YHPF250（X/Y/Z）型铣床电子式机械走刀器
研制工作总结
漳州福田精密机械有限公司
2011.8
YHPF250（X/Y/Z）型铣床电子式机械走刀器研制工作总结
漳州福田精密机械有限公司是一家中外合资企业,建于20##年，位于南靖县丰田工业区，占地12000㎡，员工80人，其中各类专业技术人员24人，中高级职称8人。设有铸造、金工、组装等车间。公司主要产品有：数控机床零部件、针织机械配件、柴油机零部件件。铸造车间建筑面积3000平方米。完整的树脂砂造型线，年产各类铸件3000吨，最大单件重5吨。金加工车间主要生产高可靠性、高精度液压虎钳、托架、十字架等机床配附件及各种精密机械零件。组装车间主要生产摇臂铣床专用部件——进给器。公司高品质机床铸件出口台湾，获得台湾机床企业的认可，现与南靖其他企业联合，引进台湾具有国际先进水平的立卧五轴加工中心技术，开始步入高档数控机床制造行列。公司在机床改造领域，也有新的进步，运用两项专利研发的电子式机械走刀器，取得新的进展，获得一个注册商标，新产品经中试，用户反映良好，现已投入批量生产。
一、新产品开发的背景情况
“十五”以来，我国装备制造业快速发展，机械产品高品质的需求，对机床的性能和自动化的要求提出了越来越高的要求，最近几年虽然数控机床产业规模、产量已越居世界首位，但仍然没有改变传统机床数量占居优势的状况。我国机床设备量大面广，全国有300多万台已服役30年以上的各类机床，机床种类繁多，自动化程度低，要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金方面或是机床制造厂的能力方面都是办不到的。最近国家颁布的《循环经济促进法》和工信部、发改委等11部委联合发布《关于推进再制造产业发展的意见》，都把机床再制造作为与汽车零部件、工程机械并列的三大再制造领域。因此，用数控技术改造传统机床，实现机床功能升级，有重要的经济意义和环保意义。目前，美国、日本和德国等发达国家的机床改造成为新增长点。美国有300多家专业从事机床再制造的企业，分类极细，对大型多功能机床、齿轮加工机床、金属切削机床都有专业公司负责再制造，并提供售后质保服务。欧美各国已形成了较完善的旧件物流体系，再制造商通过各种渠道回收废旧机床，评估价值、重新设计、制造完成后打上“再制造”标签，重新进入市场销售。
数控机床改造或再制造是一项产品生命终期的可持续战略，有利于减少原材料消耗，节约能源，实现资源的循环再利用，同时可以再利用产品在设计与制造过程中的资本、技术附加值。有资料统计表明，机械零部件的再制造相对于新零部件制造可节能80％左右，节约物料消耗85％左右。机床再制造现已被国际上纳入低碳制造、应对全球气候变化，循环经济等可持续发展战略计划的关键技术。
传统铣床是我国机床产品中占有率最高的机床之一，对传统铣床床数控化改造就显得尤为的重要。配装电子式机械走刀器是当前铣床改造的主流。近年来，随着国内各种铣床改造需求的扩大，机床改造已经逐渐形成一个产业。目前国内生产商使用的普通铣床上，一般不带走刀器，全国市场上有老式铣床40多万台，用电子式机械走刀器改造普通铣床，每年改造10%，即每年需要4万台走刀器。而且全国每年新增铣机床约10万台，需要配装走刀器也有一万多台。因此预计每年全国市场需要5万多台走刀器。
综上分析，数控铣床市场前景广阔，而走刀器作为铣床数控化改造的主要构件，必然随着铣床需求量的增加而增加。
二、新产品开发的总体思路
铣床配置走刀器属于机床改造或再制造的范畴。机床的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加装数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，以提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精 度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。
铣床动力进给器，就是依据铣床改造的上原则进行的。电子式机械走刀器是一种机电结合非常紧凑和巧妙的高新技术产品。机械加工制造业是工业经济的重要组成部分，万能摇臂铣床、钻铣床、小型磨床及专用机床等机床作为机械加工的通用设备，其质量的好坏直接影响到加工产品的质量好坏，因此，铣床等机床的性能改进普遍受重视，而作为铣床等机床的动力进给器——走刀器也自然而然地受到业内人士的关注。本项目研制铣床电子式机械走刀器主要用于万能摇臂铣床、钻铣床、小型磨床及专用机床等机床的动力给进。
本项目铣床电子式机械走刀器运用“带伺服的齿轮走刀器”和“电子式机械走刀器”两项专利技术。
图1 ：电子式机械走刀器外形图
三、新产品开发的具体内容及创新点
本项目研究重点是对铣床的传统走刀器“机械走刀器”及“电子走刀器”的技术集成和升级。研究开发了电子手轮、速度显示器、电子控制系统、印制绕组电机及宽电压稳压的开关电源。
（一）项目研究开发过程中所涉及的关键技术：
1、开关电源具有自适应技术，外接电源110V或220V时，无需开关转换即可供给进给器工作。
2、无级调速微电脑电路控制技术，走刀器的主轴运动靠齿轮传动，其输出转速最高可达200转/分钟以上。走刀器电子控制线路装有电位器和转向开关，用于控制输出轴运动速度和旋转方向。输出轴低转速时具有扭矩自动补偿功能，最大扭矩达到20Nm以上。
3、速度显示技术。本走刀器的速度显示器，与电位器联接，用于显示输出轴旋转速度。
4、手轮微调技术。 当转向开关置于“空挡”时，转动手轮即可控制铣床工作台运动速度和方向,实现工作台对刀具的微动、达到准确快速对刀。改变手轮的转动速度就可以改变了铣床工作台的移动速度。手轮转动速度越高,铣床工作台移动速度越快。手轮是铣床手动进给的主要控制元件。
5、印制绕组电机技术。
本产品驱动元件采用印制绕组电机，印制电机结构简单，它的定子由高性能永久磁体组成，建立轴向磁场；转子无铁心，是由多层按一定规律均匀分布的导体（一般为铜材）经特殊加工工艺制成的电枢绕组。电枢绕组一般是用腐蚀法、电化学沉积法、电化学转移法在复铜箔板上印制而成。它没有传统的换向器，而是利用电枢绕组的一个特定表面兼作换向器；电源经特制的按规定位置轴向放置的电刷施加于电枢绕组，电刷与换向器间呈平面滑动接触。
印制电机具有优良伺服性能。与传统伺服电机相比，印刷电机具有输出转矩均匀、力矩波动小、调速范围宽、无级调速方便、惯量小、快速响应性能好、电机体积小、重量轻，轴向尺寸短、安装配合方便等特点。图2所示印制绕组电机转子轴向尺寸很小，同样功率的直流电机转子轴向尺寸要大得多。本产品YHPF250（X/Y/Z）走刀器的印制电机转子只用铜线70g，而同功率的直流电机漆包线用量380g，硅钢片580g。
图2 印制绕组电机转子与传统电机转子外形图
左为印制绕组电机转子； 右为普通直流电机转子。
（二）项目技术路线和工艺流程图
技术路线：
市场与技术现状调研---结构方案设计与论证---控制系统与传动系统设计---绘制图样---采购配件与专用设备---制造整机---检测与试验---用户中试---项目验收或鉴定。
工艺流程图：
铝合金压铸件：压铸模型设计与制造→毛坯压铸→退火→机加工→检验→表面涂漆→入库。
齿轮：下料→热处理→表面加工→齿形加工→表面发黑防锈处理→检验→入库。
部件分装→整机总装→装配质量检验与技术参数检验→可靠性试验。
（三）项目创新点
目前市场上使用的两大类走刀器，一类是机械式，另一类是电子式。机械式走刀器优点是力矩大，缺点是传动齿轮多，需档位变速，结构复杂，重量较重，操作不方便。而电子式走刀器优点是操作方便，缺点是力矩小，在机床进给加工时满足不了低速大转矩的要求，退刀时则达不到高速中转矩，而且采用高速电机，塑料齿轮，传动不可靠，不能与数控链接。
我公司研制的本项目产品是对铣床的传统走刀器“机械式走刀器”及“电子式走刀器”进行改造，运用两项专利技术“电子式机械走刀器（专利号：200820101327.8）”与“带伺服齿轮走刀器（专利号：200920138827.3）”进行的生产技术创新，研究开发了数控电子手轮、速度显示器、无级调速与宽电压自适应技术、单片机电路管理，通过电机驱动，实现低转速自动扭矩补偿，从而达到机械传动效率高、系统安全稳定。
1、采用手轮结构，具有工作台位置微调功能，缓慢转动手轮，电位器的电位值也缓慢改变，工作台移动速度随着变慢，提高了对刀的准确性，定位误差＜0.10mm，实现微调功能。手轮由人工操作，手轮转向决定走刀方向，手轮速度决定走刀速度，因此，手轮也可用于手动进给。
2、单片机的中枢功能，对整体线路加以控制，将电机、电源、手轮装置、速度显示、行程控制、操作系统、速度反馈、过载保护等有机的结合起来，使之具有数控的功效。
3、无级调速、速度显示，具有低速力矩自动补偿功能，最大扭矩达到≥20N.m，操作简便。控制器上的行程开关，用于左右限位，操作器由电位器和正反向开关组成，用于联动及速度调节，确保系统安全。电机输出轴与齿轮变速箱连接，齿轮变速箱中装有减速齿轮组，齿轮变速箱的输出轴可与铣床工作台连接，电机接一测速器，测速器经控制器连接显示器，用于稳定速度及提供速度信号，从而实现速度的显示和调控。
4、采用自动过载保护电路。自动过载保护电路利用负载电流信号在设定域值以上，电路有效进入截止状态，保证电机及机械机构在额定值内正常工作，超过额定值时电机能自动关闭，达到整个系统安全。
通过上述技术研究开发，克服了电子式走刀器扭矩小、转动部件易损坏，机械式走刀器传动齿轮多、需档位变速、操作不方便等缺点。从而达到输出扭矩大、无级调速、速度显示、手轮微调、操作方便等优点。
YHPF250（X/Y/Z）型主要技术指标
外接电源电压:AC220V或110V;
电机功率：250w，额定工作电压：DC36V；
工作电流: ≤3A；
调速方法：无级调速；
调速范围：0～200r/min；
最大扭矩：≥20Nm；
手动驱动装置：手轮驱动；
具有速度显示器；
四、新产品试制情况及解决的工艺技术问题
本项目产品研制起于20##年9月，至20##年5月试产成功。研制过程历经市场调研、决策、设计、样机试制、样机运行试验、试产、改进设计、定型、企业标准审定备案、小批量投产推广应用等研发过程。
1、市场调研、决策阶段
大量搜集有关国内走刀器的市场需求信息，分析国内铣床的生产现状，对研制铣床电子式机械走刀器的可行性进行研究，并请专家论证和决策。
2、样机方案设计和图样设计、工艺文件编制阶段。
铣床电子式机械走刀器集机械、电机、电子、数控等一体化高技术产品。样机技术设计也分四个小组进行。
产品结构由外壳部分、电器驱动部分、控制部分等组成。
绘制样机图样包括总图、装配图、部件图、电气线路图等技术图样，编制生产工艺文件，形成样机试制的指导性文件。
按照样机的试制方案，分成标准件采购计划实施部分、外协件委托加工部分；非标件自制加工，最后进行组装调试。
3、样机试制、运行试验及定型阶段
①印制绕组电机的配套设计与试验。本产品原设计配套普通直流电机，其转子如图2右图所示，转子长度大，重量大，技术性能也不如印制绕组电机。走刀器改装印制绕组电机，主要进行配套试验，专门设计一台试验台，试验台可以模拟铣床工作状态，检测走刀器的工作电流、工作电压、转速，手动功能试验等，也可以进行可靠边性试验。
②齿轮传动。二级减速传动，第一级斜齿，第二级直齿，钢制小模数齿轮，调质处理。
③整机外壳。采用铝合金压铸，压铸模型由本公司设计与加工，压铸工艺外协。
④电器元件的检验：电位器、显示器、开关电源，公司均有试验台，进行技术参数的检测。
走刀器整机装配完成后，公司质检部按设计要求进行检测，发送用户试用。
20##年5月，委托福建省产品质量检验研究院对公司生产的铣床电子式机械走刀器进行检测，被检产品所有的技术指标均符Q/ZZFT 001-2010《铣床电子式机械走刀器》企业标准的规定。
五、新产品标准在生产工艺中的布局情况及出厂检测的标准化控制情况
本项目产品标准引用以下四项国家标准，二项机械行业标准，
GB755-2000 旋转电机 定额和性能
GB 5226.1-2002 机械安全 机械电气设备 第一部分：通用技术条件
GB／T 9969-2008 工业产品使用说明书 总则
GB／T 13978-1992 数字多用表 通用技术条件
GB 18209.3-2002 机械安全 指标、标志和操作 第3部分：操作件的位置和操作要求
JB／T 7539-1994 机电产品包装检验规程 导则
JB／T 8827-1999 机电产品防震包装
产品标准Q/ZZFT 001-2010《铣床电子式机械走刀器》，参考了上述标准的相关规定，实测产品的个别指标还超过本企业标准的规定。企业在组织生产和判定产品质量时，完全依据本企业标准规定的要求，进行检验和验收或发货。
检检的项目有：
1. 输出扭矩（N.m）；
2. 输出转速（r/min）；
3. 额定电压（V）；
4．工作电流（A）；
5．温升；
6．开关、旋钮、按钮操作方便性；
7．噪声；
8． 数字显示；
9． 手轮试验；
10．外观质量。
为使本项目产品质量得到有效的监督和保障，公司专门就产品生产工艺、检测装备进行了整改，购置了精密量具，主要有电参数测量仪、测温仪、硬度计、万能角度尺、万用表、显微镜、千分表等；对零件的加工工艺不断进行修订，对每道工序进行严格把关，制造了20多套工装夹具，保证了各零部件的加工精度达到图样要求。对产品装配进行逐项检验，保证产品各个项目都达到标准要求。
通过公司对实施标准的贯彻落实，公司在生产管理和技术管理上更加成熟。当前，在技术文件方面，已经做到完整、统一、正确，可以指导生产，在工艺、工装方面，已经配套、成熟，完全可以批量生产。
六、国内外同类产品研制生产情况
目前，我国大部分走刀器生产企业，仍循着传统的技术，生产机械式走刀器，而电子式走刀器的生产企业不多，以地域看，主要有陕西宝鸡、青岛等部分企业。目前国内市场上生产走刀器的厂家主要集中在广东、陕西宝鸡、青岛等地区，主要产品有同益APF-500、阿隆AL-310S、阿兰AL-300、彪虎ST-560、宝鸡S-235、阿松AS-235、尚品p500等。 销售价格：价格在1000元左右。 产品性能方面：调速范围，一般为0-160r/min；最大扭矩一般在15Nm左右；电机工作电压220V，不具备数显功能、结构复杂，重量较重、无手动进给功能，操作不方便，齿轮为塑料制成，传动不可靠。
国内走刀器产品尚未发现装配印制绕组电机。
七、国内外主要同类产品技术性能指标对比分析表
本公司研制的“铣床电子式机械走刀器”作为铣床动力进给器主要有以下优点或特点：
1、电源电压采用自适应技术，可使铣床电子式机械走刀器在110-220V正常工作，驱动电压可控在DC36V，电压安全性好；
2、采用无级调速微电脑电路控制，低速力矩自动补偿，最大扭矩达到20Nm以上；
3、主轴转速显示器，用于稳定速度及提供速度信号，从而实现速度的显示和调控，达到准确的速度确认性，使加工质量稳定。
技术性能对比表
八、国内外主要同类产品技术对比分析结论及本项目产品技术水平评价（结合查新报告阐述）
本项目产品是对铣床的传统走刀器“机械式走刀器”及“电子式走刀器”进行改进，研究开发了数控电子手轮、速度显示器、无级调速与自动换档器合二为一，通过直流变频电机驱动，实现低转速自动扭矩补偿技术，从而达到机械传动效率高、系统安全稳定。
据福建省机械研究院信息研究所提供的查新结论：
综合分析检索到的相关文献，并与本委托项目的查新点进行对比分析得出以下结论：
走刀器又称“铣床动力进给器”或“铣床自动进刀器”，是铣床自动进给装置，主要用于铣床工作台在X、Y、Z三个坐标方向上的工作运动。从检索情况看，国内已有生产销售走刀器的相关产品[4][5][10][13]，其中：文献5介绍建丰牌电子走刀器，原点重复定位精度为0.05mm以内；文献10介绍SBS350立式铣床动力进给器，无级调速，其输出扭距达20N.m；文献13介绍SHLM48-150-01免维护型铣床动力进给器，也采用无级变速，其输出扭距≥15.5N.m。但从所检索到的文献均未见有“具有速度显示”描述，也未见同时具有本委托项目3个查新点“电源电压采用自适应技术，可使走刀器在110～220V正常工作，驱动电压控制在24～36V，电压安全性更好；采用无级调速微电脑电路控制，低速力矩自动补偿，最大扭矩≥20N?m；采用手轮微调、具有速度显示，操作简便，且其准确定位误差＜0.1mm。”特征的相关铣床走刀器产品或技术报道。
因此，本公司铣床电子式机械走刀器的研制是成功的，产品技术性能达到国内领先水平。
九、新产品经济、社会效益分析及市场前景预测
本项目产品“铣床电子式机械走刀器”市场需求量大、前景广阔，具有市场竞争力。该项目产品目标市场为国内机械加工业，广泛使用于万能摇臂铣床、钻铣床、小型磨床及专用机床等设备。项目将以经销商销售模式为主，通过招募每个地市代理商迅速推广本项目产品，首先将占领福建省内机床市场，其次推向全国其他省份。公司产品科技含量高，产品质量好，操作简便，用途广泛，预计5年内将占全国走刀器市场份额25%，即年销售达到7万台。
项目产品生产成本的主要构成因素包括原辅材料、制造费用、能源消耗、销售费用、人工成本等，具体分析如下： ①原辅材料：铝外壳铸件、传动齿轮、电机、电子元件、标准件等； ②制造费用：生产、调试、检验、存储、运输等费用； ③能源消耗：电、水等物资及能源的消耗； ④人工成本：研发和生产检测调试人员的工资费用； ⑤销售费用：构建营销网络等产生的各项费用，包括营销人员的工资等。
本项目的5年内将从产品引入阶段逐渐往市场成熟阶段发展， 20##年12月到20##年12月市场从引入阶段往市场成长阶段过渡，在20##年到20##年，“电子式机械走刀器”的市场从成长阶段往成熟方向迈进。
在生产规划方面，第1年生产4000台，以实现产品试销售，第4年开始达产率达到100%。
各年生产规划如下表所示：
本项目是集机械制造、电机、电子、计算机数字控制系统于一体的高新技术产品，技术含量高，涉及领域广，可带动铸造、精密机械加工、电子、电机、电器等行业共同发展，促进了这些行业技术水平大幅提高，推动整个地区的技术进步和经济跨越发展。在本项目产品的大量推广，将成为机床数控化改造化的成功示例，推动机床全行业的技术进步，同时创造出大量的就业岗位，经济效益和社会效益显著。