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加工中心是一種用途極為廣泛的金屬切削機床，其加工效率通常要比刨床高。加工中心可以分為普通加工中心和數控加工中心，其中數控加工中心是一種加工能力很強的數控機床，是典型的機電一體化產品，能實現機械加工的高速度、高精度和高度自動化［1］。

性能穩定、制造快捷、功能齊全的數控加工中心一直是制造業長期追求的目標［2］。普通機床各部件經過長期自然時效、引入數控系統可在不保留原有加工精度基礎上提高可操作性，且就地改造方便快捷，適用于短期快速大批量制造，因此國內外研究人員在傳統老舊機床改造方面做出了大量的工作。李德榮等在法蘭克系統的基礎上詳細介紹了 XA5032 加工中心的設計步驟和連接調試過程，可將改造后機床的定位精度控制在

±0. 005 mm［3］; 徐靜亞等實現了 MaKin 普銑的數控化改造，提高了原機床曲面加工的精度且加工效率提高了 3 ～ 7 倍［4］; 李建華等在保持機床精度的基礎上將機床采購成本降低 60%［5］; T MIKOLAJCZYK 等使用自主在上位機上開發的數控軟件，實現了老舊機床的再制造［6］。作者在此基礎上對 X52A 加工中心數控化改造流程進行研究，并以固高系列工控機為基礎開發對應的上位機控制系統。

1 數控加工中心的工作原理

數控加工中心可以用來自動銑削齒輪、樣板、模板等零件的曲線形面，在加工前只需預先按照工件圖紙的尺寸及加工要求編制程序，將編制好的程序輸入CNC 系統中，然后機床會按照程序預先編定好的軌跡向機床的 3 個脈沖電動機發出指令脈沖，各電機將按照數控裝置發來的指令脈沖，驅動各自的傳動齒輪及滾珠絲杠，使工作臺在 X、Y、Z 3 個方向移動，實現銑刀和工件之間按照預定軌跡的相對運動，完成零件的加工。數控系統的硬件框圖如圖 1 所示。

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圖 1 數控系統的硬件框圖

2 數控改造的特點

2. 1 節約成本，提高生產速度

以原有加工中心為依托進行改造，成本較為低廉［7］，一般為采購相應新設備的 20% ～ 40%。對于大型制造類企業的批量化改造，可將再造成本控制在采購費用的 25%左右，且改造周期短，方便投入生產制造環節。對于關鍵位置的破壞磨損，如主軸、導軌等，由于需要重新更換且對安裝精度有一定要求，改造成本相對提高 2 ～ 3 倍，總費用約為購置費用的 1 /2 左右。

2. 2 床體結構穩定、加工性能可靠

保留加工中心原有的床身、立柱等大型鑄造件，避免了框架式焊接件帶來的不穩定因素。改造后機床的各部件仍以原機床為基礎，各零部件經過長期的自然時效，經過調整甚至可以取得較高精度。

2. 3 可充分利用現有的條件

技術人員對機床就地改造，掙脫了改造場地的限制，避免了設備搬運過程帶來的二次破壞，提高了再制造效率。

2. 4 融入最新的控制技術

數控技術不斷地發展和革新，由于自主研發改造，后期維護方便，可快速對控制軟件升級優化并將新的控制方法應用到改造環節中，使改造后的設備與先進的控制及加工方式相適應，使其具有較高的檔次。

3 普通加工中心的改造流程

以 X52A 普通加工中心為例，對機床的機械傳動結構進行簡單的改造。以Pascal 編寫的上位機控制系統如圖 2 所示，可完成 NC 代碼識別加工并實時顯示加工過程中的狀態信息。

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圖 2 上位機軟件

用這種方法制造出的加工中心成本較低，具有 3 個坐標軸，兩軸聯動、三軸聯動功能，主要取決于被改造機床的類型; 改造后的機床可以加工平面、型腔、曲面和殼體零件，如各類模具、樣板、凸輪和連桿等，也能加工具有一定精度要求的孔系。作者主要從 4 個方面對普通加工中心進行改造: 對原有機床進行故障診斷，并對有問題的機床進行修復; 以 PC 機或工控機作為改造后加工中心的數控顯示系統; 為提高改造后機床的加工精度及加工效率，對機床的重要部位進行翻新或重設計; 技術更新或技術創新，為了使性能和檔次得到提高，或者為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上，對其加工水平進行了較大程度的更新改造。

3. 1 電機及檢測裝置

步進電機拖動的開環系統，滿足大部分加工中心的改造需要，價格便宜［8］。這種方式不需要對加工狀態進行檢測，其加工精度主要由機械傳動部分決定，因此機床加工精度相對較低。異步電動機或直流電機拖動、光柵測量反饋的閉環數控系統，改造過程中主要側重于考慮機床的加工精度、人機交互性能及電動機的額定功率等因素。由交/ 直流伺服電機拖動，采用編碼器反饋的半閉環數控系統，根據改裝精度、用戶需求等確定電機功率。

綜合上述 3 種方法，保留原有機床的電氣部分不變，選用 4 kW 的異步電動機和相應的伺服放大器加編碼反饋來驅動主軸，通過對開環變頻進行調整來適應不同轉速的加工。電源由熔斷器 QF 引進，在系統上電前采用隔離變壓器抑制共模和差模干擾，常開觸頭 Km1 與控制系統同時上電，電路圖如圖 3 所示。

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圖 3 系統電源電路

3. 2 主傳動系統的改造

主傳動系統可以采用單片機作為一種開環系統，但考慮復雜程度和工作的可靠度，文中對此種改造方式不進行詳述［9］。對傳動系統的改造主要從導軌、齒輪、絲杠及安全防護 4 個方面進行論述。

( 1) 改用低摩擦因數的導軌

數控機床要求導軌具有較高的導向精度、高的剛度、高的耐磨性及低速均勻性。改造措施是在原導軌上粘接聚四氟乙烯軟帶，并對軟帶進行定期更換。

( 2) 齒輪副

齒輪副主要存在于主軸箱和變速箱中，如果齒輪副傳動間隙過大，則加工精度就很難提升。在具體的改造實施過程中，保留 Z 軸原有的齒輪結構，配合減速比為 1 ∶ 4 的減速箱以提高加工精度。為提高改裝精度，在 X、Y、Z 3 個軸方向選用預加載荷雙齒輪齒副，以降低傳動間隙。

( 3) 滑動絲杠與滾珠絲杠

普通加工中心一般選用不低于 6 級的滑動絲杠，與無間隙絲杠相比，滑動絲杠雖然價格較低廉，但精度比較低，而絲杠傳動直接關系到傳動鏈精度。數控機床在高進給速度下，要求工作平穩、定位精度高。因此，對數控加工中心中的機械傳動裝置和元件，應選用具有高壽命、高精度、無間隙的絲杠［10］。

文中采用導程為 6 mm 的滾珠絲杠替換原有普通加工中心的絲杠，并對 3 根軸采用異步電動機控制，保持工作臺與主軸的進給速度為 1 ∶ 4。

( 4) 安全防護

要定期對機床進行檢查。首先檢查加工中心各部分機構是否正常，然后在低速狀態下開啟加工中心，判斷有無異聲，如發現不正常，應立即進行調整修理。在工作臺的 X、Y、Z 3 個方向的往返行程開關的極限位置處均裝有限位裝置。機床使用時，行程擋鐵不許超過規定范圍，更不許任意拆卸擋鐵，以防止工作臺移動時超過行程極限而損壞絲杠等機床零件。床身和滑動導軌端面要可靠密封，防止切削物等硬質物進入摩擦副造成導軌損傷破壞。

3. 3 老舊加工中心再制造一般流程

根據以上分析，總結的加工中心改造一般流程如圖 4所示。

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圖 4 加工中心改造一般流程

4 改造優勢及應注意的問題

長期運行的老舊設備各項參數可精確計算，且操作人員對設備熟悉，只需簡單培訓就可快速掌握操作方法。機床各部件經過長期磨合，可穩定運行不易出現大的變形及加工誤差。為確保改造后機床的質量，對改造過程提出以下要求:

( 1) 改造前，徹底評估機床零部件的各項參數，檢查和修復損壞部件，更換絲杠等損壞的關鍵零部件，盡量恢復或在原有基礎上提高機床的加工精度，確保在數控化改造后不影響原機床的精度。

( 2) 數控化原設備同時，盡可能保留原有的手動方式，如手輪操作。

( 3) 柱坐標加工設備或旋轉框架式結構改造中，將支撐件設計為可拆卸式或活動結構，為柱坐標加工提供條件。

5 結語

在全面考慮目前生產狀況和加工實際的基礎上，提出了數控加工中心改造的一般流程，保留床身、刀架等結構不變，以伺服電機加滾珠絲杠替代部分傳動機構，簡化原有傳動系統; 采用自主開發的控制軟件，方便技術人員升級維護; 就地操作，不受改造場地的限制，是機床設備升級換代或改造的重要手段。

傳統老舊加工中心的數控化改造及分析

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