關于普通鉆床ZJA3725×8-2的數控改裝

摘要：自動化程度不高，加工精度低的普通機床滿足不了市場需要，結合本企業實際分析了普通機床存在自動化程度不高，加工精度低的實際，提出了更換成自動化程度高的數控機床迫在眉睫，普通機床實現自動化和精密化改造勢在必行。

關鍵詞：鉆床 數控 改造

1、引 言

目前，絕大部分企業都是多年累積生產的普通機床，這些機床自動化程度不高，加工精度低，要想在短時期內用自動化程度高的設備大量更新，替代現有的機床，無論從資金還是從生產能力都是不可行的。但盡快將企業現有的部分普通機床實現自動化和精密化改造又勢在必行。印刷電路板等類零件上的孔，數目既多，位置精度要求又高，用普通鉆床無法加工。為此，在鉆床上配備了微機控制的X、Y工作臺。X、Y工作臺的微機控制系統，能與鉆床順序控制器聯接起來，完成全自動的鉆孔工序。

2、分 析

2.1 過去的幾十年里．金屬切削機床的基本動作原理變化不大，但社會生產力特別是微電子技術、計算機技術的應用發展很快。反映到機床控制系統上。它既能提高機床的自動化程度。又能提高加工的精度，現已有一些企業在這方面做了有益的嘗試。實踐證明，改造后的機床既滿足了技術進步和較高生產率的要求．又由于產品精度提高，型面加工范圍增多也使改造后的設備適應能力加大了許多。這更加突出了在舊機床上進行數控技術改造的必要性和迫切性。

2.2 由于新型機床價格昂貴，一次性投資巨大， 如果把舊機床設備全部以新型機床替換，我們要花費大量的資金，而替換下的機床又會閑置起來造成浪費，若采用改造技術加以現代化，則可以節省50％ 以上的資金。從具體情況來講，一套經濟型數控裝置的價格僅為全功能數控裝置的1／3到1／5，一般用戶都承擔得起。這為資金緊張的中小型企業的技術發展開創了新路，也對實力雄厚的大型企業產生了極大的經濟吸引力，起到了事半功倍的積極作用。

2.3市場據國內資料統計訂購新的數控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產需要。因此，機床的數控改造就成為滿足市場需求的主要補充手段。

2.4生產在機械工業生產中，多品種、中小批量甚至單件生產是現代機械制造的基本特征，占有相當大的比重。要完成這些生產任務，不外乎選擇通用機床、專用機床或數控機床．其中數控機床是最能適應這種生產需要的。

從上述分析中不難看出數控技術用于機床改造是建立在微電子現代技術與傳統技術相結合的基礎之上。通過理論上的推導和實踐使用的證明，把微機數控系統引入機床的改造有以下幾方面的優點：

（1）可靠性高；（2）柔性強；（3） 易于實現機電一體化；（4）經濟性可觀。為此在舊的機床上進行數控改造可以提高機床的使用性能，降低生產成本，用較少的資金投入而得到較高的機床性能和較大的經濟效益。以ZJA3725×8-2型普通鉆床改造為倒ZJA3725×8-2型圓柱立式鉆床在我公司機械加工行業用量比較大，這主要是它購置費用低，操作簡便實用，故現機加工行業還存在廣泛的應用。

該種機床的傳動系統主要由兩大部分組成：

一是主運動傳動鏈，它的功用是把動力源（主電機）的運動傳給主軸，使主軸帶動鉆頭旋轉。通過操縱手柄控制，主軸可具有12種轉速。

二是進給運動傳動鏈，它的動力源也是主電機通過控制操縱手柄，可使主軸得到4種進給量．但也可手動控制。

改造該種機床，一可以提高原機床的精度和自動化程度，達到快速調整而且仍能保持機床的通用性．二可以提高原機床的功能． 利用微機數控方法準確地加工工件。

3、選 擇

本著對機床的改動盡可能少、控制部分要求抗干擾性強、改造成本低的原則。依據有關資料的技術要求，改造之前應對該機床的性能、數據有所掌握．以便針對機床本身的精度高低來確定改造后的精度和改裝范圍。

一般來講，普通立式鉆床的數控改造主要有兩部分，一是設計一套簡易微機數控x—Y工作臺，固定在鉆床的工作臺上。二是將控制鉆頭上、下運動的手柄拆去，改用微機控制步進電機通過一級減速裝置使鉆頭上下運動。根據數控鉆床的性能要求，一般鉆床的加工精度在0．1～0．02之間。則鉆床步進電機的脈沖當量可進為0．01ram／step，步進電機的步距角=1 5。

4、方 案

開發應用微機的機械系統比普通機械要復雜得多。除了機械結構外，還有計算機軟件和接口硬件等，而且各個組成部分要一體化，組成一個完整的系統。

4.1硬件部分的構成

4.1.1 X、Y工作臺

首先決定X、Y工作臺的機械參數，其中最重要的是X軸和Y軸的最大行程和最大的進給速度。下表中列出了X、Y工作臺的參數。行程的大小與微機內部的計數器容量有關，而工作臺的進給速度與微機的工作速度有關。

4.1.2 步進電動機

下表為步進電動機的參數

電動機的參數

本系統使用的步進電機的步進角為0.9°/步，1轉為400步。步進電機軸與滾珠絲杠直接相聯。電機軸每轉工作臺移動5mm。因此，脈沖當量為：

5/400=0.0125(mm/p)

工作臺移動最大行程400mm時，步進電機必須轉動32000步。即，微機要發出32000個脈沖給步進電機的驅動電路，工作臺才能到達最大行程。8位微機只能對0~255數碼進行運算，此時的數碼可為216=0~65535。

另一方面，X、Y工作臺的最大進給速度為1500mm/min(25mm/s)，則微機每秒輸出的脈沖數為

400×25/5＝2000(p/s)

即輸出脈沖頻率為2kHz。如果微機直接向步進電機輸出脈沖，則必須每隔0.5ms輸出一個脈沖。這完全可以用軟件方法（中斷）實現。本系統通過具有脈沖輸出、計數功能的專用芯片輸出脈沖，使計算機軟件的編制非常簡單。

4.2系統運動方式的確定數控系統按運動方式可分為點位控制系統，點位直線系統，連續控制系統 如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。數控鉆床在工作臺移動過程中鉆頭并不進行鉆孔加工， 因此數控裝置可采用點位控制方式。對點位系統的要求是快速定位，保證定位精度。

4.3伺服系統的選擇伺服系統實現位置伺服控制有開環、閉環、半閉環3種控制方式。開環控制的伺服系統存在著控制精度不能達到較高水平的基本問題． 但是步進電機具有角位移與輸入脈沖的嚴格對應關系。使步距誤差不會積累；轉速和輸入脈沖頻率嚴格的對應關系，而且在負載能力范圍內不受電流、電壓、負載大小、環境條件的波動而變化的特點。并且步進電機控制的開環系統由于不存在位置檢測與反饋控制的問題．結構比較簡單，易于控制系統的實現與調試。并且隨著電子技術和計算機控制技術的發展。在改善步進電機控制性能方面也取得了可喜的發展。因此，在一定范圍內，這種采用步進電機作為驅動執行元件的開環伺服系統可以滿足加工要求。適宜于在精度要求不很高的一般數控系統中應用。

雖然閉環、半閉環控制為實現高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具體的系統中，增加了位置檢測、反饋比較及伺服放大等環節，除了在安裝調試增加工作量和復雜性外， 從控制理論的角度看，要實現閉環系統的良好穩態和動態性能，其難度也將大為提高。為此，考慮到在昔通立式鉆床上進行改造，精度要求不是很高（系統分辨率0．01即可），為了簡化結構，降低成本，本文采用步進電機開環伺服系統。

4.4執45-機構傳動方式的確定為確保數控系統的傳動精度和工作平穩性，在設計機構傳動裝配時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無問隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。故在設計中應考慮以下幾點：

(1)盡量采用低摩擦的傳動和導向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌等。

(2)盡量消除傳動間隙。如步進電機上的傳動齒輪采用偏心軸套式消庶結構。

(3)縮短傳動鏈。縮短傳動鏈可以提高系統的傳動剛度。減小傳動鏈誤差。可采用預緊以提高系統的傳動剛度。如應用預加負載的滾動導軌和滾珠絲杠傳動副，絲杠支承設計成兩端軸向固定，并加預拉伸的結構等提高傳動剛度。x—Y工作臺傳動采用滾珠絲杠螺母傳動副和滾動導軌。

4.5 計算機系統的選擇計算機數控系統一般由微機部分、I／O接口電路、光電隔離電路、伺服電機驅動電路、檢測電路等幾部分所組成。

在簡易數控系統中，大多采用8位微處理器的微型計算機。如何采用Z80CPU或MCS一51單片機組成的微機應用系統。

Z80CPU有芯片價廉，通用性強，維修方便等特點。MCS一51單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快和很高的性能價格比等特點。通過比較，對于簡易數控機床推薦采用MCS一51系列單片機作為主控制器。

5、實 施

5.1保留原機床主傳動鏈，保留鉆床工作臺和控制工作臺移動手柄，在原工作臺上安裝一套微機數控的x—Y工作臺。由于x—Y工作臺的運動部件重量和切削力不大。因此選用有預加載荷的雙v形滾珠導軌。采用滾動導軌可減小兩個相對運動面的動、靜摩擦系數之差，從而提高運動平穩性，減小振動。考慮到電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為達到分辨率0．01要求，需采用齒輪降速傳動。

5.2 將控制鉆頭進給運動的手柄拆去，改用步進電機，步進電機通過一級減速，使齒輪與套筒上的齒條嚙臺，從而實現了主軸向下進給或向上退出。

5.3 在x、Y工作臺的下底板的4個角留有一個凸臺，各開一個槽，把螺栓插入原工件臺的槽及此槽內用螺母旋緊。

綜上所述，本文改造的總體方案確定為：采用8031單片機對數據進行計算處理，由I／O接口輸出步進脈沖步進電機經一級齒輪減速后， 帶動絲杠轉動，從而實現工件的縱向、橫向運動，同時為了防止意外事故，保護微機及其它設備，還設置報警、急停電路等。

ZJA3725×8-2數控改造后，進給定位準確，性能參數穩定，顯著提高了零件的加工精度和生產效率。針對企業數控機床少，普通機床多的實際狀況，此種改造起到事半功倍的效果。

課題：設備技術改造迫切要解決。

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