教學(xué)型龍門式數(shù)控銑床的研制

劉洋　趙巍

摘 要：近年來，數(shù)控機床應(yīng)用到了各個行業(yè)中，數(shù)控人才的需求也不斷增大，但生產(chǎn)型設(shè)備用于教學(xué)是一種極大的資源浪費，尤其是數(shù)控龍門銑床這種大、重型設(shè)備。為解決這一實際問題，文章研制了一臺教學(xué)型數(shù)控龍門銑床。設(shè)計了該機床的機械結(jié)構(gòu)，并對關(guān)鍵部件進行了校核計算；在滿足該銑床剛度、穩(wěn)定性和抗震性的條件下，制作了該機床。該教學(xué)型銑床能夠在“數(shù)控機床及編程”中進行演示實驗，也可以進行開放式實驗。

關(guān)鍵詞：教學(xué)型；龍門銑床；數(shù)控

1 數(shù)控龍門銑床的概況

根據(jù)機床結(jié)構(gòu)布局形式劃分為：按龍門架是否移動，分為龍門固定工作臺移動式和龍門移動式；按橫梁是否在立柱上運動，分為動梁式和定梁式兩種；橫梁在高架床身上移動稱為高架式；按機床凈重和工作臺承載能力，分為輕型、中型和重型（超重型）等。目前生產(chǎn)的主要規(guī)格范圍較大，雖有進步，但是與發(fā)達國家同類產(chǎn)品相比，差距較大，關(guān)鍵的功能部件還是從國外進口。

2 教學(xué)型數(shù)控設(shè)備的概況

我國的數(shù)控實驗設(shè)備的普及遠不如發(fā)達國家，在實踐技術(shù)方面，只是完成一些數(shù)控教學(xué)實驗，不能達到真正意義上的實訓(xùn)，由于生產(chǎn)型的數(shù)控設(shè)備價格昂貴，很多職校實訓(xùn)設(shè)備有限，只是通過編程練習(xí)和仿真加工，不能與實際結(jié)合，為了提高學(xué)生實際動手操作技能，研究開發(fā)教學(xué)型實訓(xùn)設(shè)備是十分必要的。

3 教學(xué)型數(shù)控龍門銑床的研究

數(shù)控龍門銑床是在一般龍門銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，數(shù)控龍門銑床主要由機床機械結(jié)構(gòu)、數(shù)控控制系統(tǒng)和機床附件幾大部分組成。教學(xué)型數(shù)控龍門銑床與生產(chǎn)型的機床基本結(jié)構(gòu)是相同的。教學(xué)型機床從機械結(jié)構(gòu)方面考慮，其機械部件及材料可以不用承受很大的載荷，機床尺寸不用這么龐大。在控制系統(tǒng)方面可以采用開放式的數(shù)控系統(tǒng)，來代替專用的數(shù)控系統(tǒng)使其更加實用。

3.1 主要機械部件的選擇原則

（1）工作臺的選用，我們可以根據(jù)實際情況的大小指定尺寸。相應(yīng)的材料和尺寸以生產(chǎn)型機床為參考，縮放比例。

（2）導(dǎo)軌副的選用，由于教學(xué)型數(shù)控龍門銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此可以選用直線滾動導(dǎo)軌副。它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。

（3）絲杠螺母副的選用，伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，要滿足一定的定位精度，滑動絲杠副無能為力，我們可以選用滾珠絲杠副，滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。

（4）伺服電動機的選用，由于用于教學(xué)不必采用高檔次的伺服電動機，我們可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。

（5）檢測裝置的選用，選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制也可選閉環(huán)控制。為了確保電動機在運轉(zhuǎn)過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。

3.2 控制系統(tǒng)的選擇原則

使用開放式數(shù)控系統(tǒng)，開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有如下的特點：

（1）高速、高可靠性：主軸轉(zhuǎn)速可達60000r/min，進給速度達到60m/min，系統(tǒng)平均無故障時間達到30000h以上。

（2）標準化、通用化和模塊化：通過選擇不同的標準化模塊可組成各種數(shù)控機床的控制系統(tǒng)，也有利于數(shù)控系統(tǒng)進一步擴展和升級。

（3）智能化：自適應(yīng)控制技術(shù)的引進，有關(guān)參數(shù)可自動調(diào)整，以達到最優(yōu)化的工作運行。

（4）網(wǎng)絡(luò)化：有強大的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，可以讓標準網(wǎng)絡(luò)與數(shù)控系統(tǒng)無縫連接，實現(xiàn)軟硬件資源共享。

（5）易操作性：傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)專業(yè)化程度高，對員工的能力要求較高，開放式數(shù)控系統(tǒng)容易操作，通用性強。

針對開放式數(shù)控系統(tǒng)采用較多的是PC+NC的方法。即把專用的運動控制器或者完整的NC單元嵌入到工業(yè)控制計算機的擴展插槽中。文章采用PMAC多軸運動控制器作為NC模塊，這種研究方法具有成本較低、可運行用戶自定義軟件、界面友好等優(yōu)點。

4 教學(xué)型數(shù)控銑床設(shè)計方案

4.1 數(shù)控銑床的總體布局

銑床的總體布局有立式和臥式之分。立式布局引用較多，在本次課題教學(xué)型數(shù)控銑床的布局中，采用的是小型龍門式結(jié)構(gòu)如圖1。

4.2 教學(xué)型數(shù)控銑床傳動方案設(shè)計

銑床是在X軸、Y軸和Z軸三個坐標軸上，任意兩軸聯(lián)動實現(xiàn)工作的。X軸與Y軸的進給運動是通過步進電機、聯(lián)軸器與滾珠絲杠等的相連，絲杠螺母又在滾珠絲杠運動。在工作的過程中，旋轉(zhuǎn)運動是靠步進電機帶動滾珠絲杠實現(xiàn)的，水平運動依賴滾珠絲杠螺母沿導(dǎo)軌移動，從而實現(xiàn)切削動作。

4.3 導(dǎo)軌及驅(qū)動裝置

導(dǎo)軌采用圓柱直線導(dǎo)軌如圖2，其特點是：防銹蝕性高；組裝容易；互換容易，圓柱直線導(dǎo)軌產(chǎn)品低噪音，有滾輪與軸心接觸均勻滑動，滑塊為自動調(diào)心設(shè)計可互換性，任一滑軌，滑塊均可互換使用；低成本化；應(yīng)用廣泛等。

承載兩水平進給軸采用步進電機直連驅(qū)動如圖3，其特點是在不超載的情況下，電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩；由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復(fù)性；良好的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；電機的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得伺服系統(tǒng)的構(gòu)成比較簡單而且成本低；將負載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍，完全符合本次設(shè)計任務(wù)。

4.4 主軸

主軸組件包括軸、軸承、主軸上的傳動件和密封件等。數(shù)控系統(tǒng)不僅可以控制主軸的啟動、停止和變速，還能控制主軸上刀具的切削運動。主軸結(jié)構(gòu)的好壞關(guān)系到教學(xué)型數(shù)控銑床的使用性能，決定了教學(xué)型數(shù)控銑床的動態(tài)剛度與加工精度。根據(jù)設(shè)計需要直接選用高精度雕銑機主軸，如圖4。

5 結(jié)束語

教學(xué)型的數(shù)控龍門銑床的引入是解決大、重型設(shè)備實訓(xùn)的最佳途徑，既節(jié)省了成本，又可以達到實訓(xùn)的真正意義，也讓實訓(xùn)設(shè)備充分發(fā)揮了其應(yīng)有的價值，同時開放式數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用也是未來發(fā)展的方向，讓設(shè)備的使用更加靈活多樣。