摘要：自动化程度不高，加工精度低的普通机床满足不了市场需要，结合本企业实际分析了普通机床存在自动化程度不高，加工精度低的实际，提出了更换成自动化程度高的数控机床迫在眉睫，普通机床实现自动化和精密化改造势在必行。
关键词：钻床数控改造
1、引 言
目前，绝大部分企业都是多年累积生产的普通机床，这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从生产能力都是不可行的。但尽快将企业现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。印刷电路板等类零件上的孔，数目既多，位置精度要求又高，用普通钻床无法加工。为此，在钻床上配备了微机控制的X、Y工作台。X、Y工作台的微机控制系统，能与钻床顺序控制器联接起来，完成全自动的钻孔工序。
2、分 析
2.1 过去的几十年里．金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上。它既能提高机床的自动化程度。又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求．又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。
2.2 由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大， 如果把旧机床设备全部以新型机床替换，我们要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50％ 以上的资金。从具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1／3到1／5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。
2.3市场据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此，机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。
2.4生产在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床．其中数控机床是最能适应这种生产需要的。
从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：
（1）可靠性高；（2）柔性强；（3） 易于实现机电一体化；（4）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。以ZJA3725×8-2型普通钻床改造为倒ZJA3725×8-2型圆柱立式钻床在我公司机械加工行业用量比较大，这主要是它购置费用低，操作简便实用，故现机加工行业还存在广泛的应用。
该种机床的传动系统主要由两大部分组成：
一是主运动传动链，它的功用是把动力源（主电机）的运动传给主轴，使主轴带动钻头旋转。通过操纵手柄控制，主轴可具有12种转速。
二是进给运动传动链，它的动力源也是主电机通过控制操纵手柄，可使主轴得到4种进给量．但也可手动控制。
改造该种机床，一可以提高原机床的精度和自动化程度，达到快速调整而且仍能保持机床的通用性．二可以提高原机床的功能． 利用微机数控方法准确地加工工件。
3、选 择
本着对机床的改动尽可能少、控制部分要求抗干扰性强、改造成本低的原则。依据有关资料的技术要求，改造之前应对该机床的性能、数据有所掌握．以便针对机床本身的精度高低来确定改造后的精度和改装范围。
一般来讲，普通立式钻床的数控改造主要有两部分，一是设计一套简易微机数控x—Y工作台，固定在钻床的工作台上。二是将控制钻头上、下运动的手柄拆去，改用微机控制步进电机通过一级减速装置使钻头上下运动。根据数控钻床的性能要求，一般钻床的加工精度在0．1～0．02之间。则钻床步进电机的脉冲当量可进为0．01ram／step，步进电机的步距角=1 5。
4、方 案
开发应用微机的机械系统比普通机械要复杂得多。除了机械结构外，还有计算机软件和接口硬件等，而且各个组成部分要一体化，组成一个完整的系统。
4.1硬件部分的构成
4.1.1 X、Y工作台
首先决定X、Y工作台的机械参数，其中最重要的是X轴和Y轴的最大行程和最大的进给速度。下表中列出了X、Y工作台的参数。行程的大小与微机内部的计数器容量有关，而工作台的进给速度与微机的工作速度有关。
4.1.2 步进电动机
下表为步进电动机的参数
电动机的参数
本系统使用的步进电机的步进角为0.9°/步，1转为400步。步进电机轴与滚珠丝杠直接相联。电机轴每转工作台移动5mm。因此，脉冲当量为：
5/400=0.0125(mm/p)
工作台移动最大行程400mm时，步进电机必须转动32000步。即，微机要发出32000个脉冲给步进电机的驱动电路，工作台才能到达最大行程。8位微机只能对0~255数码进行运算，此时的数码可为216=0~65535。
另一方面，X、Y工作台的最大进给速度为1500mm/min(25mm/s)，则微机每秒输出的脉冲数为
400×25/5＝2000(p/s)
即输出脉冲频率为2kHz。如果微机直接向步进电机输出脉冲，则必须每隔0.5ms输出一个脉冲。这完全可以用软件方法（中断）实现。本系统通过具有脉冲输出、计数功能的专用芯片输出脉冲，使计算机软件的编制非常简单。
4.2系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统 如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工， 因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。
4.3伺服系统的选择伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题． 但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系。使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题．结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展。在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求。适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。
虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外， 从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在昔通立式钻床上进行改造，精度要求不是很高（系统分辨率0．01即可），为了简化结构，降低成本，本文采用步进电机开环伺服系统。
4.4执45-机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无问隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下几点：
(1)尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等。
(2)尽量消除传动间隙。如步进电机上的传动齿轮采用偏心轴套式消庶结构。
(3)缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度。减小传动链误差。可采用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。x—Y工作台传动采用滚珠丝杠螺母传动副和滚动导轨。
4.5 计算机系统的选择计算机数控系统一般由微机部分、I／O接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。
在简易数控系统中，大多采用8位微处理器的微型计算机。如何采用Z80CPU或MCS一51单片机组成的微机应用系统。
Z80CPU有芯片价廉，通用性强，维修方便等特点。MCS一51单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快和很高的性能价格比等特点。通过比较，对于简易数控机床推荐采用MCS一51系列单片机作为主控制器。
5、实 施
5.1保留原机床主传动链，保留钻床工作台和控制工作台移动手柄，在原工作台上安装一套微机数控的x—Y工作台。由于x—Y工作台的运动部件重量和切削力不大。因此选用有预加载荷的双v形滚珠导轨。采用滚动导轨可减小两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0．01要求，需采用齿轮降速传动。
5.2 将控制钻头进给运动的手柄拆去，改用步进电机，步进电机通过一级减速，使齿轮与套筒上的齿条啮台，从而实现了主轴向下进给或向上退出。
5.3 在x、Y工作台的下底板的4个角留有一个凸台，各开一个槽，把螺栓插入原工件台的槽及此槽内用螺母旋紧。
综上所述，本文改造的总体方案确定为：采用8031单片机对数据进行计算处理，由I／O接口输出步进脉冲步进电机经一级齿轮减速后， 带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警、急停电路等。
ZJA3725×8-2数控改造后，进给定位准确，性能参数稳定，显著提高了零件的加工精度和生产效率。针对企业数控机床少，普通机床多的实际状况，此种改造起到事半功倍的效果。
课题：设备技术改造迫切要解决。
参考文献：
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