數控機床及其系統設計探析

盛夏

（杭州師范大學錢江學院，浙江 杭州 310012）

1 引言

隨著現代科技及工業的發展，自由曲面已廣泛應用于各行各業，大到汽車外形，飛機機身，船舶船體，小到電話機座等。因此，如何精確、高效地設計和制造自由曲面件成為必須解決的問題。

數控機床是一種裝了程序控制系統的機床;該程序控制系統能邏輯地處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規定的程序;數控機床是典型的機電一體化產品。數控機床的加工過程:將各種機床動作由數字化的代碼表示，通過某種載體將信息輸入數控系統，控制計算機對輸入的數據進行處理，從而控制機床的伺服系統或其他執行原件，使機床加工出所需的工件。

2 數控機床的控制原理

數控機床是一種高度自動化的機床，在加工工藝與加工表面形成方法上，與普通機床是基本相同的，最根本的不同在于實現自動化控制的原理與方法上。數控機床是用數字化的信息來實現自動控制的，將與加工零件有關的信息—工件與刀具相對運動軌跡的尺寸參數(進給執行部件的進給尺寸)，切削加工的工藝參數(主運動和進給運動的速度、切削深度等)，以及各種輔助操作(主運動變速、刀具更換、冷卻潤滑液啟停、工件加緊松開等)等加工信息一一用規定的文字、數字和符號組成的代碼，按一定的格式編寫成加工程序單，將加工程序通過控制介質輸入到數控裝置中，由數控裝置經過分析處理后，發出各種與加工程序相對應的信號和指令控制數控機床進行加工。數控機床的控制原理通過下述的數控機床的各系統得以實現其功能。

3 數控機床的組成

3.1 程序編制及程序載體

數控程序是數控機床自動加工零件的工作指令。在對加工零件進行工藝分析的基礎上，確定:零件坐標系在基礎坐標系上的相對位置，即零件在機床上的安裝位置;刀具與零件相對運動的尺寸參數;零件加工的工藝路線或加工順序、切削加工的工藝參數以及輔助裝置的動作等。

3.2 輸入裝置

它的作用是將程序載體上的數控代碼變成相應的電脈沖信號，傳送并存入數控裝置內。

3.3 數控裝置及強電控制裝置

數控裝置是數控機床的核心，它接受輸入裝置送來的脈沖信號，經過數控裝置的系統軟件或邏輯電路進行編譯令控制機床的各個部分，進行規定的運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指有序的動作。

3.4 伺服驅動系統及位置檢測裝置

伺服驅動系統由伺服驅動電路和伺服驅動裝置(電機)組成，并與機床上的執行部件和機械傳動部件組成數控機床的進給系統。

3.5 機床的機械部分

數控機床的機械部分包括:主運動部件，進給運動執行部件如工作臺、拖板及其傳動部件和床身立柱等支撐部件，此外，還有冷卻、潤滑、排屑、轉位和加緊等輔助裝置。

4 數控系統的硬件部分

本數控銑床系統是基于“銑床專用數控器”的半閉環數控系統。其基本結構由機床本體、銑床專用數控器、數字交流伺服進給驅動器及電機、無刷直流主軸電機及驅動器等裝置組成。系統硬件的主要組成部分如下:

1 臺H4C-M銑床專用數控器;1塊輸入信號板INPUT;1塊輸出信號板OUTPUT;3臺ASDA-B系列ASD-B0221-A交流伺服驅動器;3臺PM型交流伺服電機ECMA-C30602ES;1臺主軸57BL-1O15H1-LK-001無刷直流電機;1臺B L-2203 C無刷直流電機驅動器;配套電源、若干排線、若干接近開關等。

5 數控系統的軟件部分

此數控銑床系統的軟件部分由H4C-M銑床專用數控器自帶。為了滿足數控銑床系統要求，需要修改銑床專用數控器的一些參數。同時，對需要使用到的程序的編輯輸入操作及程序設計及指令進行說明。

5.1 參數設置

參數設置的方法如下:連按兩下【自動/MDI】進入MDI模式中，執行M9999指令，即可進入參數修改模式中(或按住【M】鍵5秒鐘，也可進入參數修改模式中)，各參數代碼，可以參照參數表，修改完成后必需按下【RESET】。

5.1.1 分辨率分子或分母設定值

分辨率分子或分母設定值是依據機械軸向傳動裝置規格和伺服電機回授的脈波數來決定。

X軸扮杠螺距=4.OOOmm，馬達ENCODER=2_500pulse，倍率=4,齒數比 1：1。

5.1.2 馬達旋轉方向設定

工作臺設計，各廠不一。因此伺服馬達裝在扮杠的位置可左可右，可前可后。伺服馬達裝上之后，如果工作臺行走方向正好相反，可以利用參數把工作臺方向修正過來。設定0為旋轉正方向，1為旋轉負方向。根據數控銑床實際情況設定:X軸電機旋轉方向為1,Y軸電機旋轉方向為0,Z軸電機旋轉方向為0。

5.1.3 各軸最高進給速度設定

此數控銑床較小，各軸行程均較短，過高的速度造成較大的沖擊，會損害電機及滾珠絲杠。因此，將各軸最高進給速度設定如下:X軸向最高進給速度為1000即表示X軸最高進給速度是每分鐘1000毫米，同樣Y,Z軸最高進給速度也設為10000

5.2 程序的選擇

H4C-M銑床專用數控器，可以存儲編號00-0999的程序。在這些程序中，可以任選其中一程序編輯或執行。程序選擇的方式:快按【編輯/程式選擇】鍵兩次，進入程序選擇模式，顯示檔案目錄頁，LCD顯示如下圖所示。移動游標至欲選擇的程序后，可以通過輸入鍵或選取鍵選擇。

在此模式下，可輸入程序注解而可用的字符張度1到12字。

5.3 修改舊程序

在修改舊程序的過程中，可以分為以下幾種情況:

5.3.1 增加(修改)一個指令

在程序語句區，將光標移動到要增加(修改)指令的單節;在數據輸入區依次輸入增加(修改)指令所需的字母和數字;再次按刪除鍵即可完成。

5.3.2 刪除一個指令

在程序語句區，將光標移動到要刪除指令的單節;在數據輸入區，依次輸入該指令所需的字母，而在該字母后面不輸入任何數值;再次按輸入鍵，即可完成。

5.3.3 插入一個單節

在程序語句區，將光標移動到需要插入單節程序的上一個單節;在數據輸入區，輸入插入單節第一個指令所需的字母和數字，按下輸入鍵即可完成。

5.3.4 刪除一個單節

在程序語句區，將光標移動到需要刪除的單節;按下刪除鍵;即可完成。

6 數控系統的機械部分

本數控銑床系統為二軸聯動數控銑床系統，如下圖所示。鑒于機床本身的誤差和需要加工零件的精度，需要對機床進行誤差補償。

6.1 聯軸器

本數控銑床系統的聯接結構采用電機與滾珠扮杠直接相聯的方式，需要借助聯軸器讓它們相聯。聯軸器是用來將原動機所產生的轉矩傳遞給從動機的裝置。

6.2 工作臺

數控銑床的工作臺，不僅要平整還要與主軸刀具保持垂直。即使把工作磨得很光滑平整、主軸及刀具的垂直度精度很高。也會存在著裝配誤差以及由于地基不平所帶來的誤差。因此，這里工作臺的加工方式采用“自干自”的加工方法。

7 總結

本文結合當前國內外機械設計制造的發展趨勢，結合機械制造技術基礎、機床設計理論、數控技術、電子技術應用理論、計算機應用技術、曲線和曲面論、CATIA自由曲面造型及CATIA數控加工等論述了機械設計及其自動化方向技術。在一定程度上有一定的理論意義和借鑒價值，特別是對從事曲面件設計和制造以及數控系統和數控裝置開發的人員。

[1]廖效果，數控技術，湖北科學技術出版社，2000年

[2]土志勇，翁迅編，數控機床與編程技術，北京大學出版社，2008.