多功能數(shù)控組合機(jī)床教學(xué)機(jī)電氣系統(tǒng)研究

沙春 顧擁軍 焦彬 孫健華

摘 要：隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，工件的批量不斷減少，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，加上產(chǎn)品高附加值日趨深化，單一的機(jī)械加工方式不能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，往往需要多工序融合甚至是復(fù)合加工。人們把運(yùn)用兩種或兩種以上加工方式，同時(shí)或有時(shí)序地進(jìn)行完整加工的機(jī)床稱為多功能機(jī)床（或稱為復(fù)合加工機(jī)床）。該文系統(tǒng)地闡述了多功能數(shù)控組合機(jī)床教學(xué)機(jī)電氣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為了達(dá)到車削、銑削、磨削的多功能設(shè)計(jì)，從應(yīng)用角度出發(fā)，分析了電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成，設(shè)計(jì)了電氣控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：多功能加工電氣系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)輔助功能

中圖分類號(hào)： TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）09（c）-0036-02

該課題來源于該校與江蘇環(huán)洋組合機(jī)床有限公司、南通海盟羅蘭機(jī)械有限公司的科研合作項(xiàng)目，屬于多功能數(shù)控組合機(jī)床教學(xué)機(jī)研發(fā)的子課題之一。根據(jù)研究計(jì)劃和初步設(shè)想，多功能數(shù)控組合機(jī)床教學(xué)機(jī)集車、銑、平面磨和外圓磨四種功能于一體，滿足職業(yè)學(xué)校、中小型或小微企業(yè)進(jìn)行技能訓(xùn)練或小型零件加工的要求，并達(dá)到數(shù)字化控制的目的。該項(xiàng)目目前初步完成了機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，為后續(xù)電氣設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

組合機(jī)床已成為機(jī)床產(chǎn)品的發(fā)展趨勢之一，作為機(jī)床中占有相當(dāng)比重的車床、銑床、平面磨床和外圓磨床如果能夠結(jié)合起來，無疑將大大提高機(jī)床的加工種類和工作效率，廣泛應(yīng)用于汽車維修、遠(yuǎn)洋船舶、造紙技術(shù)、中小型企業(yè)等行業(yè)，而現(xiàn)有的組合機(jī)床，以繼電器方式控制的居多，也有部分稍微高級的機(jī)床加入了數(shù)字顯示功能，經(jīng)過多年的實(shí)踐，電氣故障頻出、維修困難，難以滿足各行業(yè)生產(chǎn)的要求，一個(gè)實(shí)用又經(jīng)濟(jì)的方法是采用數(shù)控系統(tǒng)作為核心控制器的控制方式來控制組合機(jī)床。目前，組合機(jī)床主要有兩個(gè)發(fā)展趨勢：一是由單工位向多工位的過渡，并開始逐步應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線的發(fā)展；二是從適合于大批量生產(chǎn)量向適合于中小批量生產(chǎn)發(fā)展，同時(shí)保證高效率、高精度和通用性好。

該機(jī)床（教學(xué)機(jī)）目前的應(yīng)用前景很好，可以應(yīng)用于職業(yè)院校作為教學(xué)設(shè)備，既可以用于機(jī)械加工的教學(xué)，可以省去單獨(dú)購買車床、銑床和磨床的費(fèi)用，復(fù)合機(jī)床的價(jià)格相對三臺(tái)獨(dú)立的機(jī)床價(jià)格要低很多，也可以用于機(jī)電一體化方面的課程教學(xué)，該組合機(jī)床將電氣控制技術(shù)、液壓氣動(dòng)技術(shù)、測試技術(shù)等置于機(jī)床本體外側(cè)，使得學(xué)生能夠親眼目睹電氣控制、液壓氣動(dòng)控制和測試傳感控制的具體安裝、連接和應(yīng)用，機(jī)電一體化、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等專業(yè)的學(xué)生通過學(xué)習(xí)可以對數(shù)控系統(tǒng)有很深的認(rèn)識(shí)；除了應(yīng)用于教學(xué)之外，還可以作為中小型企業(yè)、小微企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備或者應(yīng)用遠(yuǎn)洋船舶上的維修車間等等，功能較全，購置成本較低。

1 研究的目標(biāo)和主要內(nèi)容

1.1 多功能數(shù)控組合機(jī)床教學(xué)機(jī)的結(jié)構(gòu)

多功能數(shù)控組合機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了能夠?qū)崿F(xiàn)車削、銑削、平面磨削和外圓磨削等多種切削加工功能，設(shè)備中采用了銑主軸電機(jī)、車/外圓磨頭主軸電機(jī)、平面磨頭電機(jī)作為機(jī)床的主軸電機(jī)。

此外還有排屑器電機(jī)、液壓泵電機(jī)、水泵電機(jī)、變頻器冷卻風(fēng)扇電機(jī)、車床系統(tǒng)刀架電機(jī)、銑頭行走電機(jī)、磨頭行走電機(jī)等輔助電機(jī)結(jié)構(gòu)。

為了能使主軸實(shí)現(xiàn)無極變速，采用專用變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+變頻器的變頻調(diào)速方式，可以使得機(jī)械自動(dòng)化程度大幅提高，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，提高產(chǎn)品合格率及產(chǎn)品質(zhì)量。變頻調(diào)速已成為主流的調(diào)速方案，可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)無極變速傳動(dòng)，特別是隨著變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)日益廣泛的應(yīng)用，變頻電機(jī)的使用也日益廣泛起來。車削/外圓磨主軸電機(jī)采用額定電壓380 V、功率5.5KW、4極變頻電機(jī)，變頻器采用通用型西門子MM420系列，其強(qiáng)大的通訊功能和開放式的編程平臺(tái)，使得變頻器在工業(yè)控制中如造紙、化工、鋼鐵、機(jī)械制造等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1.2 進(jìn)給電機(jī)控制

該系統(tǒng)中共采用三套伺服控制系統(tǒng)，分別控制機(jī)床的X、Y、Z三軸的進(jìn)給，為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)給動(dòng)作的高精度運(yùn)行，在進(jìn)給系統(tǒng)中設(shè)置了雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖2所示。

機(jī)床工件加工的質(zhì)量高低，很大部分程度上也取決于機(jī)床本身的定位精度。為了能夠?qū)崿F(xiàn)定位精度高要求的特點(diǎn)，通常采用交流永磁伺服控制系統(tǒng)作為執(zhí)行元件，其轉(zhuǎn)子在定子繞組產(chǎn)生電磁場的作用下高精度轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)交流伺服電動(dòng)機(jī)自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器將檢測到反饋信號(hào)可以反饋給交流伺服驅(qū)動(dòng)器，與交流伺服驅(qū)動(dòng)器預(yù)先設(shè)置的目標(biāo)值進(jìn)行比較，可以根據(jù)比較的結(jié)果自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

1.3 數(shù)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用臺(tái)灣新代數(shù)控系統(tǒng)SYNTEC 21TA，該系統(tǒng)適用于3/4/5等多軸數(shù)控加工中心，同時(shí)適用于雕刻機(jī)、磨床等系統(tǒng)。

1.4 輔助功能

（1）視頻監(jiān)控系統(tǒng)：為了解決不同實(shí)時(shí)觀測切削過程或磨削過程，增加視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）數(shù)顯功能：為了便于觀察和精確控制，在磨頭滑板和磨頭本體上安裝讀數(shù)頭和光柵尺，并與數(shù)控顯示屏連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測。

（3）溫度測量系統(tǒng)：為了解決參數(shù)測量的不便，在視頻監(jiān)控支架上安裝紅外線熱像儀，對切削溫度和磨削溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

（4）自動(dòng)考評系統(tǒng)：該教學(xué)機(jī)增加了自動(dòng)考評系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)評分。

2 結(jié)語

2015年8月份多功能數(shù)控組合機(jī)床教學(xué)機(jī)通過國家機(jī)床質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證合格；2015年9月25日通過南通市科技局成果鑒定，鑒定委員會(huì)認(rèn)為，項(xiàng)目組開發(fā)的“多功能數(shù)控加工教學(xué)系統(tǒng)”的技術(shù)集成度和綜合性能居國內(nèi)領(lǐng)先水平，一致同意通過科技成果鑒定。

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