計算機數(shù)控機床改造應(yīng)用研究
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丁均濤 1由 分享
摘要：將普通機床改造成為數(shù)控機床，是企業(yè)提高自身自動化程度的一種重要手段。就如何實現(xiàn)改造進行分析并提供方法和思路，本文主要闡述數(shù)控化改造的研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)和方法。
關(guān)鍵詞：計算機；機床；數(shù)控化；改造；方案
數(shù)控技術(shù)是指用數(shù)字、文字和符號組成的數(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)。數(shù)控一般是采用通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C實現(xiàn)數(shù)字程序控制，因此數(shù)控也稱為計算機數(shù)控(Computer Numerical Control)，簡稱CNC。計算機按事先存貯的控制程序來執(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。由于采用計算機替代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貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現(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。
1 數(shù)控機床概述
數(shù)控機床就是將加工過程中的各種操作（如主軸變速、進刀與退刀、開車與停車、選擇刀具等）和步驟，以及刀具與工件之間的相對位移量都用數(shù)字化的代碼或程序來表示，通過控制介質(zhì)（如穿孔紙帶或磁帶、磁盤等）將數(shù)字信息送入專用的或通用的計算機，計算機對輸入的信息進行處理與運算，來控制機床的伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件，使機床自動加工出所需要的工件。
2 機床的數(shù)控化改造方案
2.1進行改造項目的可行性評估
2.1.1 對其價值做出評估。例如一臺加工中心，主要構(gòu)成的機電部件有：①系統(tǒng)及操作子系統(tǒng)；②伺服系統(tǒng)包括電動機；③機床電氣；④機械本體床身、立柱、導(dǎo)軌和絲杠等；⑤刀庫機械手系統(tǒng)；⑥自動工作臺交換系統(tǒng)等。每一個子系統(tǒng)根據(jù)實際情況，都可以做出相應(yīng)的價值評估。
2.1.2 評估改造后能達到的目標，即有什么樣的機床準確度和使用性能。
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(guān)。投人的改造費用主要由下列項目構(gòu)成：①數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)伺服系統(tǒng)；②機床電氣及附件更換；③機床機械元部件準確度修復(fù)和維修保養(yǎng)；④機床輔助系統(tǒng)如液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等維修保養(yǎng)；⑤機床外觀質(zhì)量的修復(fù)；⑥機床改造后的調(diào)試檢測；⑦機床改造所需的技術(shù)勞務(wù)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(fēng)險評估。在做改造方案時，不可能對設(shè)備進行現(xiàn)狀大解剖，不可能拿到機床現(xiàn)狀準確測試數(shù)據(jù)，因此在以后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(fēng)險評估和制訂相應(yīng)對策。一般做法是在工程項目費中，設(shè)置不可預(yù)見費用。
2.1.5 性能價格比評估。為了在經(jīng)濟上有定量分析的依據(jù)，常選一臺現(xiàn)在市場上性能相似的商品價格作為標準進行比較。
2.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
數(shù)控系統(tǒng)是機床的核心，在選擇時要對其性能、經(jīng)濟性及維修服務(wù)等進行綜合考慮。數(shù)控系統(tǒng)主要有3種類型：步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)；異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其中步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機、功率步進電機等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。該系統(tǒng)的位移準確度主要決定于步進電機的角位移準確度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距準確度，所以系統(tǒng)的位移準確度較低。但該系統(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。
2.3 伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，它既是數(shù)控系統(tǒng)CNC系統(tǒng)與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)。它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。例如，數(shù)控機床的最高移動速度、跟蹤度、定位度等重要指標均取決于伺服系統(tǒng)的動態(tài)。伺服系統(tǒng)按控制方式分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)三類。在普通機床的數(shù)控化改造中，一般選用價格較低的開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.4 機床機械部件的改造
一臺新的數(shù)控機床，在設(shè)計上要達到很高的動態(tài)剛度；運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。機床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達到此要求，并注意下述幾方面。
2.4.1 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)向度和工藝外，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)。
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(shù)控機床上使用的齒輪準確度等級都比普通機床高。
2.4.3 滑動絲杠與滾珠絲杠。絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈準確度。絲杠的選用主要取決于加工件的準確度要求和拖動扭矩要求。
2.4.4 聯(lián)軸器。為了消除傳動系統(tǒng)中的反向間隙,提高重復(fù)定位度，伺服驅(qū)動元件所用的聯(lián)軸器多數(shù)采用無鍵連接，如錐銷剛性聯(lián)軸器,錐環(huán)聯(lián)軸器等。
2.4.5 回轉(zhuǎn)刀架。一般改裝的車床多數(shù)采用四工位自動回轉(zhuǎn)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(jù)實際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。
3 數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)方法
3.1 基于單片機的數(shù)控系統(tǒng)
基于單片機的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)一般采用步進電機作為驅(qū)動元件，步進電機采用脈沖方式工作，基本原理是：系統(tǒng)中的鍵盤用于向計算機輸入和編輯零件加工程序；采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息；存儲器用來存放監(jiān)控程序、鍵盤掃描程序、顯示驅(qū)動程序及用戶控制代碼程序等；功率放大器用來對計算機送來的脈沖進行功率放大，以驅(qū)動步進電機帶動負載運行。需要完成的具體任務(wù)有：
3.1.1 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。一般采用51系統(tǒng)單片機作為主控制器，在此基礎(chǔ)上擴展一些必要的器件如ROM、鍵盤等。
3.1.2 軟件設(shè)計。包括：監(jiān)控與操作軟件,用來實現(xiàn)人機對話、系統(tǒng)監(jiān)控、指揮整個系統(tǒng)軟件協(xié)調(diào)工作等，包括系統(tǒng)的初始化、命令處理循環(huán)、零件加工程序的編輯修改等；步進電機控制軟件，包括：通電狀態(tài)代碼和電動機正、反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)；步進電機轉(zhuǎn)速的控制。
3.2 基于ARM與運動控制器的數(shù)控系統(tǒng)
3.2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)硬件采用主從式雙CPU結(jié)構(gòu)模式。主CPU為ARM處理器，用于鍵盤、顯示，網(wǎng)絡(luò)通訊等管理工作,而從CPU即為運動控制芯片，專門負責(zé)運動控制的處理工作。ARM處理器通過總線操作，把命令寫入運動控制芯片，使運動控制芯片來完成運動控制。
3.2.2 操作系統(tǒng)及編程語言。為了最大地利用系統(tǒng)硬件資源，并且還要保證實時性，所以使用了μC/OS多任務(wù)實時操作系統(tǒng)。使用到μC/OS操作系統(tǒng),通過它實現(xiàn)多任務(wù)實時控制。程序的編程語言為C語言以及ARM匯編語言。
3.3 基于PC機的數(shù)控系統(tǒng)
近年來，以工業(yè)PC機為核心的控制系統(tǒng)已廣泛地被工業(yè)控制領(lǐng)域所接受。采用工業(yè)PC機在WIN-DOWS操作系統(tǒng)下通用的數(shù)控系統(tǒng)，已成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的潮流?；诠I(yè)PC機的數(shù)控系統(tǒng)采用的是標準的PC硬件和操作系統(tǒng)，因此易于進行模塊化和開放式的設(shè)計。開放式數(shù)控系統(tǒng)是目前新型數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)的主流。系統(tǒng)采用工業(yè)PC機+運動控制器結(jié)構(gòu)組成,主要包括工業(yè)計算機、運動控制卡以及伺服系統(tǒng)等。
4 結(jié)論
進行機床數(shù)控化改造要將改造的重點放在電氣、控制系統(tǒng)的改造上，機械部分只對影響準確度的重點部件進行改造。這樣可縮短改造周期，降低改造成本，并利于對系統(tǒng)進行再次升級。隨著社會的不斷發(fā)展以及技術(shù)的不斷進步，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，必將帶動數(shù)控機床改造技術(shù)的進步與發(fā)展。
參考文獻
[1]趙中敏.機床數(shù)控化改造的研究［J］.煤礦機電，2005.
[2]楊有君.數(shù)控技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.
[3]富大偉,劉瑞素.數(shù)控系統(tǒng)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.
[4]劉麗云，王元娥.普通機床數(shù)控化改造中要考慮的主要問題［J］.裝備制造技術(shù)，2007.
關(guān)鍵詞：計算機；機床；數(shù)控化；改造；方案
數(shù)控技術(shù)是指用數(shù)字、文字和符號組成的數(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)。數(shù)控一般是采用通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C實現(xiàn)數(shù)字程序控制，因此數(shù)控也稱為計算機數(shù)控(Computer Numerical Control)，簡稱CNC。計算機按事先存貯的控制程序來執(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。由于采用計算機替代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貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現(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。
1 數(shù)控機床概述
數(shù)控機床就是將加工過程中的各種操作（如主軸變速、進刀與退刀、開車與停車、選擇刀具等）和步驟，以及刀具與工件之間的相對位移量都用數(shù)字化的代碼或程序來表示，通過控制介質(zhì)（如穿孔紙帶或磁帶、磁盤等）將數(shù)字信息送入專用的或通用的計算機，計算機對輸入的信息進行處理與運算，來控制機床的伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件，使機床自動加工出所需要的工件。
2 機床的數(shù)控化改造方案
2.1進行改造項目的可行性評估
2.1.1 對其價值做出評估。例如一臺加工中心，主要構(gòu)成的機電部件有：①系統(tǒng)及操作子系統(tǒng)；②伺服系統(tǒng)包括電動機；③機床電氣；④機械本體床身、立柱、導(dǎo)軌和絲杠等；⑤刀庫機械手系統(tǒng)；⑥自動工作臺交換系統(tǒng)等。每一個子系統(tǒng)根據(jù)實際情況，都可以做出相應(yīng)的價值評估。
2.1.2 評估改造后能達到的目標，即有什么樣的機床準確度和使用性能。
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(guān)。投人的改造費用主要由下列項目構(gòu)成：①數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)伺服系統(tǒng)；②機床電氣及附件更換；③機床機械元部件準確度修復(fù)和維修保養(yǎng)；④機床輔助系統(tǒng)如液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等維修保養(yǎng)；⑤機床外觀質(zhì)量的修復(fù)；⑥機床改造后的調(diào)試檢測；⑦機床改造所需的技術(shù)勞務(wù)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(fēng)險評估。在做改造方案時，不可能對設(shè)備進行現(xiàn)狀大解剖，不可能拿到機床現(xiàn)狀準確測試數(shù)據(jù)，因此在以后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(fēng)險評估和制訂相應(yīng)對策。一般做法是在工程項目費中，設(shè)置不可預(yù)見費用。
2.1.5 性能價格比評估。為了在經(jīng)濟上有定量分析的依據(jù)，常選一臺現(xiàn)在市場上性能相似的商品價格作為標準進行比較。
2.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
數(shù)控系統(tǒng)是機床的核心，在選擇時要對其性能、經(jīng)濟性及維修服務(wù)等進行綜合考慮。數(shù)控系統(tǒng)主要有3種類型：步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)；異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其中步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機、功率步進電機等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。該系統(tǒng)的位移準確度主要決定于步進電機的角位移準確度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距準確度，所以系統(tǒng)的位移準確度較低。但該系統(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。
2.3 伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，它既是數(shù)控系統(tǒng)CNC系統(tǒng)與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)。它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。例如，數(shù)控機床的最高移動速度、跟蹤度、定位度等重要指標均取決于伺服系統(tǒng)的動態(tài)。伺服系統(tǒng)按控制方式分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)三類。在普通機床的數(shù)控化改造中，一般選用價格較低的開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.4 機床機械部件的改造
一臺新的數(shù)控機床，在設(shè)計上要達到很高的動態(tài)剛度；運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。機床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達到此要求，并注意下述幾方面。
2.4.1 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)向度和工藝外，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)。
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(shù)控機床上使用的齒輪準確度等級都比普通機床高。
2.4.3 滑動絲杠與滾珠絲杠。絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈準確度。絲杠的選用主要取決于加工件的準確度要求和拖動扭矩要求。
2.4.4 聯(lián)軸器。為了消除傳動系統(tǒng)中的反向間隙,提高重復(fù)定位度，伺服驅(qū)動元件所用的聯(lián)軸器多數(shù)采用無鍵連接，如錐銷剛性聯(lián)軸器,錐環(huán)聯(lián)軸器等。
2.4.5 回轉(zhuǎn)刀架。一般改裝的車床多數(shù)采用四工位自動回轉(zhuǎn)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(jù)實際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。
3 數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)方法
3.1 基于單片機的數(shù)控系統(tǒng)
基于單片機的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)一般采用步進電機作為驅(qū)動元件，步進電機采用脈沖方式工作，基本原理是：系統(tǒng)中的鍵盤用于向計算機輸入和編輯零件加工程序；采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息；存儲器用來存放監(jiān)控程序、鍵盤掃描程序、顯示驅(qū)動程序及用戶控制代碼程序等；功率放大器用來對計算機送來的脈沖進行功率放大，以驅(qū)動步進電機帶動負載運行。需要完成的具體任務(wù)有：
3.1.1 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。一般采用51系統(tǒng)單片機作為主控制器，在此基礎(chǔ)上擴展一些必要的器件如ROM、鍵盤等。
3.1.2 軟件設(shè)計。包括：監(jiān)控與操作軟件,用來實現(xiàn)人機對話、系統(tǒng)監(jiān)控、指揮整個系統(tǒng)軟件協(xié)調(diào)工作等，包括系統(tǒng)的初始化、命令處理循環(huán)、零件加工程序的編輯修改等；步進電機控制軟件，包括：通電狀態(tài)代碼和電動機正、反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)；步進電機轉(zhuǎn)速的控制。
3.2 基于ARM與運動控制器的數(shù)控系統(tǒng)
3.2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)硬件采用主從式雙CPU結(jié)構(gòu)模式。主CPU為ARM處理器，用于鍵盤、顯示，網(wǎng)絡(luò)通訊等管理工作,而從CPU即為運動控制芯片，專門負責(zé)運動控制的處理工作。ARM處理器通過總線操作，把命令寫入運動控制芯片，使運動控制芯片來完成運動控制。
3.2.2 操作系統(tǒng)及編程語言。為了最大地利用系統(tǒng)硬件資源，并且還要保證實時性，所以使用了μC/OS多任務(wù)實時操作系統(tǒng)。使用到μC/OS操作系統(tǒng),通過它實現(xiàn)多任務(wù)實時控制。程序的編程語言為C語言以及ARM匯編語言。
3.3 基于PC機的數(shù)控系統(tǒng)
近年來，以工業(yè)PC機為核心的控制系統(tǒng)已廣泛地被工業(yè)控制領(lǐng)域所接受。采用工業(yè)PC機在WIN-DOWS操作系統(tǒng)下通用的數(shù)控系統(tǒng)，已成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的潮流?；诠I(yè)PC機的數(shù)控系統(tǒng)采用的是標準的PC硬件和操作系統(tǒng)，因此易于進行模塊化和開放式的設(shè)計。開放式數(shù)控系統(tǒng)是目前新型數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)的主流。系統(tǒng)采用工業(yè)PC機+運動控制器結(jié)構(gòu)組成,主要包括工業(yè)計算機、運動控制卡以及伺服系統(tǒng)等。
4 結(jié)論
進行機床數(shù)控化改造要將改造的重點放在電氣、控制系統(tǒng)的改造上，機械部分只對影響準確度的重點部件進行改造。這樣可縮短改造周期，降低改造成本，并利于對系統(tǒng)進行再次升級。隨著社會的不斷發(fā)展以及技術(shù)的不斷進步，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，必將帶動數(shù)控機床改造技術(shù)的進步與發(fā)展。
參考文獻
[1]趙中敏.機床數(shù)控化改造的研究［J］.煤礦機電，2005.
[2]楊有君.數(shù)控技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.
[3]富大偉,劉瑞素.數(shù)控系統(tǒng)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.
[4]劉麗云，王元娥.普通機床數(shù)控化改造中要考慮的主要問題［J］.裝備制造技術(shù)，2007.