監控與操作軟體,用來實現人機對話、系統監控、指揮整個系統軟體協調工作等，包括系統的初始化、命令處理迴圈、零件加工程式的編輯修改等；步進電機控制軟體，包括：通電狀態程式碼和電動機正、反轉的實現；步進電機轉速的控制。
3.2 基於ARM與運動控制器的數控系統
3.2.1 系統硬體結構。系統硬體採用主從式雙CPU結構模式。主CPU為ARM處理器，用於鍵盤、顯示，網路通訊等管理工作,而從CPU即為運動控制晶片，專門負責運動控制的處理工作。ARM處理器通過匯流排操作，把命令寫入運動控制晶片，使運動控制晶片來完成運動控制。
3.2.2 作業系統及程式語言。為了最大地利用系統硬體資源，並且還要保證實時性，所以使用了μC/OS多工實時作業系統。使用到μC/OS作業系統,通過它實現多工實時控制。程式的程式語言為C語言以及ARM組合語言。
3.3 基於PC機的數控系統
近年來，以工業PC機為核心的控制系統已廣泛地被工業控制領域所接受。採用工業PC機在WIN-DOWS作業系統下通用的數控系統，已成為數控系統發展的潮流。基於工業PC機的數控系統採用的是標準的PC硬體和作業系統，因此易於進行模組化和開放式的設計。開放式數控系統是目前新型數控系統研發的主流。系統採用工業PC機+運動控制器結構組成,主要包括工業計算機、運動控制卡以及伺服系統等。
4 結論
進行機床數控化改造要將改造的重點放在電氣、控制系統的改造上，機械部分只對影響準確度的重點部件進行改造。這樣可縮短改造週期，降低改造成本，並利於對系統進行再次升級。隨著社會的不斷髮展以及技術的不斷進步，數控技術的發展，必將帶動數控機床改造技術的進步與發展。
參考文獻
[1]趙中敏.機床數控化改造的研究［J］.煤礦機電，2005.
[2]楊有君.數控技術［M］.北京：機械工業出版社，2005.
[3]富大偉,劉瑞素.數控系統［M］.北京：化學工業出版社,2005.
[4]劉麗雲，王元娥.普通機床數控化改造中要考慮的主要問題［J］.裝備製造技術，2007.