教學(xué)式微型數(shù)控銑床的研制與應(yīng)用

王 鵬，潘俊兵，趙 熹，徐家忠

(1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300) (2.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

數(shù)控機床的出現(xiàn)，加快了現(xiàn)代機械加工技術(shù)的發(fā)展步伐[1-2]。20世紀(jì)以來，數(shù)控設(shè)備廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，數(shù)控機床的先進程度已是評價一個國家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志[3-4]。目前，我國工業(yè)發(fā)展迅猛，傳統(tǒng)數(shù)控銑床及微型數(shù)控銑床的數(shù)量逐年增加[5]，對機床維護與維修人員的素質(zhì)要求也進一步提高。工業(yè)數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)復(fù)雜[6-8]，系統(tǒng)開放性差，價格昂貴，增加了企業(yè)和學(xué)校對相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的培養(yǎng)成本，制約了數(shù)控銑床的進一步發(fā)展。另外，現(xiàn)有的微型數(shù)控銑床多用于精密加工[9-11]，成本較高，制約了機床的民用化推廣。因此，亟待設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于拆裝學(xué)習(xí)及民用化推廣的微型數(shù)控銑床。

為了解決上述問題，本文以國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)控銑床及前人研究成果為研究基礎(chǔ)，設(shè)計了一種集成度高、成本低、搬運方便、結(jié)構(gòu)簡單、靈活度高的教學(xué)式微型數(shù)控銑床，以期為我國數(shù)控銑床專業(yè)人才的培訓(xùn)作出貢獻，同時滿足雕刻加工的要求，從而降低數(shù)控技術(shù)人才的培養(yǎng)成本。

1 機床結(jié)構(gòu)的設(shè)計

1.1 機床結(jié)構(gòu)

該機床為三軸數(shù)控銑床，與工業(yè)數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)基本相同，主要由X，Y，Z三軸及傳動系統(tǒng)、工作臺、導(dǎo)軌、立柱、底座、控制系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1所示，相關(guān)參數(shù)見表1。

1—Y軸電機；2—Y軸傳動帶輪；3—工作臺；4—Z軸刀具安裝裝置；5—Z軸電機；6—主軸移動電機；7—立柱；8—導(dǎo)軌；9—X軸電機；10—底座

1.2工作原理

該教學(xué)式微型數(shù)控銑床為電機驅(qū)動X軸、Y軸、Z軸運行，即電機驅(qū)動工作臺的前、后、左、右位移及刀具的升降和旋轉(zhuǎn)運動。工作時，首先將工件固定在工作臺上，完成刀具裝夾及加工程序傳輸?shù)葴?zhǔn)備工作。然后按照工業(yè)數(shù)控銑床的對刀方法，尋找刀具相對工件的原點。最后通過手動操作或數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動X，Y，Z3軸運行，完成工件的加工過程。

表1 教學(xué)式微型數(shù)控銑床相關(guān)參數(shù)

數(shù)控系統(tǒng)可完成三軸(X，Y，Z)位置的精確控制，同時可以精確控制Z軸(刀具所在的軸)轉(zhuǎn)速。該數(shù)控銑床控制系統(tǒng)使用的代碼為國際通用的G、M代碼。

2 控制系統(tǒng)

該教學(xué)式微型數(shù)控銑床采用XC09MC型數(shù)控系統(tǒng)，可控制機床實現(xiàn)銑、攻、鏜、鉆等加工工藝，系統(tǒng)界面如圖2所示。該數(shù)控系統(tǒng)使用32位高性能微處理器，可實現(xiàn)實時多任務(wù)控制技術(shù)和硬件插補技術(shù)，插補精度可達0.001 mm。此外，該系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點：

圖2 控制系統(tǒng)面板圖

1)簡潔的操作界面，配備了5個快捷功能鍵(F1～F5)，操作簡單；

2)可識別國際通用的G、M程序指令，兼容FANUC系統(tǒng)指令，適應(yīng)性強，便于學(xué)習(xí)；

3)可通過USB接口傳輸程序文件，極大提高了機床使用效率；

4)操作界面中、英文雙語顯示，給初學(xué)者降低了門檻；

5)支持多級操作權(quán)限，方便設(shè)備管理，能夠?qū)崿F(xiàn)限時系統(tǒng)鎖定，提高了系統(tǒng)安全性；

6)兼容性好，支持第三方軟件編譯的加工代碼文件。

3 機架有限元設(shè)計

運用SolidWorks軟件建立機架模型，如圖3所示。機架材料為Q235，對該模型進行網(wǎng)格劃分，并添加作用力，Z軸裝置和配重裝置均為簡化圖，重力分別為500 N和300 N。底座下端固定在水平地面上，在SolidWorks的Simulation模塊中進行仿真，結(jié)果如圖4所示。

1—底座；2—立柱；3—Z軸裝置；4—配重裝置

圖4 應(yīng)力云圖

由圖4可知，機架屈服力為2.76×108N，當(dāng)實際應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時，機架產(chǎn)生較大形變，該形變可達0.21 mm，降低了機床精度。最大變形位置出現(xiàn)在立柱和底座的交接處左右兩側(cè)。在配重裝置的作用下，機架未出現(xiàn)較大形變，因此該機架結(jié)構(gòu)設(shè)置合理，能夠滿足微型數(shù)控銑床的工作要求。若考慮超載，可在立柱和底座的連接位置增加加強筋，以提高該處剛度。

4 試驗研究

為檢驗該教學(xué)式微型數(shù)控銑床的工作性能，2020年3月25日于陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實訓(xùn)中心進行了樣機試驗，試驗現(xiàn)場如圖5所示。該試驗以陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院?；兆鳛榧庸ぐ咐?，如圖6所示。由于該圖案較為復(fù)雜，為了提高編程效率和準(zhǔn)確性，試驗前，通過UG軟件將該圖案的數(shù)字化模型建立在 100 mm×100 mm的方塊上，如圖7所示。運用UG數(shù)控加工模塊，選擇1 mm的雕刻刀具，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)為3 000 r/min，為了減小刀具切削阻力，進給率設(shè)為 300 mm/min，生成了加工該圖案的三軸機床刀具軌跡，并仿真驗證，驗證后的刀具軌跡經(jīng)后處理得到對應(yīng)的加工程序，如圖8所示。用U盤將該程序輸入數(shù)控機床控制系統(tǒng)，完成加工前期程序準(zhǔn)備工作。

圖5 試驗現(xiàn)場

圖6 加工圖案

圖7 數(shù)字化模型

圖8 加工程序

進入裝夾階段后，將100 mm×100 mm×30 mm的工件固定在工作臺上，通過SOE-20S型光電尋邊器完成刀具對刀操作，建立機床加工坐標(biāo)系。切換到自動模式運行程序，完成工件加工，成品如圖9所示。完成加工后，用CONTURA G2型三坐標(biāo)測量儀檢測被加工圖案的形狀及尺寸誤差，測得誤差集中在0.6～0.8 mm，能夠清晰地反映被加工物體的結(jié)構(gòu)，可滿足學(xué)員對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)要求，也可滿足雕刻加工的要求。

圖9 加工樣件

5 結(jié)束語

本文提出了一種教學(xué)式微型數(shù)控銑床，并對該數(shù)控銑床進行了加工試驗。試驗結(jié)果表明，主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，進給率為300 mm/min，用1 mm的雕刻刀加工時，該教學(xué)式微型數(shù)控銑床加工誤差為0.6～0.8 mm。試驗表明，該微型數(shù)控銑床加工質(zhì)量良好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。若在大專院校、企業(yè)培訓(xùn)單位和科研院所能夠代替工業(yè)數(shù)控銑床作為教學(xué)培訓(xùn)設(shè)備，可極大降低教學(xué)成本，培養(yǎng)更多數(shù)控人才。