X53 铣床的数控教学设备改造

王 琦，石欣颖

（吕梁职业技术学院，山西吕梁 032300）

1 背景介绍

随着我国机加工行业的发展，为了提高加工能力，越来越多的普通机床被闲置，数控机床的应用更加广泛，逐渐成为现代制造企业加工过程中必不可少的设备。高职院校也将数控机床的教学作为一项重要内容。但是数控机床的购置存在以下问题。

（1）数控机床价格一般比较昂贵，若大批量购置设备，学校教学投资过大。

（2）我国现存大量普通机床，全部更换不现实，更换下的机床也会造成闲置浪费。

（3）数控机床订购周期较长，维修保养成本高。

综上，合理利用闲置机床显得尤为重要。选择学校1 台X53立式铣床作为试验，在原来机械结构上增加数控系统进行改造，使其具有一定的自动加工能力，以及教学演示功能。这样既减少了废弃机床的闲置浪费，提高了机床利用率，同时应用在教学中，可以更直观看到数控机床的工作过程。在企业中推广这种升级改造方式，可以有效提高企业的机械加工能力，高效完成加工任务，对于中小企业具有一定实际意义。

本文介绍学校实训工厂1 台X53 立式铣床数控化改造过程。设备改造完成后成为一台数控机床的教学设备，使得学生对数控机床的工作过程有一定了解，也可以为企业大规模普通机床数控化改造提供一定经验。

2 数控改造过程

2.1 总体改造要求

普通立式铣床改造为数控铣床教学设备，不仅要实现普通铣床的功能，提高加工精度，还要使数控系统简单易懂，方便教学，改造成本也不宜过高。为此，选择使用单片机作为数控系统，完成此次X53 普通立式铣床的改造。

2.2 数控铣床运动方式的确定

常见数控机床的运动方式分为点位运动、直线运动和轮廓运动。

（1）点位运动控制即以点动方式控制机床运动，对运动轨迹有严格要求，主要运用于数控钻床和数控冲床等。

（2）直线运动控制系统除了要保证点的位置精度以外，还需要控制运动的直线轨迹和速度。一般简单的数控机床采用这种运动控制。

（3）轮廓运动控制能够控制两个及以上的坐标方向的联合运动，可以按照规定的加工轨迹进行直线、曲线的轮廓运动。同时还应具备插补运算和刀具补偿功能，有精确的速度控制。常见的数控机床、加工中心等多采用这种运动控制方式。

本次改造的数控铣床教学设备应该具有定位、直线圆弧插补、刀具补偿和暂停循环等教学功能，因此选择使用轮廓运动控制方式。

2.3 伺服进给系统的确定

伺服进给系统一般有开环、闭环和半闭环等3 种形式。

（1）开环伺服系统只有电机控制，没有位置检测反馈装置，它的精度完全取决于电机的精度以及齿轮、传动丝杠的精度。开环伺服系统结构最为简单，且造价便宜，维护方便。

（2）闭环伺服系统采用精确的位置检测元件，可以实时检测到机床各轴的位置移动，同时反馈给数控系统进行调整，具有最高的控制精度。闭环伺服系统造价最昂贵，一般用于高端数控机床和加工中心。

（3）半闭环伺服系统介于上述两者之间，可以间接检测到数控机床各轴的运动，控制精度比闭环低，高于开环系统。

本次改造考虑到经济性，结构的简单性，以及教学演示过程中需要学生直观了解数控铣床的工作过程，不需要太高的精度要求等因素，选择使用开环伺服系统。与其匹配的电机为步进电机，选择步进电机为该数控铣床3 个轴的控制电机。

2.4 微机系统的选用

本次改造微机系统采用单片机控制系统，原因如下。

（1）学校开设单片机课程，数控铣床改造完成后演示教学过程，学生更容易理解。

（2）单片机编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种复杂的逻辑编程。单片机与上位机通信简单，通过组态软件可以很方便的实现人机交互。

（3）单片机成本低，安装使用简单。

本次改造选用的主控单片机型号为MCS-51 系列单片机中的8031 芯片。该芯片使用集中式CPU，具有足够改造使用的I/O端口，以及很强的控制能力。改造过程中需要增加相应的外围元件，构成微机数控系统。MCS-51 系列单片机程序开发简单、通用性高，开发手段多样，相匹配的硬件资料也比较丰富[1]。综上考虑，决定采用该系列单片机作为数控系统的主控单元。

2.5 铣床机械结构的改造方案设计

本次数控铣床改造，通过改造纵向和横向的运动机构实现。为了实现单片机对数控铣床各轴的运动控制，首先需要拆除原铣床上的手动操作机构，如纵向、横向离合器，纵向、横向手轮等。然后通过齿轮联轴器连接步进电机与工作台的横向、纵向丝杠，实现电机的运动控制。对于铣床的垂直进给运动仍然保留手动操作，这样单片机数控系统只需要控制平台的双向运动即可，减少传递环节，降低控制难度，提高控制精度。当铣床发生故障时可以手工半自动控制。改造时对受力集中的部位进行应力分析，对强度不够的零部件进行更换，采用双螺母结构消除间隙和调节预紧力。

升级改造的数控铣床X 轴、Y 轴传动系统如图1 所示。

图1 数控铣床X 轴、Y 轴传动系统

3 结语

经过升级改造的X53 立式数控铣床已成功应用于学校实际教学工作，取得了良好的教学效果。后续会对学校其他普通机床采用不同控制方式进行升级改造。对本设备进行完善，合理利用资源，形成数控机床教学设备集成平台，为教学和企业的升级借鉴做出一定贡献。