數(shù)控機(jī)床及其系統(tǒng)設(shè)計探析

盛夏

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州 310012）

1 引言

隨著現(xiàn)代科技及工業(yè)的發(fā)展，自由曲面已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，大到汽車外形，飛機(jī)機(jī)身，船舶船體，小到電話機(jī)座等。因此，如何精確、高效地設(shè)計和制造自由曲面件成為必須解決的問題。

數(shù)控機(jī)床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床;該程序控制系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序;數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床的加工過程:將各種機(jī)床動作由數(shù)字化的代碼表示，通過某種載體將信息輸入數(shù)控系統(tǒng)，控制計算機(jī)對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行原件，使機(jī)床加工出所需的工件。

2 數(shù)控機(jī)床的控制原理

數(shù)控機(jī)床是一種高度自動化的機(jī)床，在加工工藝與加工表面形成方法上，與普通機(jī)床是基本相同的，最根本的不同在于實現(xiàn)自動化控制的原理與方法上。數(shù)控機(jī)床是用數(shù)字化的信息來實現(xiàn)自動控制的，將與加工零件有關(guān)的信息—工件與刀具相對運動軌跡的尺寸參數(shù)(進(jìn)給執(zhí)行部件的進(jìn)給尺寸)，切削加工的工藝參數(shù)(主運動和進(jìn)給運動的速度、切削深度等)，以及各種輔助操作(主運動變速、刀具更換、冷卻潤滑液啟停、工件加緊松開等)等加工信息一一用規(guī)定的文字、數(shù)字和符號組成的代碼，按一定的格式編寫成加工程序單，將加工程序通過控制介質(zhì)輸入到數(shù)控裝置中，由數(shù)控裝置經(jīng)過分析處理后，發(fā)出各種與加工程序相對應(yīng)的信號和指令控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。數(shù)控機(jī)床的控制原理通過下述的數(shù)控機(jī)床的各系統(tǒng)得以實現(xiàn)其功能。

3 數(shù)控機(jī)床的組成

3.1 程序編制及程序載體

數(shù)控程序是數(shù)控機(jī)床自動加工零件的工作指令。在對加工零件進(jìn)行工藝分析的基礎(chǔ)上，確定:零件坐標(biāo)系在基礎(chǔ)坐標(biāo)系上的相對位置，即零件在機(jī)床上的安裝位置;刀具與零件相對運動的尺寸參數(shù);零件加工的工藝路線或加工順序、切削加工的工藝參數(shù)以及輔助裝置的動作等。

3.2 輸入裝置

它的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼變成相應(yīng)的電脈沖信號，傳送并存入數(shù)控裝置內(nèi)。

3.3 數(shù)控裝置及強(qiáng)電控制裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，它接受輸入裝置送來的脈沖信號，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進(jìn)行編譯令控制機(jī)床的各個部分，進(jìn)行規(guī)定的運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指有序的動作。

3.4 伺服驅(qū)動系統(tǒng)及位置檢測裝置

伺服驅(qū)動系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動裝置(電機(jī))組成，并與機(jī)床上的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。

3.5 機(jī)床的機(jī)械部分

數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部分包括:主運動部件，進(jìn)給運動執(zhí)行部件如工作臺、拖板及其傳動部件和床身立柱等支撐部件，此外，還有冷卻、潤滑、排屑、轉(zhuǎn)位和加緊等輔助裝置。

4 數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分

本數(shù)控銑床系統(tǒng)是基于“銑床專用數(shù)控器”的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其基本結(jié)構(gòu)由機(jī)床本體、銑床專用數(shù)控器、數(shù)字交流伺服進(jìn)給驅(qū)動器及電機(jī)、無刷直流主軸電機(jī)及驅(qū)動器等裝置組成。系統(tǒng)硬件的主要組成部分如下:

1 臺H4C-M銑床專用數(shù)控器;1塊輸入信號板INPUT;1塊輸出信號板OUTPUT;3臺ASDA-B系列ASD-B0221-A交流伺服驅(qū)動器;3臺PM型交流伺服電機(jī)ECMA-C30602ES;1臺主軸57BL-1O15H1-LK-001無刷直流電機(jī);1臺B L-2203 C無刷直流電機(jī)驅(qū)動器;配套電源、若干排線、若干接近開關(guān)等。

5 數(shù)控系統(tǒng)的軟件部分

此數(shù)控銑床系統(tǒng)的軟件部分由H4C-M銑床專用數(shù)控器自帶。為了滿足數(shù)控銑床系統(tǒng)要求，需要修改銑床專用數(shù)控器的一些參數(shù)。同時，對需要使用到的程序的編輯輸入操作及程序設(shè)計及指令進(jìn)行說明。

5.1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置的方法如下:連按兩下【自動/MDI】進(jìn)入MDI模式中，執(zhí)行M9999指令，即可進(jìn)入?yún)?shù)修改模式中(或按住【M】鍵5秒鐘，也可進(jìn)入?yún)?shù)修改模式中)，各參數(shù)代碼，可以參照參數(shù)表，修改完成后必需按下【RESET】。

5.1.1 分辨率分子或分母設(shè)定值

分辨率分子或分母設(shè)定值是依據(jù)機(jī)械軸向傳動裝置規(guī)格和伺服電機(jī)回授的脈波數(shù)來決定。

X軸扮杠螺距=4.OOOmm，馬達(dá)ENCODER=2_500pulse，倍率=4,齒數(shù)比 1：1。

5.1.2 馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定

工作臺設(shè)計，各廠不一。因此伺服馬達(dá)裝在扮杠的位置可左可右，可前可后。伺服馬達(dá)裝上之后，如果工作臺行走方向正好相反，可以利用參數(shù)把工作臺方向修正過來。設(shè)定0為旋轉(zhuǎn)正方向，1為旋轉(zhuǎn)負(fù)方向。根據(jù)數(shù)控銑床實際情況設(shè)定:X軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向為1,Y軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向為0,Z軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向為0。

5.1.3 各軸最高進(jìn)給速度設(shè)定

此數(shù)控銑床較小，各軸行程均較短，過高的速度造成較大的沖擊，會損害電機(jī)及滾珠絲杠。因此，將各軸最高進(jìn)給速度設(shè)定如下:X軸向最高進(jìn)給速度為1000即表示X軸最高進(jìn)給速度是每分鐘1000毫米，同樣Y,Z軸最高進(jìn)給速度也設(shè)為10000

5.2 程序的選擇

H4C-M銑床專用數(shù)控器，可以存儲編號00-0999的程序。在這些程序中，可以任選其中一程序編輯或執(zhí)行。程序選擇的方式:快按【編輯/程式選擇】鍵兩次，進(jìn)入程序選擇模式，顯示檔案目錄頁，LCD顯示如下圖所示。移動游標(biāo)至欲選擇的程序后，可以通過輸入鍵或選取鍵選擇。

在此模式下，可輸入程序注解而可用的字符張度1到12字。

5.3 修改舊程序

在修改舊程序的過程中，可以分為以下幾種情況:

5.3.1 增加(修改)一個指令

在程序語句區(qū)，將光標(biāo)移動到要增加(修改)指令的單節(jié);在數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)依次輸入增加(修改)指令所需的字母和數(shù)字;再次按刪除鍵即可完成。

5.3.2 刪除一個指令

在程序語句區(qū)，將光標(biāo)移動到要刪除指令的單節(jié);在數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)，依次輸入該指令所需的字母，而在該字母后面不輸入任何數(shù)值;再次按輸入鍵，即可完成。

5.3.3 插入一個單節(jié)

在程序語句區(qū)，將光標(biāo)移動到需要插入單節(jié)程序的上一個單節(jié);在數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)，輸入插入單節(jié)第一個指令所需的字母和數(shù)字，按下輸入鍵即可完成。

5.3.4 刪除一個單節(jié)

在程序語句區(qū)，將光標(biāo)移動到需要刪除的單節(jié);按下刪除鍵;即可完成。

6 數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)械部分

本數(shù)控銑床系統(tǒng)為二軸聯(lián)動數(shù)控銑床系統(tǒng)，如下圖所示。鑒于機(jī)床本身的誤差和需要加工零件的精度，需要對機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

6.1 聯(lián)軸器

本數(shù)控銑床系統(tǒng)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)采用電機(jī)與滾珠扮杠直接相聯(lián)的方式，需要借助聯(lián)軸器讓它們相聯(lián)。聯(lián)軸器是用來將原動機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳遞給從動機(jī)的裝置。

6.2 工作臺

數(shù)控銑床的工作臺，不僅要平整還要與主軸刀具保持垂直。即使把工作磨得很光滑平整、主軸及刀具的垂直度精度很高。也會存在著裝配誤差以及由于地基不平所帶來的誤差。因此，這里工作臺的加工方式采用“自干自”的加工方法。

7 總結(jié)

本文結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外機(jī)械設(shè)計制造的發(fā)展趨勢，結(jié)合機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)床設(shè)計理論、數(shù)控技術(shù)、電子技術(shù)應(yīng)用理論、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、曲線和曲面論、CATIA自由曲面造型及CATIA數(shù)控加工等論述了機(jī)械設(shè)計及其自動化方向技術(shù)。在一定程度上有一定的理論意義和借鑒價值，特別是對從事曲面件設(shè)計和制造以及數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控裝置開發(fā)的人員。

[1]廖效果，數(shù)控技術(shù)，湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2000年

[2]土志勇，翁迅編，數(shù)控機(jī)床與編程技術(shù)，北京大學(xué)出版社，2008.