基于数控技术的数控钻铣床的改造设计

生文博，阎 磊，邢 亮

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司钻井装备公司工业泵制造厂，天津 300280）

0 引言

在社会经济水平的不断提高下，对工业生产水平提出更高的要求，极大地提高了机械制造业生产精度，使得普通机床逐渐被数控机床取代，促使机床工业向数控化、智能化方向发展，数控技术凭借着自身高速化、精密化、智能化、绿色化等特点，被广泛地应用于数控钻铣床改造设计中，使得数控机床的优越性变得愈加明显，例如：增强数控钻铣床加工的适应性和加工精度，提高其生产效率和效果，保证复杂运动的实现效果等。因此，在数控技术的应用背景下，如何对数控钻铣床进行科学改造设计是设计人员必须思考和解决的问题。为了顺应这一发展趋势，以ZJK7532A数控钻铣床改造为例，提出一套切实可行的数控钻铣床改造设计方案。

1 整体改造方案确定

1.1 改造原因及目的

某单位一台ZJK7532A数控钻铣床控制系统内部结构出现不同程度的损坏，导致无法正常使用，急需对其修复。该钻铣床所用的进给装置主要选用了开环控制方式，控制系统难以精确地测量以下两个参数，分别是位移部件的速度以及位移量，这就导致在无法精确获取误差数据的基础上，难以开展相关校正工作。该钻铣床内部有进给驱动装置[1]，该装置一旦出现步距角误差问题，将会降低铣床整体加工精度。在数控技术的不断发展和普及下，为了确保改造后的数控钻铣床能够更好地应用于相关教学工作中，相关人员要对现有的ZJK7532A数控钻铣床进行改造和优化，同时，将落后的开环控制系统进行升级改造，使其转变为目前比较流行的半闭环控制系统[2]。

1.2 半闭环数控机床结构

半闭环数控机床结构设计如图1所示，从图1中可以看出，该机床主要是由以下4个部分组成：①数控装置。数控装置属于数控系统的主要组成部分，通过利用该装置，可以针对所设置好的数控加工指令[3]，将输入装置输入的指令、数据，通过内部的逻辑电路或控制软件进行编译、运算和处理，并输出各种信息和指令，以控制机床的各部分进行规定的动作；②可编程逻辑控制器。可编程逻辑控制器对任何机器或过程实现启动、控制、监视和停止，存储在自动化系统的程序存储器中的逻辑与设备设计和接线无关，可随时使用编程设备进行修改。该控制器主要负责为数控系统提供智能化、自动化的机床控制功能，实现对加工程序的编制和控制功能；③输入装置。输入装置在具体的运用中，需要对数控加工指令进行转换处理，使其被直接转换为相应的电信号，然后，将电信号传输并存储于数控装置中[4]。现阶段，数控机床经常用到的输入装置主要包含以下两种，一种是键盘，另一种是磁盘。④输出装置。常见的输出装置主要以显示器为主，通过显示器向作业人员提供可靠的系统信息，这些系统信息主要包含程序、报警信号、进给轴坐标等。

图1 半闭环数控机床结构设计示意

1.3 数控钻铣床改造方案

1.3.1 机床主要技术参数机床主要技术参数见表1。

表1 机床主要技术参数

1.3.2 机床数控系统状况

ZJK7532A数控钻铣床作为一种常用的数控机床，具有经济性高、可靠性好、集成度高、易维护、易操作等特点。但是，该单位现有的数控钻铣床出现数控系统损坏问题，无法正常、稳定地运行，由于原生产厂家该数控控制系统已停止生产[5]，并取消了对该数控系统维护服务功能，所以，技术人员要做好对数控系统的及时更换。

1.3.3 具体改造方案

在充分了解数控机床结构特点的基础上，技术人员要确定出系统、完善的数控钻铣床改造方案。该方案内容如下：①机床内部主机部件始终保持不变，主机主要包含以下两大组成部分，一种是工作台，另一种是螺纹丝杠装置；②淘汰出现质量问题的数控系统，同时，还要将西门子802C设置为数控系统；③在对进给驱动装置进行更换期间，要在科学设置机床技术参数的基础上，选用先进、新颖的伺服电机装置，并将其设置为进给驱动装置。同时，还要在全面参照原来机床进给轴结构的前提下，将其手动控制方式改造为无极变速自动控制方式，为操作人员提供极大的便利；④对机床内部控制电路进行拆除、改进处理[6]，同时，还要根据机床设备实际设计需求，完成对电气控制电路、控制装置之间连接线路的科学设计，从而确定出符合电路设计实际需求的低压设备；⑤为了确保电机接口机械部件与更换后的电机能够更好地匹配，需要对电机接口机械部件进行科学设计和改造，同时，还要将电机与丝杠之间进行有效地连接[7]，并对电机联轴器进行重新设计和优化，以保证整个改造方案的可靠性和有效性。

2 数控钻铣床控制电路设计

2.1 电气控制电路设计

机床电气控制系统在具体的设计中，所用到的总电源以三相AC 380 V电源为主，同时，还要将断路器设置为保护器件，总体电路主要包含以下两种电路，一种是主电路，另一种是辅助电路。

2.2 主电路设计

电气控制主电路主要由以下3个部分组成：

（1）主轴驱动系统电路。在改造设计中，技术人员要对主轴驱动装置进行改进，使其更改为西门子M420变频器，该变频器内部所使用的电源输入方式主要以单相AV 230 V电源输入方式为主，另外，为了进一步提高电源供电的稳定性和连续性，需要科学调整和控制单相AV 220 V电压范围，通过利用交流接触器，控制变频器通断，此外，还要在充分结合变频器内部结构特点的基础上，将其额定电流设置为15 A，然后，将15 A的断路器设置为驱动装置外部保护器，此外，变频器内部含有功能强大的保护装置，能及时发现和处理变频器内部出现的故障问题。最后，在设计断路器期间，技术人员要优先选用C型断路器。

（2）伺服驱动系统电路。该电路在实际设计期间，需要优先做好对伺服放大器的设计，通过将该放大器的三相电压直接设置为输入电压，并借助三相变压器，将降压工作落实到位，然后，将其与电机之间建立起有效的连接。还要利用交流接触器，对电路内部的通断情况进行检查和优化，并借助断路器，实现对放大器内部零件的有效保护，从而提高放大器的运行性能，延长其使用寿命。对于进给轴而言，所选用的伺服电机型号主要以三菱HF.SEl02伺服电机为主，该伺服电机的内部工作额定电流为5.3 A，当三个伺服电机同时工作期间，其额定总电流达到15.9 A，如果按照总电流倍数要求进行计算，发现断路器所对应的额定电流较高，远远超过23 A，所以，在选用断路器期间，要确保所选用的断路器额定电流不能低于23 A，只有这样，才能确保断路器型号选用的科学性和合理性，为保证数控钻铣床的改造设计水平，充分发挥和利用数控技术的应用优势。

（3）冷却和润滑电路。通过利用该装置，可以借助冷却泵，实现对冷却液的有效输送，为后期工件冷却处理提供帮助，避免因刀具在加工过程中摩擦而出现温度过高现象。另外，润滑装置在具体的使用中，要借助油泵向机床内需要润滑的部位输送相应的润滑油，需要科学设计和优化冷却和润滑电气电路。在此基础上，还要将断路器设置为电路内部保护器件，所选用的断路器规格主要以DZ47S-D10型号为主，同时，还要利用PLC结合接触器KM3对冷却电机进行自动化控制，利用接触器KM4对润滑电机进行自动化控制。

3 数控钻铣床机械改造

对于数控钻铣床而言，其机械部分改造对象主要包含以下3种，分别是同步带、同步轮和电机安装板。由于改造所使用的电机属于新型、先进电机，因此，与老电机相比，新选用的电机在螺孔位置、轴径大小方面存在一定的差异，此时，电机连接件无法再次使用，需要对其进行重新改造与设计。

3.1 同步轮和同步带的改造

电机作为驱动丝杠旋转的动力源，在实际运行中，主要借助同步轮和同步带所传输的动力进行运动的，伺服电机轴径发生一定的变化，所以，需要对连接电机与丝杠同步轮进行重新更换，而丝杠上的同步轮无需更换。同时，要在综合考虑机床电机安装孔直径的基础上，避免改造后的同步轮与孔边缘相接触，并在安装孔的中心位置处设置相应的电机轴，与改造前相比，改造后的两个同步轮中心距要尽可能保持固定不变。在对同步轮和同步带进行改造期间，需要按照三菱电机轴径设置同步轮为24 mm，然后，利用15L同步轮，将传动比例设置为1:1，确保电机按照丝杠转速进行转动，同步轮内径通常为24 mm，并使用胀紧套，将各个同步轮进行有效联结。当同步轮直径的增加后，为了确保同步轮中心距保持不变，需要对同步带的长度进行科学控制和调整。

3.2 电机安装板的改造

电机安装板作为一种常用的机械零件，将电机安全、可靠地固定于机床上。在进行实际改造期间，设计人员要在科学调整和控制电机外观结构、尺寸大小、螺孔间距等相关参数的基础上，完成对电机安装板的科学设计和制作，设计后的电机X、Z轴及Y轴安装板如图2、图3所示，由于机床结构存在一定的差异性，因此，X轴和Z轴方向所对应的电机安装板在规格尺寸设计上始终保持一致，而Y轴存在很大的不同。

图2 X、Z轴电机安装板

图3 Y轴电机安装板

4 结束语

综上所述，在数控技术的应用背景下，改造后的数控钻铣床运行正常稳定，整个机床不仅可以完成复杂度较高的加工动作，如直线插补动作、圆弧插补动作等，同时，还能采用数控编程的方式，保证工件加工精度，为数控操作实验设备的构建提供了极大的价值。因此，改造后的数控钻铣床具有非常高的应用价值和应用前景，值得被进一步推广和应用。