关键字：铣床 数控改造 单片机
0 引言
随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，产品的更新换代也不断加快。因此，对数控机床的改造也就显得比较重要，数控机床的设计与改造也成为工业发展的一个重要方面。铣床的应用十分广泛，主要用于加工面或成型表面。若要在立式铣床上加工圆弧、凸轮等特殊类平面时，就要借助于圆工作台、分度头等机床附件，并对机床进行整体调整。加工精度较低，基础调整工作费事。所以，为提高工件的加工精度，保证产品质量，便于加工圆弧面和凸轮的曲面等，可以利用数控方法对铣床进行数控化改造。
数控铣床，由于可以较好的解决形状复杂、精密小批多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，因此，在世界上得到了大力的发展，各种类型的数控铣床不断出现，数控铣床的发展趋势是：一方面研究功能齐全自动化程度高的数控铣床，以促进社会生产达到更高的自动化水平；另一方面普遍推广经济型数控铣床以加速现有生产体系的改造。
由于历史的原因，我国普通加工设备多，数控加工设备少;老设备多，新设备少。许多企业的机床精度差、故障率高。通过机床数控改造使普通机床不仅具有好的加工精度，而且还具有数控机床的功能。
1 机械部分设计
对数控机床的改造最主要的部分就是对其纵、横进给机构的改造及控制系统的设计改造，以便使其具有更加合理的结构和更全面的控制系统，便于其真正的应用于实际的生产中。
1.1 工作台的进给运动
因为改造后的基础主要加工圆弧、凸轮一类平面曲线的轮廓，所以采用微机数控实现三坐标两轴联动控制，工作台纵向（轴）、横向（轴）及垂直方向（轴）的运动，分别由步进电动机经过一级齿轮减速后，由滚珠丝杠螺母副拖动。
由于铣削时作用在电动机轴上的负载转矩较大，所以要选择大功率的步进电动机，而大功率的步进电动机的驱动较困难。步进电动机没有过载能力，在高速运动时转矩下降很多，容易丢步。要使改造后的铣床进给伺服性能较好，在改造采用直流伺服电动机驱动。改造方案如图1所示。
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图1 机床改造方案 |
（1）保留原机床的主轴旋转运动，工作台升降运动仍采用手动操作，纵、横向进给改造后既可机动进行复杂零件的计算机数控加工，又可手动操作完成简单零件的加工或用于数控加工前的对刀工作。
（2）保留原机床纵向进给的机动部分，将离合器脱开，去掉手轮。将手轮轴通过一对齿轮与步进电机相联，用微机数控系统控制纵向进给运动。加工时，将离合器脱开，使原来的机动进给停止工作。
（3）工作台横向运动方面，在原手轮安装位置，安装减速齿轮及步进电机，用微机数控系统控制横向进给运动。
（4）采用直流伺服电动机作驱动元件，伺服电动机的轴端为光轴，齿轮与电动机轴，电动机轴与传动轴采用锥环无键连接消除连接器的结构。这种连接的特点是不需要开键槽，而且两连接件的相对角度可任意调节，由于锥环之间的楔紧作用，内外环分别产生径向弹性变形，靠磨擦力与套连接，消除配合间隙，保证对中性。
2 数控系统硬件设计
数控部分采用MCS-51系列的8031单片机实现对整个系统的主控制。用8031外接3片2764（E-PROM）,一片6264（RAM）及一片8255（扩展I/O），一片8155芯片，扩展成一个较简单的微机控制系统。2764用作程序存储器，6264用来扩展8031的RAM存储器， 8155用作键盘和显示接口，8255用于接收控制面板上多路转换开关的控制信号。图2为控制系统硬件结构原理图。
当单片机系统控制X、Y轴某一台步进电机单动时，可实现铣床横向、纵向的直线进给；当控制X-Y轴配合联动时，可实现水平面内直线、斜线、圆弧及复合轨迹的加工，可以近似地复合出水平面内非圆曲线。在铣床原有加工功能的基础上，其控制精度和加工精度远高于普通铣床。
3、铣床改造中应注意的问题
（1）应尽量保留铣床的手动功能，以便操作人员对刀及调整机床。
（2）改造前先测出丝杆传动间隙，并在编程时予以补偿，改造后应测出有关参数，如最大实载切削速度、最大背刀吃刀量等，作为编程时参考依据。
（3）应尽量消除齿轮副和丝杆副的间隙，齿轮全部采用双片薄齿轮错齿法消除啮合间隙。也可采用软件补偿进给量的方法消除。
（4）铣床工作台重，而且铣削力也较大，垂直丝杆要配备较大功率的驱动电动机，要在工作台上加配重或平衡液压缸来平衡。
（5）滚动丝杆没有自锁能力，垂直坐标不能锁住，工作台会自动下降，可采用超越离合器和摩擦离合器产生制动达到自锁。
4 结束语
普通铣床数控化改造，实质就是在普通铣床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标，其目的是使原机床具有一定的柔性，提高生产效率和质量，解决复杂零件的加工问题。用单片机扩展系统将普通铣床改造为经济型铣床，简便易行，能保证零件的加工精度，对复杂零件尤其是对弧面和凸面的加工效果显著。
参考文献
1 陈绍廉主编．数控机床改造技术．北京：航空工业出版社，1989
2 张振国主编．数控机床结构与应用．北京：机械工业出版社，1990
3 李善术主编．数控机床及其应用．北京：机械工业出版社，1995
