本文从经济实用、稳定可靠性等方面考虑对X5032普通立式铣床进行数控改造立项研究时，结合X5032型立式铣床进行主运动、进给运动传动系统、电路改造设计、PLC设计与编程、数控装置分析、计算以及选型匹配。使机床数控改造后，数控铣床具备程序存储和编辑等功能；主轴变频交流电机达到50-3000RPM/min的无级调速；机床实现三轴联动；系统可控制起止和故障报警；可以有效的进行微机通讯等；数控化改造的机床具有刚性良好；摩擦小，传动间隙能控制等。
X5032数控铣床改造最重要的包含伺服驱动系统、滚珠丝杠螺母传动副设计的计算，传动系统结构设计选型与参数计算。去除原机床纵、横向与垂向的齿轮进给传动系统、进给手柄等，将伺服电机与滚珠丝杠连接。主传动系统模块设计拆除机床主轴，重新设计主轴。使用交流变频调速器来对主轴电机进行变频调速。
配置的华中世纪星HNC-21M数控系统是一个基于开放式体系结构，内置嵌入式工业PC数控系统。具备低价格、配置灵活、高性能、使用简单容易的特点。华中数控系统由输入输出模块、主轴变频驱动模块、三轴伺服进给运动驱动控制模块、网络数控传递模块、润滑与冷却系统等模块。克服以往简易数控系统功能的缺点，具备手工编程简单，机床操作容易、加工适合使用的范围广，并可通过CAM软件编程实现各种复杂曲面的轨迹逻辑控制，实现对复杂零件曲面的完美加工。
此项改造通过试运行、试切以及机床误差调整，总结出该机床系统存在的问题，以及相对应的改进措施方案与实施。从而系统地进行了软、硬件的联合调试，并对实验结果进行全面分析与总结；并提出了改进的措施。通过不断的完善与修正，达到更可靠、安全与稳定运行的使用目的需要。
现代机械制造业的一次伟大的革命那就是数控技术的应用及加快速度进行发展，东西方工业发达的国家相继都把发展应用数控技术作为工业技术革新的重点战略。数字控制机床的设备状况、机床分布情况，以及制造企业数字控制机床的拥有量，标志着一个国家工业现代化水平的高低。
当前，数控技术已大范围的应用于在国内的航空军事、机械加工、汽车制造、化工生产、公共交通、医药卫生等领域等方面得到迅速而广泛地应用。数字控制机床己经覆盖金属切割机床的大多数品种，为国民经济提供了一批先进适用的技术装备。
随着数字控制机床应用场景范围的逐渐扩大，现代机械制造业正面临着解决零件批量小，产品形状复杂，结构多变，加工精度要求却较高的生产的基本工艺要求，所以越来越多的企业将目光投向数控机床设备。这样做一方面造成生产成本的增加，另一方面又造成原有普通机床设备的浪费。因此，从企业的实际需求与经济性来看，对普通机床的数控化改造就显得尤为重要，主要表现在：
1．数控机床可加工形状复杂的曲线．数控机床比传统机床生产效率可提高3-7倍；
5．具备自动报警监控、自动补偿、自动保护等多种强大功能，可实现有限时长的无人值守[1]。
当前我国大多数企业所使用的加工设备多为普通机床，并且多数为超年限工作，更有甚者是上个世纪五、六十年代的产品。使用这些机床加工出来的产品普遍质量低，成本高，在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响企业生存与发展。自改革开放以来，我国引进了大量的国外技术与装备，这些设备了普遍存在技术更新的必要。因此就必须大力提倡普通机床的数控化改造[2]。
我们提出的对X5032型铣床的数控改造是一个典型的铣床数控化改造实例，对于提升机械加工生产效率，改善操作工人劳动强度，提高零件加工精度与生产效益具有重要的意义，能够创造较好的经济效益和社会效益。
我国是机械加工机床设备的产销大家。但国内的机床设备产品总体技术水平还很低，在国际上不具备竞争力，占有率也不高。但是国内的数控机床的品种和规格很多。
在产品周期进行变换的生产企业，选择一种适应零件加工周期性变化的经济型数控机床，用来确保生产零件的精度，零件尺寸的一致性，提高生产效率。而采用数控机床可以解放一些劳动强度大的手工操作。所以通过普通机床改造而成的经济型数控机床，是一个低成本，高回报的普通机床设备升级方法。因此，我们提出了这一普通机床数控化改造的研究课题。
当前，针对陈旧普通机床进行数控化改造国内、外还未有统一的方法，这样，怎样针对企业的陈旧机床的现有设备状态进行数控化改造是研究的主要内容。
数控机床改造的评定指标是改造后数控机床的可靠性、可维修性、先进性、经济性等方面；对改造后的数控机床的设备状态、精度与性能、稳定性等方面进行全面的评估，给出进一步调整与精度控制的思路与方法。
X5032立式铣床是90年代中期制造的普通机械加工机床，使用了10年左右，机床的基础件具有良好的刚性，保持有适当的几何与运动精度，可通过修复和更换，使用性能基本可达到现代同类机床相当的水平，所以对其进行数控化改造的基本硬件基础条件是比较理想的。
由于X5032普通立铣的适应性差，生产效率低，应用成本高。因此该机床的功能已不能满足市场对新产品的产品质量与生产效率要求。通过机床数控化改造能够效解决这些问题；并且能通过数控化改造提高机床的加工性能与加工范围，提高机床的精度和加工效率，实现原有生产设备的低成本高效率的数控化改造升级。预计本次数控化改造仅需资金3~4万元，而购买一台类似的国产数控立铣机床却需花费15~20万元左右，同时又因为购买新设备的供货周期长。数控化改造可以根据企业的实际生产需求合理安排改造时间，在确保生产顺利进行的基础上进行数控化改造，可以达到既保证生产效益，又能控制改造成本的目的[3]。
综合所述，对X5032普通立式铣床进行数控化改造，既可保证实际生产上需要，又在技术性上也更具有可操作性，并且经济性上更是合理可行的。
普通机床的数控化改造在现今的企业生产实践中，将起到降低成本，提高生产效率的重要作用，然而目前我国企业生产中主要使用的设备仍然是普通机床，仅复杂而精度要求高的零件才使用数控机床。本次改造是在企业的X5032型普通铣床上进行。针对数控化改造涉及到主传动、进给传动、强电控制与PLC系统、数控装置及元件等内容，开展以下几个方面的工作：
1．X5032机床数控化改造总体方案设计在原有机床的基础上进行数控化改造的总体设计，然后对原机床的机床布局、结构刚性特征进行分析，确定改造将选用的电机、丝杠等核心零部件的规格，以及进行伺服进给系统的运动和动力设计。通过必要的一系列计算，确立选择配件的合理尺寸与规格。
2．机床改造电气控制系统的选定 结合原有机床条件以及经济型数控机床的控制特点，分析研究本次改造数控系统与强电电路的接口电路。决策使用工控机实现对电路的控制，并将对键盘和显示器接口、操纵按钮及操纵面板进行了规划设计。
3．制定改造工作过程方案 决策制定后，进行系统软、硬件的联合调试、数控系统中的PLC程序设计及调试、数控系统的调试的方案与步骤，确保数控机床的精度与稳定性。
4．在改造过程进行之后，进行机床进行加工实验，并对实验结果进行综合分析，并对整个系统进行进一步的PLC调整与误差补偿操作。通过改进使数控改造扣的机床能够达到更具高效性、更具经济性，功能上也更加强的目的，能够适应企业数控化改造后设备的工作稳定性与加工精度的需要。
金属切削机床的主传动是用来实现切削运动中的主要切削运动的传动系统，它必须具备极高的转速与适当的变速范围，并消耗大量的功，使用各种材质的刀具来加工各种材质的材料、获得相关尺寸精度的零件，并能满足对运动的启止、换向、变速和制动等功能的要求。
目前，数控机床的主传动系统一般采用交流电机或直流电机的无级调速系统，优点是机械机构大幅度减化，易于实现自动调速、连续变速和在工作中带负载变速。缺点是低速下电机发热量大，机械能转换率低。为了扩大调速范围，克服无级调速电机的低速下的缺点，以及满足某些低转速、大扭矩的特殊机械使用性能要求，也可以采用齿轮变速与无级调速相结合的调速方式。
用华中数控系统改造西安标准工业股份有限公司XK754卧式加工中心，更换原机床的所有电气控制系统，包括数控系统，PLC控制单元，X、Y和Z轴进给伺服系统，主轴控制单元及主轴电机，电气控制柜，操作按钮等。
由于采用华中世纪星HNC-21M铣削数控系统，具有7.7英寸彩色液晶显示器，显示机床的工作状态，并具有实时图形显示功能。具有性能/价格比高，操做简便等特点[3]：
机床经过改造，可用以加工平面、沟槽、孔以及各类曲面等。因为提高了伺服电机功率、增加输出轴的规格尺寸，改造后的切削用量可以相应增大。可一次完成原本多道工序内容，减小加工辅助时间，提高了产品的技术含量和附加值，并节约了购买新数控机床的费用。
博顺模具制造公司针对一台X5032普通立式铣床进行数控化改造，采用数控系统与X、Y、Z轴采用伺服驱动系统，将原机床的普通传动丝杠更换为精密的滚珠丝杠螺母传动副；并且利用的远程输入/输出模拟量控制模块来实现伺服进给的运动控制功能。用以满足加工大型零件的工艺技术要求，全面提升机床的使用性能，满足高效和低成本要求，为扩大公司的产品范围的加工奠定了必要的基础[4]。
进行数字控制机床改造时，选择合适的数控装置很重要，如果选择性能过高的数控装置，改造成本就会增加，反之，改造后的机床性能过低，就不能够满足使用的需要，因此就必要结合改造后机床的使用范围要求的技术要求进行数控装置的合理选用。
当前，生产数控装置的企业比较多，国内外著名数控装置品牌有：SIEMENS、NUM、法道、FANUC、北京凯恩帝、华中数控公司等。
FANUC的数控系统具有高质量、高性能，主要体现在其数控系统大量采用模块化结构，抗干扰能力强，FANUC系统具有比较齐全的基本功能和选项功能。基本功能完全能满足一般机床的使用要求。目前常见系列有: PowerMate 0、CNC 0-M、0i、CNC 16i/18i等系列[4][5]。
华中HNC-21M型数控装置采用开放式体系结构，内置嵌入式工业计算机，经济性好，在统一的硬件基础上，灵活配置多种功能软件，能够满足各种机床的需要。主要特点是：
(1)采用开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，低价格、高性能、结构紧凑。
(2) 机床使用性好。进给速度高，机床位置控制分辨率高。主处理器CPU能高实现加速及制动控制。
结合国内立铣改造的成功案例，考虑到本单位的实训实际与经济性原则，最终拟定采用华中数控HNC-21M数控系统进行原机床的数控化改造。
一台数字控制机床如果配置开环控制伺服驱动系统，则常用步进电动机实现进给驱动；如果配置半闭环控制伺服驱动系统，则常用直流或交流伺服电动机实现进给驱动；如果配置全闭环控制伺服驱动系统，则常用直流或交流伺服电动机实现进给驱动。
使用步进电动机将导致机床的快速性性能降低。容易造成工件精度误差，因此对加工精度是不利的。同时又因为步进电动机过载能力极差，高速时易丢步。因此，像数控铣床这样的要求具备大功率、大转矩机床，不适合用步进电动机来进行铣床数控化改造[4]。
而采用半闭环控制的伺服驱动系统，采用直流或交流伺服电动机，则调速范围宽，抗过载能力又强，并且采用了反馈控制技术，可动态修正运行过程中的误差，因此性能胜于开环控制。而其反馈环节相比闭环控制简单，稳定性好。
而采用闭环控制的伺服驱动系统，采用直流或交流伺服电动机实现伺服驱动，会造成各种系统结构复杂，实现的技术难度大，调试和维护都困难，改造成本过高。由于所数控化改造立铣工件的加工精度要求不高，因而没有必要采用闭环系统。
经过综合分析，本次数控化改造采用华中HNC-21M数控系统的半闭环控制方案。
数字控制机床的主运动通常会采用无级变速，优点是具备提供一定合理切削速度的调速范围，并可实时改变转速于运转中。在无级调速的机械、液压和电气等多种形式中，通常都采用交流调速电机作为驱动力源的调速系统。而采用交流变频调速控制，实现对主电机的运动控制。
为了确保X5032普通铣床中速时的运行稳定性和加工精度而采用交流变频调速。HSV-18S全数字交流伺服主轴驱动单元是武汉华中数控股份有限公司继HSV-20S系列交流伺服主轴驱动单元后推出的高性能交流伺服主轴驱动器。该驱动器使用AC380V输入电源，并且具有运行稳定、结构紧凑、性能可靠等特点。
改造机床的主轴电气控制方案有三种：其一是继续使用原控制系统；其二是用PLC控制进行电气控制系统的改造。其三是主轴的控制工作由选配的数控系统来控制实现；虽然第一个方案成本较低，但因原机床电气老化、故障几率高，所以适合采用。第三个方案将主轴电气进行数控化改造，改造工作量大，改造生产周期长，经济性不佳。第二个方案是用PLC控制进行电气控制系统的改造。优点如下：
（1）机床运行可靠，物理接线少，PLC有断电保护、实时监测报警、故障检测与诊断等功能，能够提供多种安全保障。
（2）适应性好，采用程序控制方式，PLC控制的灵活性好，可进行人性化设置。
综合所述，本次改造主轴电气控制采用控制方案。在对主轴箱和刀夹头进行改造与气动驱动控制，选用三菱来进行相关控制。
全数字交流伺服主轴驱动单元采用专用运动控制数字信号处理器、可编程逻辑阵列和智能化功率模块等先进技术，具备有等多种应用规格，具有很宽选择范围的功率，完成对交流伺服主轴驱动系统的控制。本机采用系列交流伺服主轴电机。
该数控铣床采用立式布局，总体布局简图如图2-1所示。主运动采用无级变速，优点是铣头的结构尺寸小，所占空间小，且质量轻，进给运动行程尺寸小。X向、Y向运动都是由工作台通过伺服电机加滚珠丝杠传递运动实现。垂向运动由Z向伺服电机驱动滚珠丝框螺母副实现。操纵箱悬挂安装在机床右侧，有利于操作者实现对机床的最有效控制，可以方便操作人员的操作机床 [4]。
为了缩短X5032立式铣床数控化改造的生产周期，降低改造成本，而将手工变速改为全数控无级变速，这样做的优势在于缩短了数控化改造时间，降低了改造的工作量，从而降低了改造成本。X5032立式铣床的数控化改造采用无级变速的好处在于切削加工中获取合理的切削速度；能实时变速于切削加工中，能够实现大铣削量时的恒速切削要求，有利于生产效率和加工质量的提高。
本章主要阐述了X5032立式铣床传动运动机构的改造设计思路，以及改造的总体布局；介绍了通过对交流调速方案的各类与比较；介绍了伺服驱动单元的功率计算和型号选择；以主轴电机、驱动模块的改造方案。
在X5032立式铣床的数控化改造过程中，应当注重决定机床性能的主轴及其PLC控制系统选择。现代数字控制机床对主轴传动提出较高的要求：
能够满足加工时选用合适的切削用量，以获取较高的生产率、较高加工精度与较低的表面粗糙度值。恒转矩调速范围已可达1：100，恒功率调速范围达到1：30，一般过载1.5倍时可持续工作达30min以上。
主轴变速分为有级、无级和分段无级变速三种形式，多采用无级或分段无级调速。在无级变速中，变频调速主轴适用于普及型数字控制机床，交流伺服主轴则适用于中、高档数字控制机床。
主轴应该在全速范围内均能提供切削所需的切削功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。但由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均不能实现恒转矩输出。
为满足刚性攻丝、切削螺纹以及某些特殊加工工艺的要求，主传动轴应具备准停功能。
数控改造选用的主轴变频驱动器要与交流主轴电动机相适应，交流变频主轴驱动装置的特性如表3-1所示。电动机的恒功率区域在基本速度以上，其恒转矩区域在基本速度以下。交流主轴电动机的过载能力通常为其正常承载能力1.5倍以上，可承受的过载时间为几分钟至半个小时[5]。
数控改造中对交流伺服主轴系统要求较高，除要求切屑功率高、加减速功率强外，还要求具有恒转矩和恒功率特性。具体特性如下：
4. 为保证快速抗干扰能力和动态降速时间，主轴电动机转矩响应在5ms以下。
主轴驱动装置的接口与进给驱动装置有许多类似，进给驱动装置具备的接口，在主轴驱动装置上一般都可以找到，只是不同厂家不同档次的主轴驱动装置所包含的接口类型不同，因此，主轴伺服装置的接口类型比变频器的接口要丰富；矢量控制功能的变频器比简易型变频器接口种类多。不同的是：进给驱动装置主要工作在位置控制模式下，而主轴驱动装置主要工作在速度控制模式下；同一台数字控制机床上主轴输出功率比进给轴输出功率要大得多。因此，在接口上主轴驱动装置又具有自身的特点。
图3-1是主轴装置(变频器)最基本的接口图，如图所示采用三相交流380V电源供电；速度指令由1、2、3脚输入，指令电压范围是直流0~10V；主轴电动机的启动／停止以及旋转方向由外部开关4、5、OV控制，当5闭合时电动机正转，打开反转，当6闭合时电动机开始转动，打开则停止转动。变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交流电源，控制电动机旋转。此装置也适用于无反馈的矢量控制的变频器的接口图。采用有反馈矢量控制的变频器以及主轴伺服驱动器接口图基本相同，图3-2是有反馈矢量控制的变频器的典型接口图。相对于进给驱动装置主轴驱动装置的接口具有如下特点：
一般采用交流电源供电，输入电源的范围包括三相交流460V、400V、380V、230V、200V，单相220V、100V等，或在较大的范围内可调。为了实现大功率输出，主轴驱动装通常采用不低于230V的三相交流电源，而进给驱动装置多采用不高于220V的三相交流电源；变频器通常电源电压范围比较宽，如230~400V，进给驱动装置电源电压一般要求是固定的。
因为进给电动机主要用于位置控制，因此进给驱动装置一般都具备和采用脉冲信号作为指令输入，控制电动机的旋转速度和方向，不提供单独的开关量接口控制电动机的旋转方向。而主轴电动机主要用于速度控制，因此主轴驱动装置一般都具备和采用0~10V模拟电压作为速度指令，由开关量控制旋转方向，而不提供脉冲指令输入接口。很多主轴驱动装置也接收模拟电压以及作为速度指令，其中信号幅值控制转速，信号极性控制旋转方向[32]。
当然根据生产厂家和型号的不同，主轴驱动装置也可以支持脉冲指令、总线及网络等控制接口。
主轴驱动装置都提供控制电动机正／反转的开关量接口，进给驱动装置一般不提供，采用脉冲信号作为指令的进给驱动装置，只有当脉冲指令类型为‘脉冲+方向’时，可以把方向信号理解为改变电动机方向的控制接口。而且主轴驱动装置的方向控制接口是和速度模拟指令接口一起出现的，多是DC24V开关量接口；进给驱动装置的‘方向’控制接口多是和‘脉冲’信号一起出现的，多是DC5V数字信号；主轴一般都提供单极性模拟电压信号，进给驱动装置提供的模拟控制接口多是双极性的。对于一些主轴伺服单元，虽然具备位置控制功能，当其主要还是工作在速度控制模式下，位置控制模式是一种特殊的工作状态，因此，会提供位置控制模式切换控制接口，方便使用者需要时方便的切换主轴工作模式，以完成定向，分度等特殊的工艺或控制要求而进给驱动装置则通常始终工作在位置控制模式下[8]。
由于主轴对位置控制的精度并不非常高，因此对与位置控制精度密切相关的反馈装置要求也不高，主轴电动机或主轴多数采用1000线的编码器，而进给驱动电机则至少采用2000线的编码器，有些进给电动机编码器可多达10万线。另外为了控制的方便许多进给驱动器都有绝对式编码器接口，功能更强的进给驱动器还有第二编码器接口以通过驱动器直接实现全闭环控制。而主轴驱动装置一般不具备绝对式编码器接口和第二编码器接口。
进给驱动装置和主轴驱动装置有相互融合的趋势，即主轴驱动装置的位置控制功能和精度开始接近进给驱动装置，另一方面进给驱动装置动态特性，高速特性开始接近主轴驱动装置。
目前已经有一些这样的产品进入市场，以国产华中数控HSV-20S/D系列伺服驱动为例：电源采用三相交流380V，同时支持脉冲指令接口、模拟量指令接口、RS232指令接口；即支持普通三相笼型异步电动机、专用变频电动机，也支持永磁同步伺服进给电动机和主轴伺服电动机。可以组成主轴驱动系统，也可以组成进给驱动系统；支持双编码器接口，可应用于全闭环进给驱动系统。由此从硬件上已很难定义它是进给驱动装置还是主轴驱动装置。
主轴驱动装置的选型与进给驱动装置等其他设备一样需要遵循经济实用、稳定可靠和易于操作维护的原则，以整机设计对主轴系统的要求和不同类型的主轴系统的特点为依据。
这是一种最经济的改造方法，但只能实现有级调速，因电动机一直工作在额定转速下，经变速齿轮减速后，从主轴输出端低速下输出力矩大，超强切削能力高，比较适于粗加工与半精加工。如果加工产品单一，且对主轴转速要求不高，用于其机床数控化改造效果也不错；但其缺点是噪音大，主轴转速范围窄，不适合有色金属加工场合和需要经常改变速度的加工场合。
可以实现主轴的无级调速，但主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较好的力矩输出，否则，特别是铣床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴也只能工作在中高速范围，此外，因受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。
这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都不要求的场合，例如数控钻铣床。目前，国内生产的此种简易型变频器非常多。
目前进口的通用变频器，除了具有曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足铣床低速(100~200转／分钟)小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数字控制机床比较常用的主轴驱动系统。
一般采用有反馈式矢量控制，低速甚至零速时都可以有较大的力矩输出，有些还具有定向甚至分度进给的功能，目前这类产品较有市场。现今生产通用变频器的厂家主要有西门子、日立、富士、三菱等外国公司。