（1）小车床选型：

拥有一台小车床是我青年时的梦想。那时刚刚大学毕业，开始了工厂生活，见到了厂里的机加车间中很多的机器设备。心中的羡慕无以言表，多希望自己能拥有这样的车间，实验室，可以随心所欲地把自己设计的产品制造出来！可是当时我的工资仅有45￥每个月，哪里有条件购买微型机床。于是这个夙愿就隐藏在心里很多年，一直到今天我才把它实现了！

如今的市场上，已经有各种类型的小车床，如何选择它们却不是一件容易的事。第一个问题，是机床的设计、功能、用料、精度；第二个问题是机床的尺寸和重量；第三个问题是机床的价格，只有这3个问题都得到满意的解决才可能选择它。

先说第一个问题。像机床这种工业品，一分钱一分货的道理十分突出，不要指望廉价的产品会有好的素质，尽管很多廉价的小机床采取革新设计，功能很多，但是它们的其他方面都不会太好。例如，大轴孔的车床主轴系统的刚性较差，不使用优秀轴承的机床在精度和寿命方面隐患都比较大。

首先，廉价的小机床普遍采用电子调速系统。这种系统在低转速下力矩下降明显，几乎无法使用，只能用中、高速区域，那么在加工螺纹等精密零件时就会出现问题了；因此，最好选择带有标准车床齿轮箱的产品，这类产品的低速档力矩会呈线性增加，大大提高了加工性能；有一些产品采用更换皮带的办法来调速，这种设计也是不可取的。尽管用皮带减速可以增加低速力矩，但是在使用当中频繁更换皮带十分麻烦，很不实用。

其次，尽管普及类小车床都带有自动走刀系统，但是，简单的设计并不支持螺纹加工，仅仅支持两个进给量的自动走刀，并且还要依靠更换挂论来改变进给量。这种设计不能接受，因为螺纹加工非常重要，不能没有。即便是有螺纹加工功能，也采用更换挂轮的方式来调节，实际使用起来也是相当麻烦的。理想的设计还是传统的工业机床方案，直接在主轴箱内装有齿轮离合器，依靠手柄来快速调节进给量和螺纹规格。因此，床头箱带有4个手柄的车床才是最理想的设计。但是，这种设计的产品往往都尺寸大，份量重，价格高昂！这样的条件给我的选择带来了很大的困难。

最后，必须要考虑的是自己的居住条件。我的家在14层居民楼上，我查阅了国家的居民楼楼板承重规范，正常是200kg/m2，我已经有了一台小铣床，如果再并列放置一台小车床，总重量就很可能超标，这是非常危险的，有严重的事故隐患，这个条件大大限制了我选择理想小车床的范围，只能选择重量低于150kg的产品，而且，如果分量过重，运输、搬上楼也会出现较困难。

这种尴尬是无法解决的！完全限制了我的选择，除了选择体量最小的产品别无他法。最终，我选定了呲铁18C微型车床，它的尺寸小于1000mm，重量和一个成年人一样。

这台微型车床的价格较高，消耗了我一个多月的工资。它的优点显而易见，使用了高阶主轴轴承，各处的刚性设计都不错，加工精度也比较高，这些基础素质都比廉价的小车床理想。它的主轴电机仅有550W功率，也采用电子调速，走刀系统也要依靠更换挂轮来改变走刀量和各种螺纹加工规格。在走刀系统上它增加了电子数字尺，可以显示出X/Y数字尺寸，大大方便了工作。

然而，在这个价格线上，并不可能存在完美的作品，即便是价格提高数倍的德国迷你魔，也一样不能完美。到货的机器我首先注意到了，它的主轴系统设计缺陷较大。主轴依靠两级皮带轮减速，使用的电机有额定5000rpm的转速，经过减速的主轴转速还是很高（1250/2500rpm），而实用转速一般都在500rpm以下，为了达到这个转速，就需要用电子调速来降低转速，但是，这种调速系统转速越低，力矩越小，在低速下，可以用手轻易抱住卡盘，旋转力矩不够，这就不可能加工硬金属了。而且，转速越低，力矩越小，低于200rpm以后基本是不能使用的。我再观察，主轴皮带轮使用了仅仅6mm左右的超细三角带，皮带轮很小，能传递的力矩有限，这样的结构怎么能加工钢材呢？可见，对这台机床进行改造是唯一的出路。我知道，有一些俄罗斯的爱好者购买了中国产的小机床，然后都进行了一系列改造，于是我查阅了大量的国内外资料，设计了自己的改造方案。

（2）主轴系统改造：

鉴于原始结构的原因，不可能改装主轴齿轮箱，只能利用现有位置改造皮带传动系统。我选用了10mm的洗衣机用O型三角带，这种皮带的带轮最小直径可以在d50mm，如果选择13mm的A型皮带，带轮的尺寸就太大了。为了增加传送力矩，我本想用双皮带系统来联动过轮和主轴，但也是受到原结构的限制而无法实现。第一级和第二级减速都用1：2，就相当于4倍减速。提高减速比的目的是为了得到更实用的转速范围，并增大力矩。这些皮带轮都采用7075铝合金来制作，我选择了外加工，结果很好，得到的4个皮带轮重量轻，精度高，轴孔和原来的轴、轴承的配合非常精准。皮带直接购买尺寸合适的O型洗衣机皮带（462mm），价格很低。

原来的直流电机带有一个AC-DC调速器，它在低速运行时力矩很小，完全不堪使用，我决心更换它，换成一个现代伺服电机。伺服电机在额定转速到0转速这个区间的力矩输出都恒定，不会因为转速降低而减小力矩；而且，伺服电机的效率更高，在同等体积下可以有更大的功率。最后我选择的是普菲德730W2000rpm伺服电机套装，带有专用的驱动器（必须要注意，电机的尺寸能够安装到原来的位置，我选的电机拆掉了后盖，并在主轴箱侧板上重新打孔，才得以正确安装）。由于缺乏知识，我对这种现代化高精度电机完全无知，便跑到B站学习了一周，那里有完备的免费课程，讲述了伺服电机、步进电机的原理，选型，设计，操作，等等一系列知识，通过这一周的学习，我完全掌握了两种电机的使用。

普菲德伺服电机驱动器有4个按键，M/-/+/S，它带有LED数码显示屏。它的原理就是利用存储器来保存设置的数据，来指定电机的功能和参数。驱动器上电以后会自检，正确以后显示Ready，这时点动M键会在Ready、Pn、Fn、Un几个功能之间循环，每个功能都是一组存储器地址，在这个地址长按S键就能进入地址，显示出内部记忆的数据，改变这个数据可以用-、+、S键来做，最后长按S键保存，退出。可以按照说明书中的表格来设置电机的各种功能。

伺服电机可以使用两种方式来驱动。脉冲方式和模拟方式。前者需要有前端控制器，发出一连串的脉冲，用脉冲频率来控制转速；后者更简单，直接用0-10V模拟电压来控制电机的转速。我自然选择了后者控制方式，并设计了控制面板电路，可以用电位器调出0-10V的精密电压。驱动器的参数设置有：Pn307（模拟量的0速浮动值，我设定1788）；Pn000（设置00，电机正转，模拟量控制）；Pn308（设置2000，最高转速rpm）；Pn527（设置5，用于锁轴功能）；Pn529（设置12，用于反转功能）；IO CN1 插座的（23）脚作为Enable功能；（11）脚锁轴；（13）脚反转；（2）脚输入模拟电压；（14）脚输入24V电压；（1）脚接地。

由于原车床的主轴箱内部容积有限，我制作了外部电控箱，容纳两个驱动器和3个开关电源，并增加了散热风扇。

（3）走刀系统改造：

电子挂轮已经被我国的机加工爱好者开发出来，并作为商品在tb中出售了。这种控制器体积小，价格低廉，功能丰富。它的功能是，让走刀系统有独立的步进电机驱动，并可以和主轴的旋转方位同步，从而实现自动化走刀功能，并支持自动走刀、手动走刀、螺纹加工、键槽加工、自动往返、卡盘分度等等许多实用功能。它是一个由单片机开发的小系统，能发出各种需要的数字脉冲信号，接受限位行程开关信号，整个控制器可以直接安装在车床的主轴箱内。我把它的外壳去掉，安装在DIY的主轴箱控制面板上了。

这种控制器可以设定很多参数，可以配合不同结构的步进电机，光电编码器，因此适应范围很广，使用方便。它省却的参数是1600个脉冲对应步进电机旋转1圈，对应每转1000个脉冲的光电编码器，可由24V直流电源供电。

步进电机的选择主要考虑力矩。如果你采取步进电机直连丝杆的结构，就需要选择较大力矩的规格，常规推荐是大于3.2NM，我的见解是大于6.2NM为好；如果你要通过减速比为1：2的齿轮减速，电机的规格就可以选择3.2NM，从而减小电机的体积，降低价格。我的呲铁18C小机床位置有限，很难安装大型步进电机，我选择了普菲德86系列4.2NM的电机，并设计加工了平板支架，把它置于车床的左前方下部，在丝杆的前面，然后通过原机携带的80齿、40齿两个齿轮来减速。由于原40齿小齿轮的轴孔为d12，而新电机的轴径是d14，我就利用这台机床，在主轴改进以后进行了加工，然后用铣床加工了键槽，把这个齿轮用过渡配合安装到电机上了。两齿轮的配合要精确调整，让间隙最小。

步进电机也是套装，也带有驱动器，只不过它的MA860型驱动器更加简单，尺寸更小，分别把驱动器的DIR+/DIR-/PUL+/PUL-/GND/V+端子和电子挂论控制器的相应端子连接，把驱动器的A+/A-/B+/B-和步进电机的相应端子连接（注意，因为增加了齿轮减速器，使得丝杆的旋转方向和控制器的指示相反，因此需要对调A+/A-两个段子），控制器就可以正常工作了。我还制作了两个限位行程开关，但是，电子挂轮控制器要求的行程开关是常开型，我的是常闭型，所以我就用三极管组成了电子开关，转换了右侧行程开关的功能，左侧的开关换了接点。

电子挂论控制器安装就绪以后，需要几步设定参数才能正常工作，按照说明书进行调整，验证主轴的旋转方向；验证步进电机的旋转方向；设置步进电机的每转脉冲数。完成这些设置以后，走刀系统的工作就全部正常了。

结果：主轴的可调转速范围在0-500rpm之间，低速性能极好，甚至可以在1rps的速度下旋转，而且各级速度的力矩都大大提高了，休想用手抱住卡盘！但是LOCK功能还是不能和步进电机媲美，在抱死主轴的情况下，如果施加在主轴上的力矩大了，它还是会有一定的角度偏移，但撤销力矩以后它还会回到原位。

电子挂轮系统工作非常好，控制自如，功能很多，力矩充沛，但仍有一个安全问题。我设计的行程开关是可以保证大托盘不会撞击卡盘和尾架，但如果把小托盘旋入，就可能发生小托盘的碰撞，因此，在操作当中还是需要认真，可能下一步的改进我会把行程开关做成可滑动改变位置的结构，可以通过随意调整来保证工作安全。

原机携带的电子尺不得不废掉了，有些可惜。

总结，此次改造计划非常成功，效果优异，成本也不低。