基于ZX32G型鉆銑床數(shù)控化改造的研究

段明忠+王小華

摘要：針對機械制造企業(yè)中機床設備老化，不能滿足當前高效率、高質量的生產要求，文章重點介紹ZX32G型鉆銑床的數(shù)控化改造方案、工作原理和實施過程，將傳統(tǒng)的機械加工機床與現(xiàn)有的單片機技術相結合，在原有功能基礎上增加了自動進給功能，從而提高了生產效率，也為企業(yè)進行設備的數(shù)控化改造提供了一種可行的途徑。

Abstract： In view of the aging of the machine tool in the machinery manufacturing enterprise， which can not meet the current high efficiency and high quality production requirements， the article mainly introduces the numerical control transformation program of the ZX32G drilling and milling machine， working principle and implementation process， combines the traditional machine tool machine and the single-chip technology， and increases the automatic feeding function based on the original function， thereby enhancing the production efficiency and providing a viable way for the numerical control transformation of enterprises.

關鍵詞：數(shù)控技術；單片機；自動進給；設備改造

Key words： numerical control technology；single chip microcomputer；automatic feeding；equipment modification

中圖分類號：TG547 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）01-0129-02

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟取得了飛速發(fā)展，再加上國內外競爭的逐漸加劇，使得機械制造企業(yè)存在的設備老化更加突出和普遍，在這種情況下，日益提高的產品數(shù)量和質量需求和機床設備的陳舊、落后形成了矛盾，且僅僅依靠購買新設備解決問題的可行性較低，因為多數(shù)企業(yè)都無法承擔購買新設備所需的龐大資金。基于此，為了提高生產效率，可選擇對一些舊設備進行必要的技術改造，如此不僅能夠節(jié)約資金，還能夠提高產品的競爭力。本文主要介紹ZX32G型鉆銑床的數(shù)控化改造方案，為企業(yè)進行設備的改造提供了一種有效的途徑。

1 數(shù)控化改造方案

ZX32G型鉆銑床屬于一種小型鉆床，被廣泛應用在小型零件的加工、修復及裝配中，具有良好的應用效果。但是該設備存在一個明顯弊端，即沒有自動進給裝置，使得其在大批量加工期間力不從心，不僅給相關作業(yè)人員帶來了巨大的負擔，也嚴重影響了生產效率。若能夠在傳統(tǒng)的鉆床中加入自動進給裝置，在具體的操作中共件只需將自身所需的加工深度和進給速度輸入到進給控制系統(tǒng)，進給控制系統(tǒng)就能夠實現(xiàn)自動進給。具體改造內容如下：

①機械部分。

主傳動系統(tǒng)保持不變，加長進給軸，并在其上安裝離合器、蝸輪和聯(lián)結手柄，同時再加裝一蝸桿，使其和蝸輪組成運動副。

②數(shù)控部分。

進給控制系統(tǒng)選用MCS-51系列單片機，經(jīng)借口電路和驅動控制電路，促使步進電機運動，并帶動蝸輪蝸桿副的運動。

2 機械改造部分

ZX32G型鉆銑床中主軸旋轉運動方式是由主電機經(jīng)皮帶輪傳動的[1]。在實際的加工期間，主軸不僅做旋轉運動，也做軸向進給運動，如圖1所示，主軸旋轉的過程是進給手柄帶動小齒輪運動，然后小齒輪帶動主軸套筒上的齒條運動，最后兩者一起讓主軸隨主軸套筒作直線進給運動。

鉆孔時通常主軸進給速度較慢，利用蝸輪蝸桿副進行一級減速即可實現(xiàn)良好的效果。這是因為蝸輪蝸桿不僅精度高，而且工作平穩(wěn)、傳動比大。因此，如圖2所示，為了使設備的應用效果更佳，筆者在傳統(tǒng)的進給軸的基礎上加上了一個蝸輪和離合器、一個蝸桿、蝸輪蝸桿組成運動副。

不可否認還有很多方法都可以實現(xiàn)上述控制進給運動的目的，比如采用滾珠絲桿副和一套減速裝置來帶動小齒輪，但由于這次改造設備項目，除了考慮目的的達成外，實用性和經(jīng)濟性也是不得不考慮的因素。從實用性角度來分析，盡管滾珠絲桿副的效率和傳動精度更佳，但是其結構卻不如蝸輪蝸桿副緊湊，加之ZX32G型鉆銑床的加工精度不是很高，若使用滾珠絲桿副其實有點不實用；從經(jīng)濟性角度來分析，滾珠絲桿的成本較高，而蝸輪蝸桿副的成本明顯低于前者，更具經(jīng)濟性。其具體的工作原理如下：首先，通過步進電機帶動蝸桿轉動，經(jīng)蝸桿蝸輪的嚙合帶動進給軸轉動，然后進給軸上的小齒輪同時轉動，經(jīng)齒輪與主軸套筒上的齒條嚙合，最后使主軸作垂直進給運動（見圖3）。

其中離合器由兩部分組成，其結合和分離由聯(lián)接手柄決定。依據(jù)需求聯(lián)接手柄可實現(xiàn)離合器左右兩部分的結合和分離。當需要自動進給時，轉動手柄即可讓離合器左右兩部分結合，使主軸作自動進給運動；反之，亦可以使離合器左右兩部分分離。

3 數(shù)控部分改造

3.1 進給控制系統(tǒng)的總體設計方案

本系統(tǒng)的組成部分包括MCS-S1系統(tǒng)中央處理點、接口電絡及驅動控制電路三部分組成。具體驅動控制電路及其功能如圖4所示[2]。

3.2 接口電路設計

如圖5所示，在原系統(tǒng)中加入INTEL8255可編程I/O接口芯片，使其成為系統(tǒng)擴展接口，由于該芯片具有A、B、C三個獨立的I/O通道和可編程的三種不同的工作模式，實際上增強了系統(tǒng)的接口功能。在系統(tǒng)設計中，數(shù)據(jù)交換由A通道與步進電機驅動電路完成，輸出工作模式為編程I/O接口芯片8255的A口，負責管理步進電機的脈沖分配。

3.3 系統(tǒng)軟件設計

將3K的擴展ROM區(qū)安排在MCS-51單片機控制系統(tǒng)板上，其地址是0000H-7FFFH，其中系統(tǒng)管理程序占用為0000H-3FFFH，4000H-7FFFH表示工作程序開發(fā)區(qū)。系統(tǒng)管理區(qū)的功能主要是初始化系統(tǒng)I/O端口和鍵盤管理，該環(huán)節(jié)不可或缺，在對統(tǒng)I/O端口8255進行初始化設置的基礎上才能實現(xiàn)對鉆頭的進給控制，而有效控制系統(tǒng)的前提是對單片機鍵盤管理程序的初始化[3]。工作程序區(qū)是將加工過程程序固化于ROM區(qū)內，操作者在使用鉆床時將進給參數(shù)輸入即可，系統(tǒng)調用工作區(qū)程序模塊，確定工作方式、步進間隔、從而驅動步進電機運動，使鉆床實現(xiàn)自動進給[4]。具體加工程序流程圖如下：

4 結束語

通過對ZX32G型鉆銑床的數(shù)控化改選后，不僅保留了原機床的各項功能，還加入了自動進給的功能，如此一來操作者就可以依據(jù)自身實際需求及現(xiàn)場實際情況，推算出最佳的進給速度和進給長度，并將其輸入到MCS-51控制系統(tǒng)中實現(xiàn)開環(huán)數(shù)控自動加工，不僅大大提高了生產效率和產品質量[5]，還有效降低了生產成本。若能輔以自動定位的夾具，其生產效率將得到進一步提升。由此可知，未來要想提高機床性能，開展數(shù)控化改造是一項可行性較高的方案，不僅節(jié)約資金，還能夠提高生產效率和產品質量。

參考文獻：

[1]聞邦椿.機械設計手冊[M].五版.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]陳鳴.MCS-51單片機要數(shù)控鉆床中的應用[J].成都師專學報，2001（6）：16-19.

[3]白建華，劉英彬，等.搖臂鉆床的數(shù)控的改造[J].機電工程，2010（18）：32-35.

[4]段明忠，王婷婷.臺式鉆床的數(shù)控化改造[J].武漢工程職業(yè)技術學院學報，2007（4）：4-6.

[5]劉順濤.TRIZ理論及應用[M].北京：北京大學出版社，2011.endprint