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基于ZX32G型钻铣床数控化改造的研究

作者：段明忠 王小华

来源：《价值工程》2018年第01期

摘要：针对机械制造企业中机床设备老化，不能满足当前高效率、高质量的生产要求，文章重点介绍ZX32G型钻铣床的数控化改造方案、工作原理和实施过程，将传统的机械加工机床与现有的单片机技术相结合，在原有功能基础上增加了自动进给功能，从而提高了生产效率，也为企业进行设备的数控化改造提供了一种可行的途径。

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.

关键词：数控技术；单片机；自动进给；设备改造

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

中图分类号：TG547 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）01-0129-02 0 引言

近年来，我国经济取得了飞速发展，再加上国内外竞争的逐渐加剧，使得机械制造企业存在的设备老化更加突出和普遍，在这种情况下，日益提高的产品数量和质量需求和机床设备的陈旧、落后形成了矛盾，且仅仅依靠购买新设备解决问题的可行性较低，因为多数企业都无法承担购买新设备所需的庞大资金。基于此，为了提高生产效率，可选择对一些旧设备进行必要的技术改造，如此不仅能够节约资金，还能够提高产品的竞争力。本文主要介绍ZX32G型钻铣床的数控化改造方案，为企业进行设备的改造提供了一种有效的途径。 1 数控化改造方案

ZX32G型钻铣床属于一种小型钻床，被广泛应用在小型零件的加工、修复及装配中，具有良好的应用效果。但是该设备存在一个明显弊端，即没有自动进给装置，使得其在大批量加工期间力不从心，不仅给相关作业人员带来了巨大的负担，也严重影响了生产效率。若能够在传统的钻床中加入自动进给装置，在具体的操作中共件只需将自身所需的加工深度和进给速度输入到进给控制系统，进给控制系统就能够实现自动进给。具体改造内容如下：

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①机械部分。

主传动系统保持不变，加长进给轴，并在其上安装离合器、蜗轮和联结手柄，同时再加装一蜗杆，使其和蜗轮组成运动副。 ②数控部分。

进给控制系统选用MCS-51系列单片机，经借口电路和驱动控制电路，促使步进电机运动，并带动蜗轮蜗杆副的运动。 2 机械改造部分

ZX32G型钻铣床中主轴旋转运动方式是由主电机经皮带轮传动的[1]。在实际的加工期间，主轴不仅做旋转运动，也做轴向进给运动，如图1所示，主轴旋转的过程是进给手柄带动小齿轮运动，然后小齿轮带动主轴套筒上的齿条运动，最后两者一起让主轴随主轴套筒作直线进给运动。

钻孔时通常主轴进给速度较慢，利用蜗轮蜗杆副进行一级减速即可实现良好的效果。这是因为蜗轮蜗杆不仅精度高，而且工作平稳、传动比大。因此，如图2所示，为了使设备的应用效果更佳，笔者在传统的进给轴的基础上加上了一个蜗轮和离合器、一个蜗杆、蜗轮蜗杆组成运动副。

不可否认还有很多方法都可以实现上述控制进给运动的目的，比如采用滚珠丝杆副和一套减速装置来带动小齿轮，但由于这次改造设备项目，除了考虑目的的达成外，实用性和经济性也是不得不考虑的因素。从实用性角度来分析，尽管滚珠丝杆副的效率和传动精度更佳，但是其结构却不如蜗轮蜗杆副紧凑，加之ZX32G型钻铣床的加工精度不是很高，若使用滚珠丝杆副其实有点不实用；从经济性角度来分析，滚珠丝杆的成本较高，而蜗轮蜗杆副的成本明显低于前者，更具经济性。其具体的工作原理如下：首先，通过步进电机带动蜗杆转动，经蜗杆蜗轮的啮合带动进给轴转动，然后进给轴上的小齿轮同时转动，经齿轮与主轴套筒上的齿条啮合，最后使主轴作垂直进给运动（见图3）。

其中离合器由两部分组成，其结合和分离由联接手柄决定。依据需求联接手柄可实现离合器左右两部分的结合和分离。当需要自动进给时，转动手柄即可让离合器左右两部分结合，使主轴作自动进给运动；反之，亦可以使离合器左右两部分分离。 3 数控部分改造

3.1 进给控制系统的总体设计方案

本系统的组成部分包括MCS-S1系统中央处理点、接口电络及驱动控制电路三部分组成。具体驱动控制电路及其功能如图4所示[2]。

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3.2 接口电路设计

如图5所示，在原系统中加入INTEL8255可编程I/O接口芯片，使其成为系统扩展接口，由于该芯片具有A、B、C三个独立的I/O通道和可编程的三种不同的工作模式，实际上增强了系统的接口功能。在系统设计中，数据交换由A通道与步进电机驱动电路完成，输出工作模式为编程I/O接口芯片8255的A口，负责管理步进电机的脉冲分配。 3.3 系统软件设计

将3K的扩展ROM区安排在MCS-51单片机控制系统板上，其地址是0000H-7FFFH，其中系统管理程序占用为0000H-3FFFH，4000H-7FFFH表示工作程序开发区。系统管理区的功能主要是初始化系统I/O端口和键盘管理，该环节不可或缺，在对统I/O端口8255进行初始化设置的基础上才能实现对钻头的进给控制，而有效控制系统的前提是对单片机键盘管理程序的初始化[3]。工作程序区是将加工过程程序固化于ROM区内，操作者在使用钻床时将进给参数输入即可，系统调用工作区程序模块，确定工作方式、步进间隔、从而驱动步进电机运动，使钻床实现自动进给[4]。具体加工程序流程图如下： 4 结束语

通过对ZX32G型钻铣床的数控化改选后，不仅保留了原机床的各项功能，还加入了自动进给的功能，如此一来操作者就可以依据自身实际需求及现场实际情况，推算出最佳的进给速度和进给长度，并将其输入到MCS-51控制系统中实现开环数控自动加工，不仅大大提高了生产效率和产品质量[5]，还有效降低了生产成本。若能辅以自动定位的夹具，其生产效率将得到进一步提升。由此可知，未来要想提高机床性能，开展数控化改造是一项可行性较高的方案，不仅节约资金，还能够提高生产效率和产品质量。 参考文献：

[1]闻邦椿.机械设计手册[M].五版.北京：机械工业出版社，2010.

[2]陈鸣.MCS-51单片机要数控钻床中的应用[J].成都师专学报，2001（6）：16-19. [3]白建华，刘英彬，等.摇臂钻床的数控的改造[J].机电工程，2010（18）：32-35. [4]段明忠，王婷婷.台式钻床的数控化改造[J].武汉工程职业技术学院学报，2007（4）：4-6.

[5]刘顺涛.TRIZ理论及应用[M].北京：北京大学出版社，2011.