數(shù)控機(jī)床在機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘 要:綜述了數(shù)控技術(shù)的研究進(jìn)展，介紹了數(shù)控機(jī)床的組成及系統(tǒng)的特點(diǎn)，重點(diǎn)論述了數(shù)控機(jī)床在機(jī)械基礎(chǔ)加工中的應(yīng)用實(shí)例，將數(shù)控機(jī)床應(yīng)用于機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作了探討。

關(guān)鍵詞:數(shù)控機(jī)床;數(shù)控技術(shù);數(shù)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào):G64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)19-0270-02

1 數(shù)控機(jī)床

自從1952年美國PARSON公司與麻省理工學(xué)院合作研制出世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床之后，從此機(jī)床行業(yè)，乃至整個(gè)制造業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。

在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，一般是先編寫零件加工程序單，即先分析零件加工圖樣的要求，用數(shù)字代碼來描述被加工零件的工藝過程、零件尺寸和工藝參數(shù)(如主軸轉(zhuǎn)速、切削速度等)，編寫零件加工程序單，然后利用穿孔機(jī)制作記載有加工信息的穿孔紙帶，通過光電輸入機(jī)將紙帶上的加工信息送至數(shù)控裝置，經(jīng)計(jì)算機(jī)的處理與計(jì)算，發(fā)出各種控制指令，控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)將零件加工出來。當(dāng)變更加工對(duì)象時(shí)，只需重新編寫零件的加工程序，而機(jī)床本身則不需要進(jìn)行任何調(diào)整就能把零件加工出來。所以數(shù)控機(jī)床是一種靈活性極強(qiáng)的、高效能的全自動(dòng)化加工機(jī)床，是今后機(jī)床控制的發(fā)展方向。

1.1 數(shù)控機(jī)床的組成

數(shù)控機(jī)床是一種利用數(shù)控技術(shù)，按照輸入的數(shù)字程序信息進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，其組成框圖如圖1所示。它集現(xiàn)代機(jī)械制造枝術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)于一體，是高效率、高精度、高柔性和高自動(dòng)化的現(xiàn)代機(jī)械加工設(shè)備。數(shù)控機(jī)床主要由機(jī)床主機(jī)、數(shù)控(CNC)系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)等裝置構(gòu)成。其中，機(jī)床主機(jī)是加工執(zhí)行機(jī)構(gòu)，數(shù)控(CNC)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的控制核心。伺服驅(qū)動(dòng)是數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)信念的功率放大裝置。在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，數(shù)控機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸按照程序指令速度協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜加工軌跡的控制。數(shù)控機(jī)床是數(shù)控加工的硬件基礎(chǔ)，其性能對(duì)加工效率、精度有決定性的影響。

數(shù)控加工技術(shù)集傳統(tǒng)的機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代控制、傳感檢側(cè)，信息處理、光機(jī)電技術(shù)于一體，是現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，有效地解決了復(fù)雜、精密、小批多變零件的加工問題，使機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的變化。數(shù)控加工技術(shù)的水平和普及程度，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家綜合國力和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。

1.2 華中“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)中心所購置的數(shù)控機(jī)床均采用華中“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)，它是在華中I型、華中2000系列數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，滿足用戶對(duì)低價(jià)格、高性能、簡(jiǎn)單、可靠的要求而開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)。

相對(duì)于國內(nèi)外其他同等檔次的數(shù)控系統(tǒng)，世紀(jì)星系列數(shù)控系統(tǒng)(HNC-21T，HNC-21M)具有高可靠性和高性能的特點(diǎn);與其他國內(nèi)外同等檔次的普及型數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品相比，世紀(jì)星系列數(shù)控系統(tǒng)的性價(jià)比較高;此外，它的配置比較置靈活，可自由選配各種類型的脈沖接口、模擬接口交流伺服驅(qū)動(dòng)單元或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。世紀(jì)星系列數(shù)控系統(tǒng)配置交流伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)的位置信號(hào)實(shí)時(shí)反饋到數(shù)控單元，由數(shù)控單元對(duì)它們的實(shí)際運(yùn)行全過程進(jìn)行精確的閉環(huán)控制。

華中“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)目前已廣泛用于車、銑、磨、鍛、齒輪、仿形、激光加工、紡織、醫(yī)療等設(shè)備，適用的領(lǐng)域有數(shù)控機(jī)床配套、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造、數(shù)控技術(shù)教學(xué)等。

圖1 數(shù)控機(jī)床的組成及框圖

2 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用——凸輪的設(shè)計(jì)與數(shù)控加工系統(tǒng)

凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的一中常用機(jī)構(gòu)，它可以實(shí)現(xiàn)預(yù)想的動(dòng)作和其他機(jī)構(gòu)不易實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在自動(dòng)化和半自動(dòng)化機(jī)械中應(yīng)用非常廣泛。對(duì)凸輪進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)工作要求確定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后按照這一運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線;此外，還要求傳動(dòng)時(shí)受力良好，結(jié)構(gòu)緊湊。因此我們現(xiàn)代往往采用數(shù)控加工的方法對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。

凸輪機(jī)構(gòu)按驅(qū)動(dòng)件可分為直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，以下介紹一種凸輪的設(shè)計(jì)與數(shù)控加工系統(tǒng)，以擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)為重點(diǎn)加以闡述，實(shí)現(xiàn)此類凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、編程、校驗(yàn)以及數(shù)控加工。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)成及功能

本實(shí)驗(yàn)由數(shù)據(jù)采集運(yùn)算程序軟件和與加工中心的網(wǎng)絡(luò)連接兩部分構(gòu)成。

其功能有:由初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過運(yùn)算，最終確定最優(yōu)數(shù)據(jù)，最后可生成單片凸輪或共軛凸輪以及溝槽凸輪的實(shí)際輪廓圖、刀具中心運(yùn)行圖、加工中心宏程序、刀具加工數(shù)據(jù)值等可選擇的各類輸出信息。網(wǎng)絡(luò)連接部分實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與加工中心的數(shù)據(jù)傳輸，這樣使得凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加工變得簡(jiǎn)便易行，效率成倍提升，達(dá)到事半功倍的效果。

2.2 程序流程圖及說明

由圖2程序流程可以看出:凸輪機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)由中心距L、擺動(dòng)從動(dòng)件長(zhǎng)度l、滾子直徑Q、凸輪小半徑r、凸輪大半徑R、刀具直徑d組成;從運(yùn)行周期要已知凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向及角度分布T1、T2、T3、T4。運(yùn)用這些基本參數(shù)運(yùn)行本程序系統(tǒng)，可以分析判斷滾子從動(dòng)件的受力情況，通過計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)壓力角，來判斷某個(gè)參數(shù)的合理性，并從中挑選出機(jī)構(gòu)最緊湊，受力情況良好的機(jī)構(gòu)參數(shù)，最終形成滿足設(shè)計(jì)要求的凸輪機(jī)構(gòu)，自動(dòng)形成加工中心宏程序及其工作圖，用于完成加工和圖紙資料歸檔，整個(gè)過程結(jié)束。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

以圖3擺動(dòng)從動(dòng)件共軛凸輪為例:已知L=180mm，1=150mm，Q=φ72mm，R=110mm，r=70mm，采用刀具直徑25mm，圓周角度分布為:T1=75°，T2=0°，T3=75°，T2=

210°，凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(如圖3所示);由這些基本參數(shù)輸入本程序系統(tǒng)，通過選擇曲線類型進(jìn)行比較和優(yōu)化，最終得出符合設(shè)計(jì)要求的凸輪機(jī)構(gòu)，最終輸出結(jié)果。

上述自動(dòng)生成的程序若在加工中心調(diào)試加工成功，則將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用到凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加工中來，明顯可以提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和加工效率。

3 結(jié)語

綜上所述，數(shù)控技術(shù)具有強(qiáng)大的功能和廣闊的應(yīng)用前景，代表著金屬切削加工技術(shù)的發(fā)展方向。數(shù)控機(jī)床的控制工程使單臺(tái)數(shù)控機(jī)床聯(lián)線生產(chǎn)成為了現(xiàn)實(shí)，又由于現(xiàn)代化數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)對(duì)各類數(shù)控機(jī)床和各類工作任務(wù)具有簡(jiǎn)單編程和自由編程的適應(yīng)能力，這就為數(shù)控機(jī)床提供了廣泛應(yīng)用的可能性。

結(jié)合數(shù)控機(jī)床及數(shù)控加工中心，我們機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室可以為實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展以下幾個(gè)方面的工作:

(1)配合專業(yè)課程進(jìn)行專題實(shí)驗(yàn)。例如數(shù)控編程課程的編程實(shí)驗(yàn);工藝類的數(shù)控工藝實(shí)驗(yàn);機(jī)床類的數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)。學(xué)員在編程軟件上進(jìn)行數(shù)控編程練習(xí)，掌握數(shù)控編程的方法，針對(duì)典型零件，編制加工程序，進(jìn)行圖形仿真，找出錯(cuò)誤，直到完善。同時(shí)，學(xué)員還可在編程軟件上進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的操作、使用、編程、掌握數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)體系，如:機(jī)床操作編程、參數(shù)體系，機(jī)床對(duì)刀。工件加工等作必備的基本技能。此外，學(xué)員分期分批在數(shù)控機(jī)床上空運(yùn)行狀態(tài)下熟悉機(jī)床的實(shí)際操作方法，數(shù)控系統(tǒng)的使用方法、使之有感性認(rèn)識(shí)。

(2)配合專業(yè)課程的課程設(shè)計(jì)。機(jī)械課程設(shè)計(jì)，作為一個(gè)強(qiáng)調(diào)實(shí)踐環(huán)節(jié)的專業(yè)及課程，其課程設(shè)計(jì)除了必須完成一定量的書面作業(yè)外，還應(yīng)完成足夠的實(shí)踐課時(shí)，最好是將二者有機(jī)地結(jié)合起來，針對(duì)某個(gè)實(shí)際工件，以圖面設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、編程、加工實(shí)現(xiàn)一體化，作為課程設(shè)計(jì)的主導(dǎo)內(nèi)容。

(3)選一些感興趣的學(xué)員，在老師的指導(dǎo)下，在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行實(shí)際加工練習(xí)，以加工出合格的工件為準(zhǔn)。還可在數(shù)控機(jī)床上加工機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，這樣不僅可以節(jié)約經(jīng)費(fèi)，還可以促進(jìn)學(xué)員培養(yǎng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。

數(shù)控實(shí)驗(yàn)與機(jī)械課程相結(jié)合是重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)，可加深對(duì)已經(jīng)學(xué)過的理論基礎(chǔ)知識(shí)的理解，還會(huì)對(duì)理論基礎(chǔ)知識(shí)有新的認(rèn)識(shí)，并得到升華。通過理論——實(shí)踐——理論幾個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)員就可以做到知其然更知其所以然。

參考文獻(xiàn)

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