經(jīng)濟型數控機床的設計
摘 要：本文介紹了經(jīng)濟型數控機床的系統組成與特點(diǎn)，在此基礎上完成數控機床設計、主要零部件的參數選用，根據使用單位的實(shí)際證明使用方案可行性，為經(jīng)濟型數控機床的技術(shù)改造提供適用的設計方法。
關(guān)鍵詞：數控改造 普通機床 伺服控制
經(jīng)濟型數控機床是在普通機床的基礎上加裝數控系統的高級自動(dòng)化機床，其除了具有價(jià)格低廉和操作方便的特點(diǎn)外，還能夠較好的解決現狀復雜、精密、小批量的加工問(wèn)題，從而適合我國工業(yè)生產(chǎn)[1]。分析其系統組成與特點(diǎn)，改進(jìn)伺服系統機械部分與相關(guān)的電氣部分設計，完成機床的數控化改造，為經(jīng)濟型數控機床的技術(shù)改造提供一種精確、可靠的設計方法。
1 工作原理
1.1 系統組成
在使用數控機床加工工件時(shí)，首先應當給予數控機床工作指令，即編制零件加工程序。將加工程序輸入數控裝置，再由數控裝置控制機床主運動(dòng)的變速、啟動(dòng)、停止、進(jìn)給運動(dòng)的方向、速度和位移量，以及刀具選擇交換，工件裝夾和冷卻潤滑的開(kāi)關(guān)等動(dòng)作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴格按照加工程序規定的順序、運行參數進(jìn)行工作，從而達到加工出符合要求零件的目的。
數控機床主要由五大部分組成：如圖1所示，信息輸入、數控裝置、伺服系統、機床本體和檢測反饋裝置。
信息輸入是數控機床的信息輸入通道，加工零件的程序和各種參數、數據和輸入設備送進(jìn)計算機系統(數控裝置)。對于經(jīng)濟型數控系統一般采用存儲器作為載體。在操作面板上除了能夠通過(guò)按鍵和鍵盤(pán)直接鍵入加工程序外，還能夠將其在數碼顯示器或CRT顯示器上顯示出來(lái)。
數控裝置主要由輸入裝置、存儲器、控制器和運算器以及輸出裝置組成，其作為數控機床的核心能夠接受輸入裝置的加工信息，此信息通過(guò)數控裝置的系統軟件處理后能夠輸出相應的指令脈沖，這些指令脈沖通過(guò)對伺服系統進(jìn)行驅動(dòng)來(lái)控制機床的各個(gè)運動(dòng)部件按照規定要求做出各種動(dòng)作。
伺服系統作為數控系統的執行部分，主要由伺服驅動(dòng)電動(dòng)機和伺服驅動(dòng)裝置組成。通過(guò)伺服系統能夠將數控裝置的各種指令轉換成機床移動(dòng)部件的運動(dòng)速度、運動(dòng)方向和位移量。機床中的每個(gè)運動(dòng)執行部件都有自己的伺服系統，常用的伺服驅動(dòng)系統主要有開(kāi)環(huán)系統、閉環(huán)系統和半閉環(huán)系統。
與普通機床相比，數控機床的機床本體為了便于實(shí)現自動(dòng)加工的需要，應當具有更好的剛度和抗振性。除了相對運動(dòng)表面的摩擦系數要小、傳動(dòng)件之間的間隙要小之外，還要求其具有自動(dòng)變速、自動(dòng)換刀和自動(dòng)診斷故障的功能。
測量裝置，反饋回數控裝置，以校核執行部件實(shí)際運動(dòng)的速度、方向和位移量，并使之與加工指令相一致，開(kāi)環(huán)數控系統中無(wú)測量裝置。
1.2 系統特點(diǎn)
與國外同類(lèi)型幾十萬(wàn)元的系統相比，數控系統僅需1～2萬(wàn)元，由于其具有價(jià)格便宜的特點(diǎn)，因此，特別適合改造國內企業(yè)現有的普通機床。由于數控系統能夠有效解決復雜零件加工精度控制的問(wèn)題，從而提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)濟型數控車(chē)床一般能夠有效提高3～7倍的工效。由于數控系統能夠通過(guò)變換不同的加工程序和更換不同的刀具對不同的零件進(jìn)行加工，因此，此系統適合用于多品種且自動(dòng)化加工中小批量的產(chǎn)品。通過(guò)此系統加工的產(chǎn)品具有良好的一致性，從而提高了合格率，降低了廢品率，有效的提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。節約工裝費用，縮短生產(chǎn)準備周期，降低成本;減輕工人的勞動(dòng)強度[2]。
2 設計方案
經(jīng)濟型數控車(chē)床，對于保證和提高被加工零件的精度，主要依靠?jì)蓚�(gè)方面來(lái)實(shí)現：一是系統的控制精度;二是機床本身的機械傳動(dòng)精度。在設計總體方案的時(shí)候，除了考慮機床數控系統的運動(dòng)方式、伺服系統類(lèi)型和計算機的選擇外，還要考慮傳統方式以及執行機構的選擇等。數控改造對機械傳動(dòng)系統的要求，采用低摩擦的傳動(dòng)副，如直線(xiàn)滾動(dòng)導軌，以減小摩擦力，提高承載能力和剛性并保證傳動(dòng)平穩可靠。采用交流伺服電極半閉環(huán)控制系統能夠在保證機械傳統系統的傳動(dòng)精度和工件平穩性的前提下簡(jiǎn)化結構以及降低成本。
為了保證進(jìn)給伺服系統的傳統精度和平穩性，必須提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，因此，在縱向和橫向進(jìn)給傳動(dòng)鏈上應當選擇摩擦小以及傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，此外，還應當具有預緊機構[2][3]。設計的經(jīng)濟型數控車(chē)床主要的主要參數如下：
工件最大回轉直徑：床面上400mm，床鞍上210mm;工件最大長(cháng)度1000mm;溜板及刀架重量：縱向800N，橫向600N;主軸通孔直徑48mm;主軸轉速范圍：正轉(24級)10～1400r/min，反轉(12級)14～1580r/min;進(jìn)給量范圍：縱向0.08～1.59mm/r，橫向0.04～0.795mm/r;刀架快移速度：縱向2.4m/min，橫向1.2m/min;最大進(jìn)給速度：縱向0.6m/min，橫向0.3m/min;切削螺紋范圍0.25～12mm;電動(dòng)機功率7.5kw;代碼制：ISO制;脈沖分配方式：逐點(diǎn)比較法;脈沖當量：縱向0.01mm/脈沖，橫向0.005mm/脈沖;控制軸數目：二軸聯(lián)動(dòng)(縱向橫向);最小指令值：縱向0.01mm;橫向：以直徑計0.01mm;刀具補償量：0～99.99mm;進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙最大補償量：15個(gè)脈沖;定位精度：±0.015mm。
對普通車(chē)床進(jìn)行數控化改造主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統改造成微機控制的能夠獨立運動(dòng)的進(jìn)給伺服系統。利用數控裝置，車(chē)床按預先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工，由于加工過(guò)程中的切削參數，切削次序和刀具都會(huì )按程序自動(dòng)進(jìn)行調節和更換，再加上縱向和橫向進(jìn)給聯(lián)動(dòng)的功能，數控改裝后的車(chē)床就可以加工出各種形狀復雜的回轉零件，并能實(shí)現多工序自動(dòng)車(chē)削，從而提高生產(chǎn)效率和加工精度[4]。設計的經(jīng)濟型數控車(chē)床的主要功能：能控制刀具的位移方向、位移長(cháng)度及走刀速度，加工程序中的位移長(cháng)度以十進(jìn)制數輸入;單片機數控系統有16種走刀速度供用戶(hù)選用，其范圍為0～2.8m/min，可根據具體情況進(jìn)行調整;加工過(guò)程中，為應付特殊情況，設有開(kāi)關(guān)暫停、鍵急停和鍵回零功能;可控制車(chē)削端面、內外圓柱面、任意錐面、球面及用圓弧逼近的任意曲面;可控制加工右旋或左旋的各種內、外圓柱、圓錐螺紋及多頭螺紋;程序中可給出一定延時(shí)。在加工中執行到延時(shí)程序時(shí)，刀具在相應時(shí)間內停止運動(dòng);為方便調試和校對原點(diǎn)，設有點(diǎn)動(dòng)功能;具有自動(dòng)循環(huán)加工功能，并可進(jìn)行計數;具有自動(dòng)診斷功能，當加工程序編制或操作有誤時(shí)，程序停止運行，并顯示相應的出錯信息，以便修改;為簡(jiǎn)化加工程序，設有局部循環(huán)功能，為提高加工精度，設有間隙補償功能。
此外，設計中還涉及到橫向進(jìn)給系統伺服系統的切削力計算，滾珠絲杠螺母副的計算與選型，交流伺服電機的選擇，縱向進(jìn)給伺服系統的設計，電機的選擇、聯(lián)軸器和鍵的選型與計算、減速齒輪的設計等。
3 總結
設計的經(jīng)濟型數控機床在本企業(yè)得到了應用，驗證了改造設計的正確性與可行性，具有良好的性?xún)r(jià)比，為相關(guān)的研究實(shí)踐提供一種適用方法，部分部位的改進(jìn)設計仍在不斷革新中。
參考文獻：
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