本文首先介紹了機床數控化改造的必要性，然后簡單介紹了機床數控化改造的內容及其的優缺點，而重點在于介紹如何進行機床數控化改造，包括數控改造中對主要機械部件改裝探討、機床數控改造主要步驟和聯機調試要完成的工作。

一、機床數控化改造的必要性

數控技術是先進制造技術的核心技術，它的整體水平標志著一個國家工業現代化的水平和綜合國力的強弱，具有超越其經濟價值的戰略物資地位。目前我國企業機械制造整體水平與發達國家相比還有很大的差距。由于我國企業大部分數控機床和數控系統依賴進口，企業承受不了巨額購置費，且易受國外的控制，另外數控機械設備維修力量薄弱，進口的備件維修成本高，設備完好率低，大部分進口機床數控系統已經崩潰，有的甚至在進口后還沒使用就已因為各方面原因不能使用等等。因此目前我國企業機床數控化比例極低，不到5%，各企業使用的絕大部分為傳統老式機床，很難滿足企業高技術產品的生產需求和生產效率。為節約成本，進一步發揮老式傳統機床的功效和潛在價值，將大批傳統老式機床改造為數控機床是一種必然性和趨勢。

二、機床數控化改造的分類

機床的數控化改造可以分為以下幾種：

1、其一是恢復原功能，對機床存在的故障部分進行診斷并恢復；

2、其二是NC化，在普通機床上加數顯裝置，或加數控系統，改造成NC機床、CNC機床；

3、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，恢復原精度；對其不滿足生產要求的CNC系統以最新CNC進行更新；

4、其四是技術更新或技術創新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規模的技術更新或技術創新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。

三、機床數控化改造的內容

下面按第三種改造方式以車床數控化改造為例，結合我公司在機床改造中的實際操作情況介紹一下其改造的主要內容和主要結構形式。

1、進給軸的改造

普通車床的X軸和Z軸均由同一電機驅動，走刀運動經走刀箱傳動絲杠及溜板箱，獲得不同的工件螺距即Z軸運動；走刀運動經走刀箱傳動光桿及溜板箱，獲得不同的進刀量即X軸運動。普通車床數控化改造時一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用進給伺服（或步進）傳動鏈分別代替，具體體現為：

Z軸：縱向電機→減速箱（或聯軸器）→縱向滾珠絲杠→大拖板，縱向按數控指令獲得不同的走刀量和螺距。

X軸：橫向電機→減速箱（或聯軸器）→橫向滾珠絲杠→橫滑板，橫向按數控指令獲得不同的走刀量。

改造后整個傳動鏈的傳動精度在保證機床剛性的前提下，與滾珠絲杠副的選擇和布置結構形式、機床導軌的精度情況等有很大的關系。

1）、滾珠絲杠副的選擇和布置結構形式

普通車床大多采用的是T型絲杠等滑動絲杠副，與滾珠絲杠副相比摩擦阻力大、傳動效率低，不能適應于高速運動。另外由于磨損快，造成其精度保持性和壽命低等等，在進行普通機床數控化改造時往往都將其更換為滾珠絲杠副。滾珠絲杠副有以下一些特點：摩擦損失小，傳動效率高，可達0.90～0.96；若使用的絲杠螺母預緊后，可以完全消除間隙，提高傳動剛度；摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩，不易產生低速爬行現象；磨損小、壽命長、精度保持性好。但應注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉運動轉換為直線運動，或將直線運動轉換為旋轉運動，因此絲杠立式和傾斜使用時，應增加制動裝置或平衡裝置。

滾珠絲杠副根據其滾珠的回轉方式可以分為外循環和內循環兩種，根據螺母的結構形式又可以分為雙螺母和單螺母。在進行改造時應根據具體情況和結構形式來定，由于外循環式絲杠副螺母回珠器在螺母外邊，所以很容易損壞而出現卡死現象，而內循環式的回珠器在螺母副內部，不存在卡死和脫落現象。由于雙螺母不僅裝配、預緊調整等比單螺母方便，而且其傳動剛性比單螺母也好，所以只要結構和機床空間滿足要求，在普通機床數控化改造中多選內循環式雙螺母結構。

改造時各軸滾珠絲杠的直徑一般都是與原T型絲杠直徑相近，對有特殊要求的機床還應根據桿系的穩定性計算其臨界轉速，最終確定滾珠絲杠的直徑。絲杠導程在滿足機床改造后性能的前提下越小，對機床的傳動精度越有利。機床的傳動精度在保證機床剛性的情況下，與絲杠副本身的精度和軸承布置形式有很大的關系，一般在普通機床改造中絲杠副選P4級即可滿足要求，特殊精密機床選P3級甚至更高。絲杠副軸承常見的布置形式根據不同的需要可以分為以下幾種，如圖1。

圖1 絲杠副軸承的布置形式

(1).圖1－a中為一端固定，一端懸空的布置方式。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度低，僅適應于短絲杠，如數控機床的調整環節或升降臺式數控銑床的垂直坐標中。

(2).圖1－b中為一端固定，一端支承的布置方式。這種安裝方式多在絲杠較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承得數量，轉速不高時多用更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。

(3).圖1－c和1－d中為兩端固定的布置方式。這種布置方式絲杠副得支承剛性最好，通過軸承的預緊力預拉伸絲杠，以減少絲杠熱變形的影響。這種方式多用在絲杠長度不大得情況，但設計時要注意提高平面球軸承的承載能力、支承剛度以及絲杠裝配時的預拉伸量，否則會影響軸承壽命，同時也會因為預加負載得不易控制而增加電機的附加扭矩。

2）、機床導軌

普通車床導軌大多采用的是滑動導軌，其動、靜摩擦系數大，在使用一段時間后都會有不同程度的磨損，對機床傳動精度和其保持性帶來很大的影響。因此在對其進行數控化改造的同時必須針對機床導軌狀況進行必要的檢修處理，對于磨損較嚴重的更要進行大修，即進行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時采用合理的潤滑，充分保證其精度。

3）、電機與絲杠的聯接

在滿足機床要求的前提下，為減少中間環節帶來的傳動誤差，我們多將電機與絲杠副通過聯軸器直接聯接，這要根據改造中實際情況來定。一般對于小型車床如C6116型，由于空間尺寸有限，特別是X軸，電機與絲杠副不能直聯，多采用齒輪副或同步帶論來傳動；對于大型車床如C6150,床身長5米的車床，由于絲杠較長，直徑較大，除了要考慮傳動力的問題，還要考慮其低速性能及加減速慣量匹配的問題，往往電機都要通過幾級減速來傳動。無論是采用齒輪還是同步帶論來傳動，其傳動間隙的消除是比較關鍵的。齒輪傳動中常用的方法有錯齒消隙法、偏心軸調整法等等，同步帶論傳動中多采用調整中心距或張緊輪消隙法。

2、主軸部分的改造

車床主軸帶動工件以不同轉速旋轉是車削加工中的主運動，消耗機床大部分動力。普通車床由主電動機經皮帶傳動，經主軸變速箱帶動主軸旋轉，主軸箱經手動或自動變速獲得（9～24）級轉速，通過電磁或液壓離合器操縱主軸的變速和正反轉；而數控車床主軸箱由電主軸或傳統機械主軸單元加變頻電機和變頻器組成。普通車床在數控化改造時大部分情況下保留原主軸箱，不做改動或少做改動。如需改動則要注意以下幾點：

如原主軸含液壓操縱主軸的變速、正反轉和潤滑功能，則需對其增裝單獨普通電機加以驅動，避免液壓系統受到主電機正反轉或轉速變換而失靈。

如不需要原有機械變速換擋時，則需將主軸箱內齒輪組固定在一恒定的速度鏈上，摩擦片也應焊死以免因為誤操作出現事故。

機床能否進行螺紋加工是主軸部分數控化改造的另一重要部分，傳統車床加工螺紋時往往是通過掛輪組來完成，加工不同的螺紋則需不同的掛輪組，操作起來十分麻煩。改造時如圖2，我們通常在主軸末端或掛輪架處增裝一光電編碼器，其轉速與主軸轉速一致，主軸轉一周，光電碼盤轉一轉，通過反饋給系統控制進給軸與主軸的同步性，從而加工出理想螺距的螺紋。根據其編碼方式的不同，光電碼盤可分為增量式光電碼盤和絕對式光電碼盤，目前國內常用的為增量式光電碼盤。根據光電碼盤上刻線條數可分為1024線、2048線等，我們常用的為1024線即可滿足要求。

圖2 主軸編碼器安裝圖

3、刀架部分的改造

目前數控車床刀架基本為電動刀架，其特點是定位更準確、迅速。老式傳統車床刀架多為手動、液壓驅動或少部分的電動，改造時可以根據需要對其加以更換。

電動刀架可分為臥式轉塔刀架（一般安裝8～12把刀）和立式電動刀架，立式電動刀架有四工位（或六工位），其中每一種刀架又有抬刀刀架（兩端齒盤）和免抬刀刀架（三端齒盤）之分。臥式轉塔刀架價格相對較貴，改造中常用立式四工位電動刀架。

4、潤滑部分的改造

老式傳統車床除主軸箱外，導軌、絲杠副、光桿等多用油槍定期注油潤滑和油脂潤滑，這對機床的導軌、絲杠副等的精度保持很不利，在同等驅動下機床運動的穩定性、靈活性也差一些。

圖3 機床的潤滑

在對這些機床改造時一般都要對其潤滑部分進行相應的改動，，采用稀油集中定量、定時供油潤滑的方式，可分為手控潤滑和編程自動潤化兩種，在機床導軌、絲杠副布置好油路后可根據需要任選一種。

絲杠支承軸承一般采用油脂潤滑，如特殊需要和供油充分的條件下也可采用稀油潤滑。

5、機床防護

機床改造后整個防護分局部防護、半防護和全防護三種。

局部防護只對絲杠副、電機、走線等采取防護措施。半防護是在局部防護的基礎上增加切削的保護，即增加擋屑裝置。全防護即在局部防護的基礎上對整個機床加以封閉，此種防護最難處理，考慮的因素也很多如安裝位、防水、美觀等。實際操作起來以前兩種最多，也最易操作。

四、機床數控化改造的聯調

機床安裝、系統各參數按要求設置完成之后，在機電聯調時還需完成各種動作試驗、功能試驗、空運轉、負荷試驗，檢驗機床數控化改造后是否滿足要求。

1、空運轉前的檢查

通電前機床外觀檢查（檢查機床各部位的裝配質量，使他們能在通電后正常工作）。

（1）重要固定結合面應緊密貼合，用0.03塞尺檢查時應該插不進，滑動導軌面的端部用0.03塞尺檢查深度小于20mm。重要固定結合面為床頭箱與床身的結合面，轉塔刀架底座與滑板的結合面，尾座體與尾座底板的結合面，床身與床身（拼結床身）的結合面，鑲鋼導軌與基礎件的結合面等。

（2）仔細檢查各個箱體及各個運動部件是否按要求加油，箱體中的油平面不得低于油標線以下。冷卻箱中是否有足夠的冷卻液，液壓站、自動間歇潤滑裝置的油是否到油位指示器規定的油位，電器控制箱中的各開關及元器件是否正常，各插裝集成電路板是否到位，通電啟動集中潤滑裝置使各潤滑部位及潤滑油路充滿潤滑油。

2、各種動作試驗

（1）手動操作試驗

如車床依靠手動使刀架沿X、Z正負方向運動和單向進給運動。主要是試驗手動操作的準確性，此功能多在加工對刀時要用。

（2）點動試驗

在點動狀態下使刀架先慢后快運動，并進行倍率變換。

（3）主軸變檔試驗

主軸變擋試驗可按說明書中規定的變檔指令進行。

（4）超程試驗

各軸做正負兩個方向的超程試驗。機床超程保護有兩種，一是軟件存儲極限保護，另一種硬件保護。超程狀態表現為控制機報警和屏幕上有顯示，另外液壓站電源切斷。如果超程保護不起作用，將造成機械部件損壞。

3、功能試驗

（1）功能試驗

用按鍵、開關、人工操縱對機床進行功能試驗。試驗其動作的靈活性、平穩性以及功能的可靠性。

（2）任選一種主軸轉速做主軸啟動、正轉、反轉、停止（包括制動）的連續試驗，連續操作不少于七次。

（3）主軸高、中、低轉速變換試驗。轉速的指令值與顯示值允差為±5%。

（4）任選一種進給量，將啟動、進給和停止動作連續操作，在X、Z軸的全部行程上，連續做工作進給和快速進給試驗。快速行程應大于1/2全行程，正反方向連續操作不少于七次。

（5）在X、Z軸的全行程上，做低、中、高進給量變換試驗。

（6）轉塔刀架進行正反方向轉位和各種轉位夾緊試驗。

（7）液壓、潤滑、冷卻系統做密封、潤滑、冷卻性能試驗，做到不滲漏。

（8）卡盤做夾緊、松開、靈活性及可靠性試驗。

（9）主軸做正轉、反轉、停止及變換主軸轉速試驗。

（10）進給機構做低、中、高進給量及快速進給的變換試驗。

（11）用數字控制指令進行機床的功能試驗，試驗動作的靈活性和功能的可靠性。

（12）試驗進給坐標超程、手動數據輸入、位置顯示、回基準點，程序序號顯示和檢索、程序暫停、程序刪除、直線插補、直線切削循環、錐度切削循環、螺紋切削循環、圓弧切削循環、刀具位置補償、螺距補償、間隙補償等功能的可靠性、動作靈活性等。

4、空運轉試驗

（1）主運動機構運轉試驗

在不切削狀態下，試驗主軸運轉時間的溫度變化和空載功率。機床主運動機械由低、中、高三檔轉速，有級變速為全部轉速運轉時間不少于2分鐘，在最高轉速段不得少于1小時，使主軸軸承達到穩定溫度。檢查主軸軸承的溫度不超過70℃。

（2）連續空運轉試驗

用數控程序指令全部功能做（不切削）連續運動和回轉試驗。其運動時間不大于15分鐘。每個循環終了停車，并模擬松卡工作，停車不超過一分鐘，根據客戶不同的要求連續運轉48h～72h。

5、試切

在機床各項幾何精度和運動精度滿足要求后，應按相應標準和自定標準加工工件，以檢測機床數控化改造后的加工性能。有的除了要進行必要的精加工外，還要進行一定的負荷試驗，以檢查其精度的穩定性。

在上述各項試驗滿足要求后，機床數控化改造后的聯調工作也就完成了。