王 琦，石欣穎

（呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西呂梁 032300）

1 背景介紹

隨著我國機(jī)加工行業(yè)的發(fā)展，為了提高加工能力，越來越多的普通機(jī)床被閑置，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用更加廣泛，逐漸成為現(xiàn)代制造企業(yè)加工過程中必不可少的設(shè)備。高職院校也將數(shù)控機(jī)床的教學(xué)作為一項(xiàng)重要內(nèi)容。但是數(shù)控機(jī)床的購置存在以下問題。

（1）數(shù)控機(jī)床價(jià)格一般比較昂貴，若大批量購置設(shè)備，學(xué)校教學(xué)投資過大。

（2）我國現(xiàn)存大量普通機(jī)床，全部更換不現(xiàn)實(shí)，更換下的機(jī)床也會(huì)造成閑置浪費(fèi)。

（3）數(shù)控機(jī)床訂購周期較長，維修保養(yǎng)成本高。

綜上，合理利用閑置機(jī)床顯得尤為重要。選擇學(xué)校1 臺(tái)X53立式銑床作為試驗(yàn)，在原來機(jī)械結(jié)構(gòu)上增加數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其具有一定的自動(dòng)加工能力，以及教學(xué)演示功能。這樣既減少了廢棄機(jī)床的閑置浪費(fèi)，提高了機(jī)床利用率，同時(shí)應(yīng)用在教學(xué)中，可以更直觀看到數(shù)控機(jī)床的工作過程。在企業(yè)中推廣這種升級(jí)改造方式，可以有效提高企業(yè)的機(jī)械加工能力，高效完成加工任務(wù)，對(duì)于中小企業(yè)具有一定實(shí)際意義。

本文介紹學(xué)校實(shí)訓(xùn)工廠1 臺(tái)X53 立式銑床數(shù)控化改造過程。設(shè)備改造完成后成為一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的教學(xué)設(shè)備，使得學(xué)生對(duì)數(shù)控機(jī)床的工作過程有一定了解，也可以為企業(yè)大規(guī)模普通機(jī)床數(shù)控化改造提供一定經(jīng)驗(yàn)。

2 數(shù)控改造過程

2.1 總體改造要求

普通立式銑床改造為數(shù)控銑床教學(xué)設(shè)備，不僅要實(shí)現(xiàn)普通銑床的功能，提高加工精度，還要使數(shù)控系統(tǒng)簡單易懂，方便教學(xué)，改造成本也不宜過高。為此，選擇使用單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，完成此次X53 普通立式銑床的改造。

2.2 數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)方式的確定

常見數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方式分為點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)和輪廓運(yùn)動(dòng)。

（1）點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制即以點(diǎn)動(dòng)方式控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡有嚴(yán)格要求，主要運(yùn)用于數(shù)控鉆床和數(shù)控沖床等。

（2）直線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)除了要保證點(diǎn)的位置精度以外，還需要控制運(yùn)動(dòng)的直線軌跡和速度。一般簡單的數(shù)控機(jī)床采用這種運(yùn)動(dòng)控制。

（3）輪廓運(yùn)動(dòng)控制能夠控制兩個(gè)及以上的坐標(biāo)方向的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，可以按照規(guī)定的加工軌跡進(jìn)行直線、曲線的輪廓運(yùn)動(dòng)。同時(shí)還應(yīng)具備插補(bǔ)運(yùn)算和刀具補(bǔ)償功能，有精確的速度控制。常見的數(shù)控機(jī)床、加工中心等多采用這種運(yùn)動(dòng)控制方式。

本次改造的數(shù)控銑床教學(xué)設(shè)備應(yīng)該具有定位、直線圓弧插補(bǔ)、刀具補(bǔ)償和暫停循環(huán)等教學(xué)功能，因此選擇使用輪廓運(yùn)動(dòng)控制方式。

2.3 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的確定

伺服進(jìn)給系統(tǒng)一般有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)等3 種形式。

（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)只有電機(jī)控制，沒有位置檢測反饋裝置，它的精度完全取決于電機(jī)的精度以及齒輪、傳動(dòng)絲杠的精度。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最為簡單，且造價(jià)便宜，維護(hù)方便。

（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用精確的位置檢測元件，可以實(shí)時(shí)檢測到機(jī)床各軸的位置移動(dòng)，同時(shí)反饋給數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，具有最高的控制精度。閉環(huán)伺服系統(tǒng)造價(jià)最昂貴，一般用于高端數(shù)控機(jī)床和加工中心。

（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)介于上述兩者之間，可以間接檢測到數(shù)控機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)，控制精度比閉環(huán)低，高于開環(huán)系統(tǒng)。

本次改造考慮到經(jīng)濟(jì)性，結(jié)構(gòu)的簡單性，以及教學(xué)演示過程中需要學(xué)生直觀了解數(shù)控銑床的工作過程，不需要太高的精度要求等因素，選擇使用開環(huán)伺服系統(tǒng)。與其匹配的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，選擇步進(jìn)電機(jī)為該數(shù)控銑床3 個(gè)軸的控制電機(jī)。

2.4 微機(jī)系統(tǒng)的選用

本次改造微機(jī)系統(tǒng)采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，原因如下。

（1）學(xué)校開設(shè)單片機(jī)課程，數(shù)控銑床改造完成后演示教學(xué)過程，學(xué)生更容易理解。

（2）單片機(jī)編程靈活，自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯編程。單片機(jī)與上位機(jī)通信簡單，通過組態(tài)軟件可以很方便的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

（3）單片機(jī)成本低，安裝使用簡單。

本次改造選用的主控單片機(jī)型號(hào)為MCS-51 系列單片機(jī)中的8031 芯片。該芯片使用集中式CPU，具有足夠改造使用的I/O端口，以及很強(qiáng)的控制能力。改造過程中需要增加相應(yīng)的外圍元件，構(gòu)成微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。MCS-51 系列單片機(jī)程序開發(fā)簡單、通用性高，開發(fā)手段多樣，相匹配的硬件資料也比較豐富[1]。綜上考慮，決定采用該系列單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的主控單元。

2.5 銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造方案設(shè)計(jì)

本次數(shù)控銑床改造，通過改造縱向和橫向的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)數(shù)控銑床各軸的運(yùn)動(dòng)控制，首先需要拆除原銑床上的手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，如縱向、橫向離合器，縱向、橫向手輪等。然后通過齒輪聯(lián)軸器連接步進(jìn)電機(jī)與工作臺(tái)的橫向、縱向絲杠，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。對(duì)于銑床的垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)仍然保留手動(dòng)操作，這樣單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)只需要控制平臺(tái)的雙向運(yùn)動(dòng)即可，減少傳遞環(huán)節(jié)，降低控制難度，提高控制精度。當(dāng)銑床發(fā)生故障時(shí)可以手工半自動(dòng)控制。改造時(shí)對(duì)受力集中的部位進(jìn)行應(yīng)力分析，對(duì)強(qiáng)度不夠的零部件進(jìn)行更換，采用雙螺母結(jié)構(gòu)消除間隙和調(diào)節(jié)預(yù)緊力。

升級(jí)改造的數(shù)控銑床X 軸、Y 軸傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 數(shù)控銑床X 軸、Y 軸傳動(dòng)系統(tǒng)

3 結(jié)語

經(jīng)過升級(jí)改造的X53 立式數(shù)控銑床已成功應(yīng)用于學(xué)校實(shí)際教學(xué)工作，取得了良好的教學(xué)效果。后續(xù)會(huì)對(duì)學(xué)校其他普通機(jī)床采用不同控制方式進(jìn)行升級(jí)改造。對(duì)本設(shè)備進(jìn)行完善，合理利用資源，形成數(shù)控機(jī)床教學(xué)設(shè)備集成平臺(tái)，為教學(xué)和企業(yè)的升級(jí)借鑒做出一定貢獻(xiàn)。