X53 銑床的數控教學設備改造

王 琦，石欣穎

（呂梁職業技術學院，山西呂梁 032300）

1 背景介紹

隨著我國機加工行業的發展，為了提高加工能力，越來越多的普通機床被閑置，數控機床的應用更加廣泛，逐漸成為現代制造企業加工過程中必不可少的設備。高職院校也將數控機床的教學作為一項重要內容。但是數控機床的購置存在以下問題。

（1）數控機床價格一般比較昂貴，若大批量購置設備，學校教學投資過大。

（2）我國現存大量普通機床，全部更換不現實，更換下的機床也會造成閑置浪費。

（3）數控機床訂購周期較長，維修保養成本高。

綜上，合理利用閑置機床顯得尤為重要。選擇學校1 臺X53立式銑床作為試驗，在原來機械結構上增加數控系統進行改造，使其具有一定的自動加工能力，以及教學演示功能。這樣既減少了廢棄機床的閑置浪費，提高了機床利用率，同時應用在教學中，可以更直觀看到數控機床的工作過程。在企業中推廣這種升級改造方式，可以有效提高企業的機械加工能力，高效完成加工任務，對于中小企業具有一定實際意義。

本文介紹學校實訓工廠1 臺X53 立式銑床數控化改造過程。設備改造完成后成為一臺數控機床的教學設備，使得學生對數控機床的工作過程有一定了解，也可以為企業大規模普通機床數控化改造提供一定經驗。

2 數控改造過程

2.1 總體改造要求

普通立式銑床改造為數控銑床教學設備，不僅要實現普通銑床的功能，提高加工精度，還要使數控系統簡單易懂，方便教學，改造成本也不宜過高。為此，選擇使用單片機作為數控系統，完成此次X53 普通立式銑床的改造。

2.2 數控銑床運動方式的確定

常見數控機床的運動方式分為點位運動、直線運動和輪廓運動。

（1）點位運動控制即以點動方式控制機床運動，對運動軌跡有嚴格要求，主要運用于數控鉆床和數控沖床等。

（2）直線運動控制系統除了要保證點的位置精度以外，還需要控制運動的直線軌跡和速度。一般簡單的數控機床采用這種運動控制。

（3）輪廓運動控制能夠控制兩個及以上的坐標方向的聯合運動，可以按照規定的加工軌跡進行直線、曲線的輪廓運動。同時還應具備插補運算和刀具補償功能，有精確的速度控制。常見的數控機床、加工中心等多采用這種運動控制方式。

本次改造的數控銑床教學設備應該具有定位、直線圓弧插補、刀具補償和暫停循環等教學功能，因此選擇使用輪廓運動控制方式。

2.3 伺服進給系統的確定

伺服進給系統一般有開環、閉環和半閉環等3 種形式。

（1）開環伺服系統只有電機控制，沒有位置檢測反饋裝置，它的精度完全取決于電機的精度以及齒輪、傳動絲杠的精度。開環伺服系統結構最為簡單，且造價便宜，維護方便。

（2）閉環伺服系統采用精確的位置檢測元件，可以實時檢測到機床各軸的位置移動，同時反饋給數控系統進行調整，具有最高的控制精度。閉環伺服系統造價最昂貴，一般用于高端數控機床和加工中心。

（3）半閉環伺服系統介于上述兩者之間，可以間接檢測到數控機床各軸的運動，控制精度比閉環低，高于開環系統。

本次改造考慮到經濟性，結構的簡單性，以及教學演示過程中需要學生直觀了解數控銑床的工作過程，不需要太高的精度要求等因素，選擇使用開環伺服系統。與其匹配的電機為步進電機，選擇步進電機為該數控銑床3 個軸的控制電機。

2.4 微機系統的選用

本次改造微機系統采用單片機控制系統，原因如下。

（1）學校開設單片機課程，數控銑床改造完成后演示教學過程，學生更容易理解。

（2）單片機編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現各種復雜的邏輯編程。單片機與上位機通信簡單，通過組態軟件可以很方便的實現人機交互。

（3）單片機成本低，安裝使用簡單。

本次改造選用的主控單片機型號為MCS-51 系列單片機中的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，以及很強的控制能力。改造過程中需要增加相應的外圍元件，構成微機數控系統。MCS-51 系列單片機程序開發簡單、通用性高，開發手段多樣，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作為數控系統的主控單元。

2.5 銑床機械結構的改造方案設計

本次數控銑床改造，通過改造縱向和橫向的運動機構實現。為了實現單片機對數控銑床各軸的運動控制，首先需要拆除原銑床上的手動操作機構，如縱向、橫向離合器，縱向、橫向手輪等。然后通過齒輪聯軸器連接步進電機與工作臺的橫向、縱向絲杠，實現電機的運動控制。對于銑床的垂直進給運動仍然保留手動操作，這樣單片機數控系統只需要控制平臺的雙向運動即可，減少傳遞環節，降低控制難度，提高控制精度。當銑床發生故障時可以手工半自動控制。改造時對受力集中的部位進行應力分析，對強度不夠的零部件進行更換，采用雙螺母結構消除間隙和調節預緊力。

升級改造的數控銑床X 軸、Y 軸傳動系統如圖1 所示。

圖1 數控銑床X 軸、Y 軸傳動系統

3 結語

經過升級改造的X53 立式數控銑床已成功應用于學校實際教學工作，取得了良好的教學效果。后續會對學校其他普通機床采用不同控制方式進行升級改造。對本設備進行完善，合理利用資源，形成數控機床教學設備集成平臺，為教學和企業的升級借鑒做出一定貢獻。