教學(xué)型龍門式數(shù)控銑床的研制

劉洋　趙巍

摘 要：近年來，數(shù)控機(jī)床應(yīng)用到了各個(gè)行業(yè)中，數(shù)控人才的需求也不斷增大，但生產(chǎn)型設(shè)備用于教學(xué)是一種極大的資源浪費(fèi)，尤其是數(shù)控龍門銑床這種大、重型設(shè)備。為解決這一實(shí)際問題，文章研制了一臺教學(xué)型數(shù)控龍門銑床。設(shè)計(jì)了該機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了校核計(jì)算；在滿足該銑床剛度、穩(wěn)定性和抗震性的條件下，制作了該機(jī)床。該教學(xué)型銑床能夠在“數(shù)控機(jī)床及編程”中進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：教學(xué)型；龍門銑床；數(shù)控

1 數(shù)控龍門銑床的概況

根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)布局形式劃分為：按龍門架是否移動，分為龍門固定工作臺移動式和龍門移動式；按橫梁是否在立柱上運(yùn)動，分為動梁式和定梁式兩種；橫梁在高架床身上移動稱為高架式；按機(jī)床凈重和工作臺承載能力，分為輕型、中型和重型（超重型）等。目前生產(chǎn)的主要規(guī)格范圍較大，雖有進(jìn)步，但是與發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品相比，差距較大，關(guān)鍵的功能部件還是從國外進(jìn)口。

2 教學(xué)型數(shù)控設(shè)備的概況

我國的數(shù)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備的普及遠(yuǎn)不如發(fā)達(dá)國家，在實(shí)踐技術(shù)方面，只是完成一些數(shù)控教學(xué)實(shí)驗(yàn)，不能達(dá)到真正意義上的實(shí)訓(xùn)，由于生產(chǎn)型的數(shù)控設(shè)備價(jià)格昂貴，很多職校實(shí)訓(xùn)設(shè)備有限，只是通過編程練習(xí)和仿真加工，不能與實(shí)際結(jié)合，為了提高學(xué)生實(shí)際動手操作技能，研究開發(fā)教學(xué)型實(shí)訓(xùn)設(shè)備是十分必要的。

3 教學(xué)型數(shù)控龍門銑床的研究

數(shù)控龍門銑床是在一般龍門銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，數(shù)控龍門銑床主要由機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)控控制系統(tǒng)和機(jī)床附件幾大部分組成。教學(xué)型數(shù)控龍門銑床與生產(chǎn)型的機(jī)床基本結(jié)構(gòu)是相同的。教學(xué)型機(jī)床從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面考慮，其機(jī)械部件及材料可以不用承受很大的載荷，機(jī)床尺寸不用這么龐大。在控制系統(tǒng)方面可以采用開放式的數(shù)控系統(tǒng)，來代替專用的數(shù)控系統(tǒng)使其更加實(shí)用。

3.1 主要機(jī)械部件的選擇原則

（1）工作臺的選用，我們可以根據(jù)實(shí)際情況的大小指定尺寸。相應(yīng)的材料和尺寸以生產(chǎn)型機(jī)床為參考，縮放比例。

（2）導(dǎo)軌副的選用，由于教學(xué)型數(shù)控龍門銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此可以選用直線滾動導(dǎo)軌副。它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。

（3）絲杠螺母副的選用，伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，要滿足一定的定位精度，滑動絲杠副無能為力，我們可以選用滾珠絲杠副，滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。

（4）伺服電動機(jī)的選用，由于用于教學(xué)不必采用高檔次的伺服電動機(jī)，我們可以選用性能好一些的步進(jìn)電動機(jī)，如混合式步進(jìn)電動機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。

（5）檢測裝置的選用，選用步進(jìn)電動機(jī)作為伺服電動機(jī)后，可選開環(huán)控制也可選閉環(huán)控制。為了確保電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。

3.2 控制系統(tǒng)的選擇原則

使用開放式數(shù)控系統(tǒng)，開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有如下的特點(diǎn)：

（1）高速、高可靠性：主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)60000r/min，進(jìn)給速度達(dá)到60m/min，系統(tǒng)平均無故障時(shí)間達(dá)到30000h以上。

（2）標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化：通過選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)化模塊可組成各種數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)，也有利于數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展和升級。

（3）智能化：自適應(yīng)控制技術(shù)的引進(jìn)，有關(guān)參數(shù)可自動調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)化的工作運(yùn)行。

（4）網(wǎng)絡(luò)化：有強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，可以讓標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)控系統(tǒng)無縫連接，實(shí)現(xiàn)軟硬件資源共享。

（5）易操作性：傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)專業(yè)化程度高，對員工的能力要求較高，開放式數(shù)控系統(tǒng)容易操作，通用性強(qiáng)。

針對開放式數(shù)控系統(tǒng)采用較多的是PC+NC的方法。即把專用的運(yùn)動控制器或者完整的NC單元嵌入到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展插槽中。文章采用PMAC多軸運(yùn)動控制器作為NC模塊，這種研究方法具有成本較低、可運(yùn)行用戶自定義軟件、界面友好等優(yōu)點(diǎn)。

4 教學(xué)型數(shù)控銑床設(shè)計(jì)方案

4.1 數(shù)控銑床的總體布局

銑床的總體布局有立式和臥式之分。立式布局引用較多，在本次課題教學(xué)型數(shù)控銑床的布局中，采用的是小型龍門式結(jié)構(gòu)如圖1。

4.2 教學(xué)型數(shù)控銑床傳動方案設(shè)計(jì)

銑床是在X軸、Y軸和Z軸三個(gè)坐標(biāo)軸上，任意兩軸聯(lián)動實(shí)現(xiàn)工作的。X軸與Y軸的進(jìn)給運(yùn)動是通過步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器與滾珠絲杠等的相連，絲杠螺母又在滾珠絲杠運(yùn)動。在工作的過程中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是靠步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)的，水平運(yùn)動依賴滾珠絲杠螺母沿導(dǎo)軌移動，從而實(shí)現(xiàn)切削動作。

4.3 導(dǎo)軌及驅(qū)動裝置

導(dǎo)軌采用圓柱直線導(dǎo)軌如圖2，其特點(diǎn)是：防銹蝕性高；組裝容易；互換容易，圓柱直線導(dǎo)軌產(chǎn)品低噪音，有滾輪與軸心接觸均勻滑動，滑塊為自動調(diào)心設(shè)計(jì)可互換性，任一滑軌，滑塊均可互換使用；低成本化；應(yīng)用廣泛等。

承載兩水平進(jìn)給軸采用步進(jìn)電機(jī)直連驅(qū)動如圖3，其特點(diǎn)是在不超載的情況下，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；電機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)候具有最大的轉(zhuǎn)矩；由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運(yùn)動的重復(fù)性；良好的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得伺服系統(tǒng)的構(gòu)成比較簡單而且成本低；將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍，完全符合本次設(shè)計(jì)任務(wù)。

4.4 主軸

主軸組件包括軸、軸承、主軸上的傳動件和密封件等。數(shù)控系統(tǒng)不僅可以控制主軸的啟動、停止和變速，還能控制主軸上刀具的切削運(yùn)動。主軸結(jié)構(gòu)的好壞關(guān)系到教學(xué)型數(shù)控銑床的使用性能，決定了教學(xué)型數(shù)控銑床的動態(tài)剛度與加工精度。根據(jù)設(shè)計(jì)需要直接選用高精度雕銑機(jī)主軸，如圖4。

5 結(jié)束語

教學(xué)型的數(shù)控龍門銑床的引入是解決大、重型設(shè)備實(shí)訓(xùn)的最佳途徑，既節(jié)省了成本，又可以達(dá)到實(shí)訓(xùn)的真正意義，也讓實(shí)訓(xùn)設(shè)備充分發(fā)揮了其應(yīng)有的價(jià)值，同時(shí)開放式數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用也是未來發(fā)展的方向，讓設(shè)備的使用更加靈活多樣。