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經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)
摘 要：本文介紹了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)組成與特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上完成數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、主要零部件的參數(shù)選用，根據(jù)使用單位的實(shí)際證明使用方案可行性，為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的技術(shù)改造提供適用的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞：數(shù)控改造 普通機(jī)床 伺服控制
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上加裝數(shù)控系統(tǒng)的高級自動(dòng)化機(jī)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(xiàn)狀復(fù)雜、精密、小批量的加工問題，從而適合我國工業(yè)生產(chǎn)[1]。分析其系統(tǒng)組成與特點(diǎn)，改進(jìn)伺服系統(tǒng)機(jī)械部分與相關(guān)的電氣部分設(shè)計(jì)，完成機(jī)床的數(shù)控化改造，為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的技術(shù)改造提供一種精確、可靠的設(shè)計(jì)方法。
1 工作原理
1.1 系統(tǒng)組成
在使用數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)給予數(shù)控機(jī)床工作指令，即編制零件加工程序。將加工程序輸入數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變速、啟動(dòng)、停止、進(jìn)給運(yùn)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關(guān)等動(dòng)作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴(yán)格按照加工程序規(guī)定的順序、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行工作，從而達(dá)到加工出符合要求零件的目的。
數(shù)控機(jī)床主要由五大部分組成：如圖1所示，信息輸入、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機(jī)床本體和檢測反饋裝置。
信息輸入是數(shù)控機(jī)床的信息輸入通道，加工零件的程序和各種參數(shù)、數(shù)據(jù)和輸入設(shè)備送進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(數(shù)控裝置)。對于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)一般采用存儲器作為載體。在操作面板上除了能夠通過按鍵和鍵盤直接鍵入加工程序外，還能夠?qū)⑵湓跀?shù)碼顯示器或CRT顯示器上顯示出來。
數(shù)控裝置主要由輸入裝置、存儲器、控制器和運(yùn)算器以及輸出裝置組成，其作為數(shù)控機(jī)床的核心能夠接受輸入裝置的加工信息，此信息通過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件處理后能夠輸出相應(yīng)的指令脈沖，這些指令脈沖通過對伺服系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)來控制機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件按照規(guī)定要求做出各種動(dòng)作。
伺服系統(tǒng)作為數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，主要由伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成。通過伺服系統(tǒng)能夠?qū)?shù)控裝置的各種指令轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和位移量。機(jī)床中的每個(gè)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件都有自己的伺服系統(tǒng)，常用的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)。
與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體為了便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工的需要，應(yīng)當(dāng)具有更好的剛度和抗振性。除了相對運(yùn)動(dòng)表面的摩擦系數(shù)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?cái)?shù)控裝置，以校核執(zhí)行部件實(shí)際運(yùn)動(dòng)的速度、方向和位移量，并使之與加工指令相一致，開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中無測量裝置。
1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)
與國外同類型幾十萬元的系統(tǒng)相比，數(shù)控系統(tǒng)僅需1～2萬元，由于其具有價(jià)格便宜的特點(diǎn)，因此，特別適合改造國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)有的普通機(jī)床。由于數(shù)控系統(tǒng)能夠有效解決復(fù)雜零件加工精度控制的問題，從而提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床一般能夠有效提高3～7倍的工效。由于數(shù)控系統(tǒng)能夠通過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(tǒng)適合用于多品種且自動(dòng)化加工中小批量的產(chǎn)品。通過此系統(tǒng)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(jié)約工裝費(fèi)用，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低成本;減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。
2 設(shè)計(jì)方案
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，對于保證和提高被加工零件的精度，主要依靠兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)：一是系統(tǒng)的控制精度;二是機(jī)床本身的機(jī)械傳動(dòng)精度。在設(shè)計(jì)總體方案的時(shí)候，除了考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式、伺服系統(tǒng)類型和計(jì)算機(jī)的選擇外，還要考慮傳統(tǒng)方式以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。數(shù)控改造對機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的要求，采用低摩擦的傳動(dòng)副，如直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，以減小摩擦力，提高承載能力和剛性并保證傳動(dòng)平穩(wěn)可靠。采用交流伺服電極半閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠在保證機(jī)械傳統(tǒng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工件平穩(wěn)性的前提下簡化結(jié)構(gòu)以及降低成本。
為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳統(tǒng)精度和平穩(wěn)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(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)具有預(yù)緊機(jī)構(gòu)[2][3]。設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床主要的主要參數(shù)如下：
工件最大回轉(zhuǎn)直徑：床面上400mm，床鞍上210mm;工件最大長度1000mm;溜板及刀架重量：縱向800N，橫向600N;主軸通孔直徑48mm;主軸轉(zhuǎn)速范圍：正轉(zhuǎn)(24級)10～1400r/min，反轉(zhuǎn)(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(jī)功率7.5kw;代碼制：ISO制;脈沖分配方式：逐點(diǎn)比較法;脈沖當(dāng)量：縱向0.01mm/脈沖，橫向0.005mm/脈沖;控制軸數(shù)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(jì)0.01mm;刀具補(bǔ)償量：0～99.99mm;進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙最大補(bǔ)償量：15個(gè)脈沖;定位精度：±0.015mm。
對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造成微機(jī)控制的能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)。利用數(shù)控裝置，車床按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工，由于加工過程中的切削參數(shù)，切削次序和刀具都會(huì)按程序自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進(jìn)給聯(lián)動(dòng)的功能，數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實(shí)現(xiàn)多工序自動(dòng)車削，從而提高生產(chǎn)效率和加工精度[4]。設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的主要功能：能控制刀具的位移方向、位移長度及走刀速度，加工程序中的位移長度以十進(jìn)制數(shù)輸入;單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)有16種走刀速度供用戶選用，其范圍為0～2.8m/min，可根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整;加工過程中，為應(yīng)付特殊情況，設(shè)有開關(guān)暫停、鍵急停和鍵回零功能;可控制車削端面、內(nèi)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(nèi)、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(zhí)行到延時(shí)程序時(shí)，刀具在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)停止運(yùn)動(dòng);為方便調(diào)試和校對原點(diǎn)，設(shè)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(jì)數(shù);具有自動(dòng)診斷功能，當(dāng)加工程序編制或操作有誤時(shí)，程序停止運(yùn)行，并顯示相應(yīng)的出錯(cuò)信息，以便修改;為簡化加工程序，設(shè)有局部循環(huán)功能，為提高加工精度，設(shè)有間隙補(bǔ)償功能。
此外，設(shè)計(jì)中還涉及到橫向進(jìn)給系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的切削力計(jì)算，滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型，交流伺服電機(jī)的選擇，縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電機(jī)的選擇、聯(lián)軸器和鍵的選型與計(jì)算、減速齒輪的設(shè)計(jì)等。
3 總結(jié)
設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床在本企業(yè)得到了應(yīng)用，驗(yàn)證了改造設(shè)計(jì)的正確性與可行性，具有良好的性價(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(shè)計(jì)仍在不斷革新中。
參考文獻(xiàn)：
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[2]陳艷紅.普通車床數(shù)控改造及精度分析[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2009.5.
[3]余英良.機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.4.
[4]張福榮，王鈞，李志梅.數(shù)控機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對加工精度的影響[J].機(jī)床與液壓，2006，4：92-99.
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