臥式加工中心數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

李樹(shù)生

摘要：隨著我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，行業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的需求與日俱增。在此背景下，數(shù)控機(jī)床相關(guān)技術(shù)取得了較大進(jìn)展，其性能日趨完善。將數(shù)控機(jī)床投入到生產(chǎn)過(guò)程中，極大程度上提高了生產(chǎn)效率，為生產(chǎn)質(zhì)量提供了保障。對(duì)于數(shù)控機(jī)床而言，數(shù)控系統(tǒng)是核心構(gòu)件，數(shù)控系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)成效。鑒于此，本文對(duì)臥式加工中心數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并對(duì)數(shù)控中心人性化設(shè)計(jì)提出了相關(guān)觀點(diǎn)，以供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；數(shù)控中心；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；人性化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)2095-6363（2015）12-0082-02

1.數(shù)控加工中心概述

數(shù)控加工中心是一套綜合性的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它涵蓋技術(shù)范圍較廣，其中包括信息處理技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及測(cè)量技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。數(shù)控加工中心具備高精度、高效率、高穩(wěn)定性、高適應(yīng)性、高度開(kāi)放性、高智能性等特征，這使其在機(jī)械制造行業(yè)普及面愈來(lái)愈大。相對(duì)于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)數(shù)控加工中心研發(fā)起步較晚，但近年來(lái)取得了較大的進(jìn)展。數(shù)控加工中心最初由普通機(jī)床演變而來(lái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來(lái)看，數(shù)控機(jī)床增強(qiáng)了基礎(chǔ)管理，改變了生產(chǎn)方式，擴(kuò)大了利益鏈，對(duì)于行業(yè)整合以及產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)調(diào)整而言都具有重要的意義。在技術(shù)不斷迭代的情況下，數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及識(shí)別率水平均有了大幅度提升?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)在保持?jǐn)?shù)控補(bǔ)償功能的同時(shí)，還加入了傳感器系統(tǒng)，可對(duì)溫度、空間誤差進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步提升了定位精度。目前，多數(shù)數(shù)控機(jī)床定位極度可達(dá)1um，重復(fù)定位精度高達(dá)0.5um。數(shù)控系統(tǒng)是決定數(shù)控加工中心可靠性的關(guān)鍵部分。目前，主流的數(shù)控系統(tǒng)均采取模塊化方式構(gòu)建，結(jié)合不同的需求，可篩選不同功能的模塊進(jìn)行自由化組合。除基礎(chǔ)加工功能外，人機(jī)交互水平較以往有了大幅度提升，同時(shí)還具備了負(fù)載識(shí)別功能、編程功能、自動(dòng)保護(hù)功能等。強(qiáng)大的計(jì)算能力保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，基于柔性化與智能化特征，讓數(shù)據(jù)信息集成度有所提升，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。

2.數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

本研究中，數(shù)控加工中心設(shè)計(jì)具體如下：主軸1個(gè)，工作臺(tái)交換裝置1個(gè)，進(jìn)給軸4個(gè)，刀庫(kù)1個(gè)，排屑器1個(gè)。進(jìn)給軸包括三維方向的x軸、Y軸及z軸及環(huán)繞軸B軸，具體如圖1所示。

其中，x軸、Y軸以螺母不動(dòng)絲杠方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，Z軸以螺母旋轉(zhuǎn)絲杠不動(dòng)的方式旋轉(zhuǎn)。三根絲杠安裝時(shí)一端為固定端，另一端為自由端。由于Y軸為垂直移動(dòng)軸，將電磁制動(dòng)器置于其尾端，可保持機(jī)床功率維持正常狀態(tài)。于絲杠帶輪位置設(shè)置一個(gè)安全剎車裝置，可有效避免工作臺(tái)出現(xiàn)自由下落。絲杠自由端處安裝一個(gè)機(jī)械擋塊，避免部件滑動(dòng)而脫離極限位置。將主軸變動(dòng)箱設(shè)計(jì)為人工調(diào)速與手動(dòng)調(diào)速共存（分4個(gè)擋位）。利用感應(yīng)開(kāi)關(guān)對(duì)主軸位置進(jìn)行定向，采取液壓驅(qū)動(dòng)銷釘鎖定定位。刀庫(kù)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行自由選擇，由直流電機(jī)帶動(dòng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)需滿足以下幾點(diǎn)要求：便于拆裝、維護(hù)；對(duì)惡劣環(huán)境具有較好的抵抗力，工作環(huán)境區(qū)間為O至45℃，可在濕度不超過(guò)75%的情況下穩(wěn)定工作：具備保護(hù)電路；可讀取PMC信號(hào)、功能指令；具備高速DNC功能。加工中心控制系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)為以下模塊：顯示模塊、主軸控制模塊、儲(chǔ)存器模塊、電源模塊、測(cè)試模塊、進(jìn)給軸控制模塊等。通過(guò)這些模塊的共同調(diào)節(jié)，達(dá)到上述要求。

3.數(shù)控中心人性化設(shè)計(jì)分析

數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)人性化是一個(gè)難點(diǎn)，以下通過(guò)工作臺(tái)設(shè)計(jì)、顯示器設(shè)計(jì)及控制器設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行闡述。

3.1工作臺(tái)設(shè)計(jì)

工作臺(tái)是人機(jī)交互過(guò)程中的重要界面，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮使用者舒適度。中小型機(jī)床數(shù)控中心加工時(shí)間較短，作業(yè)姿勢(shì)多為站姿；大型機(jī)床數(shù)控機(jī)床中心加工周期較長(zhǎng)，作業(yè)姿勢(shì)以坐姿為主?？紤]到上述情況，可將工作臺(tái)設(shè)計(jì)為站、坐兩用式?？稍诳刂婆_(tái)下部增加踏腳板，達(dá)到較高坐姿操作的要求。控制元件設(shè)定在人手可及范圍內(nèi)，控制臺(tái)本身應(yīng)當(dāng)留出充足的闕量作為操作者活動(dòng)空間，預(yù)留水平臺(tái)面作為文件書(shū)寫(xiě)區(qū)域。安裝顯示設(shè)備時(shí)結(jié)合視覺(jué)幾何參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，使操作者可對(duì)顯示信息進(jìn)行清晰辨別。

3.2顯示器設(shè)計(jì)

顯示器是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要窗口，其視覺(jué)元素會(huì)對(duì)人機(jī)關(guān)系產(chǎn)生直接影響。在設(shè)計(jì)這些視覺(jué)元素的過(guò)程中，除了需要滿足顯示精度、顯示穩(wěn)定性等硬性指標(biāo)需求外，同時(shí)還要使其與人的視覺(jué)生理特征相吻合。從人機(jī)工程學(xué)角度來(lái)看，應(yīng)當(dāng)遵從“機(jī)器適應(yīng)人”的原則。將顯示面板設(shè)計(jì)為多面形，當(dāng)顯示信息量較大時(shí)，可減少邊緣處的觀察偏轉(zhuǎn)角度，降低眼球旋轉(zhuǎn)范圍，為使用者眼睛“減負(fù)”。將顯示器面板置于使用者正前方，面板平面與使用者視線保持垂直，降低使用者的頭部運(yùn)動(dòng)頻率與眼球運(yùn)動(dòng)頻率。顯示器設(shè)計(jì)為動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)模式，通過(guò)動(dòng)態(tài)支架對(duì)顯示器位置進(jìn)行調(diào)整，從而滿足不同體型使用者的需求。儀表盤(pán)色彩以白色背景、黑色字體進(jìn)行設(shè)計(jì)，降低數(shù)據(jù)誤讀率。人體工程學(xué)認(rèn)為，人眼運(yùn)動(dòng)與認(rèn)知習(xí)慣具有密切的關(guān)聯(lián)。為滿足這種潛在性需求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要讓功能分區(qū)排列保持一定的邏輯關(guān)系，常用信息置于顯示器中心位置，其他功能信息以重要程度不同，依次由中心向周圍擴(kuò)散且各功能區(qū)可采取不同顏色分界或不同顏色背景以示區(qū)別。

3.3控制器設(shè)計(jì)

盡管數(shù)控系統(tǒng)可讓機(jī)床中心實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，但依然會(huì)避免不了基礎(chǔ)人工操作。系統(tǒng)的調(diào)試、參數(shù)設(shè)定等通過(guò)控制器達(dá)成。因此，控制器的人性化設(shè)計(jì)從側(cè)面反映出了系統(tǒng)對(duì)操作人員的親和力?？刂破髦饕譃槿悾窗磯菏娇刂破?、旋鈕及腳控制器。按壓式控制器是最為常見(jiàn)的控制器類型，其工作原理為典型的二進(jìn)制，即“開(kāi)”與“關(guān)”，在控制器按下的瞬間已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了擊發(fā)動(dòng)作，并將信號(hào)傳遞于設(shè)備，使其工作。由于數(shù)控機(jī)床功能多樣，采取按壓式控制器這種直接性操控方式，可有效降低誤控幾率。旋鈕控制器選擇多倍旋轉(zhuǎn)旋鈕，此類旋鈕連續(xù)性較強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)范圍較大，便于旋轉(zhuǎn)。外形以錐臺(tái)形為主，可與操作者手形相貼合，周圍可設(shè)計(jì)為齒紋，起到增加摩擦力的效果。腳控制器主要是緩解手部操作負(fù)荷，以腳踏板較為常見(jiàn)，起到輔助性作用。

4.結(jié)語(yǔ)

目前，機(jī)械制造加工正朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。在這個(gè)過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用，為實(shí)際生產(chǎn)提供了有力支持。數(shù)控中心作為一個(gè)綜合性產(chǎn)品，除了需要數(shù)控系統(tǒng)支持外，還需充分考慮將人性化設(shè)計(jì)元素賦予其中，通過(guò)對(duì)人機(jī)交互的不斷完善，為使用者提供更好的操作感受。endprint