適合長線件加工的數(shù)控鉆銑床機電一體化設(shè)計

摘 要：本文介紹了一種專門加工長線件的數(shù)控鉆銑床的主要機械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該機床采用觸摸屏控制，輸入程序可實現(xiàn)自動加工，可用于長線件類零件鉆直孔、斜孔及對所加工零件的擴、鉸、鏜、攻等操作；銑水平面、鉛重面、斜面等的加工，機床定位精度高，穩(wěn)定性較好，成本較低，調(diào)試維修方便。

關(guān)鍵詞：長線件加工；數(shù)控；銑床機械設(shè)計；電氣設(shè)計

中圖分類號：TG6；TG5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）10-0068-03

Electromechanical Integration Design of CNC Drilling

and Milling Machine for Long Line Machining

LAI Liyuan

（Fujian Jilong Mechanical Polytron Technologies Inc，Jinjiang Fujian 362200）

Abstract： This paper introduced the main mechanical transmission system structure of a CNC drilling and milling machine specially designed for machining long thread parts. The machine tool is controlled by touch screen， and the input program can be processed automatically. It can be used to drill straight holes and oblique holes of long line parts， and to expand， hinges， boring and attack of the parts processed. Milling water plane， lead heavy face and inclined plane are processed， the positioning accuracy of the machine tool is high， the stability is good， the cost is low， and the debugging and maintenance is convenient.

Keywords： long line machining；CNC；milling machine design； electrical design

通用的臥式銑床和立式銑床工作臺面的縱向進給及橫向進給的距離都有一定限制，對加工大尺寸有位置度等要求的長線件加工有較大局限性。為提高此類零件的加工效率及精度，實現(xiàn)一機多用，一人多機操作，就需要研制專門加長工作臺的結(jié)構(gòu)及有相關(guān)配套數(shù)控部件的鉆銑床。

1 適合長線件加工的數(shù)控鉆銑床機械結(jié)構(gòu)部件設(shè)計

數(shù)控鉆銑床的設(shè)計，首先要考慮精度方面的要求，其次還要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性等要求。該數(shù)控鉆銑床的主要機械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對機械部件的設(shè)計及加工精度有很高的要求。機械部分零部件的選材、熱處理等必須按相關(guān)規(guī)范及設(shè)計手冊要求嚴格執(zhí)行。

本設(shè)計方案，該數(shù)控鉆銑床的主要機械傳動系統(tǒng)由支撐座部件、工作臺部件、X軸橫向部件及滾珠絲杠、Y軸縱向部件、Z軸升降部件、電氣輔助支撐架、操作盒及配電柜組成。在設(shè)計方案中，對工作臺面的設(shè)計精度，X軸、Y軸、Z軸相互配合導(dǎo)軌面的粗糙度、公差等級及形位公差都有嚴格要求，必須嚴格參照設(shè)計手冊要求的標準參數(shù)進行給定。同時，在機加工中，采用工裝進行輔助加工，并在精加工中，選用能保證圖紙設(shè)計精度的加工設(shè)備進行加工，并采用刮研方式保證配合導(dǎo)軌面的精度。機械部件組裝后，必須要保證X軸、Y軸、Z軸的垂直度要求，工作臺面的平面度、粗糙度和直線度等要求。主軸刀具裝夾位與所加工的工件直接相連，對主軸部件的可靠性、強度、硬度、加工精度等要求也有較高要求。

數(shù)控鉆銑床的主要機械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由傳動系統(tǒng)、支承部件等部分組成。傳動系統(tǒng)的作用是把運動和力由動力源傳遞給機床執(zhí)行件，而且要保證傳遞過程中有良好的動態(tài)特性。本次設(shè)計的專用銑床為立式銑床，在進給系統(tǒng)中，內(nèi)循環(huán)滾珠絲桿、絲桿軸承座、絲桿螺母、絲桿專用聯(lián)軸器等滾珠絲杠和支承結(jié)構(gòu)是決定其傳動精度和剛度的主要部件。X軸、Y軸和Z軸傳動絲桿采用研磨級內(nèi)循環(huán)滾珠絲桿，滾珠絲桿與馬達直接相連與驅(qū)動，采用精密斜角滾珠軸承將絲杠預(yù)拉，保證高等級的設(shè)計精度與剛性要求[1-4]。

主要設(shè)計參數(shù)：床身等工作臺部件材質(zhì)為鑄鐵件，長6 500mm，寬1 200mm，高1 200mm；最大加工長度：6 000mm；縱向行程：600mm；X軸、Y軸和Z軸相互垂直度：0.01mm；縱向加工精度：0.02/1 000，橫向加工精度：0.015/1 000，高度方向加工精度：0.015/1 000，重復(fù)定位精度：±0.006mm。

2 電氣部件設(shè)計

電氣方面，用數(shù)控系統(tǒng)對縱向與橫向進給、銑頭自動進刀與退刀量進行精確控制，并對銑頭轉(zhuǎn)速進行變頻控制調(diào)速。設(shè)計電氣線路并編寫PLC程序，用數(shù)控系統(tǒng)、PLC裝置、伺服控制器、變頻器、行程開關(guān)等電氣元器件對專用鉆銑床的橫縱向移動量、銑刀進退刀位移量進行精確自動控制，并對銑刀主軸轉(zhuǎn)速進行變頻控制，所有操作動作用觸摸屏進行控制和操作。

本設(shè)計方案所用的數(shù)控系統(tǒng)為HNC-21系列經(jīng)濟型數(shù)控裝置（HNC-21M），該系統(tǒng)性能先進，操作指令可通過自帶的彩色液晶顯示屏顯示，該系統(tǒng)可用硬盤、電子盤等進行程序存儲的操作[5-8]。

本電氣設(shè)計方案，用數(shù)控裝置及電氣元器件保證了機床的加工精度，用自動化方式提高了操作人員的加工效率，實現(xiàn)了專用鉆銑床的自動化控制與加工。

現(xiàn)用主要的電氣原理設(shè)計來體現(xiàn)以上動作。

電氣控制系統(tǒng)由顯示器、控制器伺服、伺服電機、各種開關(guān)、傳感器和電氣線路構(gòu)成。主要設(shè)計參數(shù)如下?？焖龠M給：縱向，2 500mm/min；最大切削進給速度：縱向，600mm/min；定位精度：0.01mm/全行程；重復(fù)定位精度：±0.006mm/全行程；程序輸入方式：相對增量值、絕對值通用；控制坐標數(shù)：2；脈沖當量：縱向，0.01mm/脈沖。

電氣部件數(shù)控系統(tǒng)主控制回路設(shè)計中，采用QF1-QF3三相空氣開關(guān)，輔助使用KM1-KM3三相交流接觸器、RC1-RC2三相阻容吸收器和變壓器等，分別控制主軸變頻器、伺服模塊、冷卻電機及主軸控制電路的動作；采用QF5、KA1直流24V繼電器、KM1-KM3三相交流接觸器和RC3-RC5單相阻容吸收器分別控制主軸、伺服強電部分及冷卻電機的動作；采用QF6-QF9單相空氣開關(guān)，V1、V2、V3、VZ續(xù)流二極管，KA2-KA5直流24V繼電器，YV1、YV2、YV3、YVZ電磁閥及Z軸電機抱閘，分別控制主軸變頻驅(qū)動裝置、主軸換擋閥、潤滑閥、刀具松緊閥和Z軸松緊閥的動作操作。

電氣動作過程的主要原理為：工件在工作臺上裝夾好之后，程序存入磁盤，經(jīng)調(diào)出并校驗程序合格后，設(shè)定機床參數(shù)；系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置好后，點擊開始指令，程序信息代碼即可傳送到數(shù)控裝置中，數(shù)控裝置的中央處理器對其進行運算與處理，將脈沖信號傳送到伺服控制器，伺服控制裝置然后向各伺服電機發(fā)出控制指令，驅(qū)動各伺服電機動作，帶動機械傳動部件的動作，完成對X、Y、Z坐標位置的進給運動。伺服驅(qū)動裝置驅(qū)動主軸電機旋轉(zhuǎn)運動，從而帶動刀具做旋轉(zhuǎn)運動，同時，經(jīng)過數(shù)控裝置中央處理器進行運算和處理的脈沖信號，通過伺服驅(qū)動裝置分別驅(qū)動X軸、Y軸和Z軸的伺服電機運轉(zhuǎn)，帶動銑頭和工件按所編好的程序指令進行切削運動，完成對工件的加工操作。輔助動作指令：潤滑液的開啟及關(guān)閉、冷卻液開啟及關(guān)閉、轉(zhuǎn)速變換、擋位轉(zhuǎn)換等動作，分別由數(shù)控裝置根據(jù)編制的程序要求，在不同狀態(tài)下進行輔助控制操作。

2.1 主電機線路

X軸橫向、Y軸縱向與銑頭主軸Z軸各設(shè)置相應(yīng)的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，精確控制各X軸、Y軸與Z軸的進給量及主軸銑刀的進、退刀量。伺服系統(tǒng)為將脈沖信號轉(zhuǎn)化為各坐標軸運動的執(zhí)行裝置，其好壞將直接影響整個數(shù)控鉆銑床的加工精度。伺服系統(tǒng)的控制準確性及穩(wěn)定性尤為重要。用變頻器對主軸電機進行轉(zhuǎn)速控制，本變頻器具有在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行精確滑差補償?shù)哪芰?。主（電機）電路圖為見圖1。

2.2 可編程控制器PLC控制線路

編程控制器基本結(jié)構(gòu)由CPU、存儲器、輸入、輸出接口電路組成，具有邏輯運算、計數(shù)、順序控制等功能，是實現(xiàn)遠程控制、上位機與下位機進行通訊控制的重要中間控制器。電路中使用濾波器來防止當輸入信號接通時外界因素對觸點產(chǎn)生時通時斷的干擾，并使用接觸器與中間繼電器等用來頻繁接通和切斷電動機，根據(jù)外部編制好的程序指令的輸入信號來接通與分斷小電流電路，并把這些動用PLC控制器對其進行電氣線路控制。

2.3 模塊驅(qū)動線路

橫向、縱向與銑頭主軸伺服控制器與主軸電機各個部分的動作，通過脈沖信號輸入PLC控制器，實現(xiàn)對各X軸、Y軸與Z軸動作的控制。伺服進給驅(qū)動模塊系統(tǒng)在接收了數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給速度和X軸、Y軸與Z軸位移的脈沖指令信號后，經(jīng)過伺服驅(qū)動裝置內(nèi)部電路的轉(zhuǎn)換和放大后，驅(qū)動各伺服電機、步進電機等進行動作，并相應(yīng)帶動機械傳動部件的運動，從而驅(qū)動工作臺及X軸、Y軸與Z軸等部件實現(xiàn)進給和快速移動。

2.4 控制按鈕線路

按鈕主要用于發(fā)出信號，以遠距離操作電器，分為緊急鈕、旋鈕和點動鈕等。本專機設(shè)置有啟動、暫停、急停、手動/自動轉(zhuǎn)換觸摸按鈕等，各個部分的動作通過外部信號輸入PLC控制器實現(xiàn)對專機的開機、加工、暫停等操作。

2.5 行程開關(guān)控制線路

行程開關(guān)是用來反映工作機械的行程位置，并發(fā)出指令以控制其運動方向和行程大小的主令電器。專機的橫向移動、縱向移動、主軸銑刀進退位置共設(shè)置有6個行程開關(guān)，X軸、Y軸與Z軸各個限位行程開關(guān)的動作，通過外部信號輸入PLC控制器，通過接口電路向X軸、Y軸與Z軸各個行程開關(guān)輸出相應(yīng)的控制信號，分別對其進行限位保護控制操作。

3 結(jié)語

數(shù)控鉆銑床的設(shè)計包括支撐座部件、工作臺部件、X軸橫向部件及滾珠絲杠、Y軸縱向部件、Z軸升降部件、數(shù)控控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和電氣輔助裝置的設(shè)計。本文所設(shè)計的專用數(shù)控鉆銑床自動化程度高，適合多種不同類型的長線件零件加工，可實現(xiàn)銑削水平面、鉛重面、斜面的平面加工，且能實現(xiàn)長線件零件鉆孔、鉸孔、鏜孔及攻絲等加工功能。本專用鉆銑床重復(fù)定位精度及加工精度高，穩(wěn)定性好，制造成本較低，調(diào)試維修方便。

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