移動式數(shù)控銑床微機(jī)總體方案的規(guī)劃

王冬梅，任 藝

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，河南商丘476000)

在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其為綜合了應(yīng)用了電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自動控制與自動檢測等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成就，而發(fā)展起來的一門科學(xué)技術(shù)，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點(diǎn)，對制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實(shí)時(shí)動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。由于數(shù)控技術(shù)是關(guān)系到國家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國家綜合國力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其水平的高低，是衡量一個(gè)國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志。因此，數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)不僅作為數(shù)控發(fā)展的先導(dǎo)技術(shù)，而且作為制造業(yè)的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略技術(shù)，越來越得到世界各國的高度重視和大力發(fā)展。

數(shù)控機(jī)床的大量使用，給機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)帶來深刻的變化，研制一種可移動式數(shù)控銑削加工設(shè)備，主要是為了滿足大型零部件上部分工序加工，和在野外工地現(xiàn)場對一些鋼結(jié)構(gòu)件的補(bǔ)充加工，如橋梁鋼架等。

1 總體方案概述

對于一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，首先必須擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種參數(shù)和機(jī)構(gòu)，然后再分機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的總體方案應(yīng)包括：系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和傳動方式的設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇及軟件開發(fā)等內(nèi)容。

一個(gè)移動式數(shù)控銑床系統(tǒng)的研究，具體涉及到滾珠絲杠螺母副的選取，以及對其進(jìn)行剛度、精度的驗(yàn)算，此外還有直線滾動導(dǎo)軌的選擇、交流伺服電機(jī)的選擇等。

選用滾珠絲杠螺母副，是為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小其摩擦力；選直線滾動導(dǎo)軌，是為降低摩擦力，提高精度保持性，以及低速時(shí)不會出現(xiàn)爬行，定位精度高；為有效避免傳動中的傳動誤差，采用了小慣量、高轉(zhuǎn)速電機(jī)來直接驅(qū)動滾珠絲杠傳動的形式。

1.1 系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定

如果要求工作臺或刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)，應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運(yùn)動的功能。由于數(shù)控銑床要具有定位、直線插補(bǔ)、順圓和逆圓插補(bǔ)，暫停循環(huán)加工等功能，故選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。

1.2 伺服系統(tǒng)的選擇

伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于這是一臺經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，加工精度要求不是很高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，故采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

根據(jù)機(jī)床要求，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，再加上一塊NC控制板組成數(shù)控部件，即采用PC+NC方式。該系統(tǒng)可以使用Windows操作系統(tǒng)作為上位機(jī)，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)編程，包括零件加工軌跡和工藝參數(shù)處理；零件數(shù)據(jù)的編譯處理，以生成可以驅(qū)動伺服電機(jī)的控制代碼。

NC控制板采用固高科技公司的四軸運(yùn)動控制板，型號為GE-X00-ESG，該控制板的功能主要是驅(qū)動伺服電機(jī)，并可以接收來自電機(jī)編碼器的信號，再經(jīng)過人機(jī)處理，成為控制電機(jī)速度和位置的信號。

1.4 機(jī)械傳動方式

本機(jī)床設(shè)計(jì)考慮加工范圍小，主要是用于大型零件的補(bǔ)充加工，如導(dǎo)軌上的油槽、鋼架結(jié)構(gòu)的接頭部位銑削、線槽刻畫等，切削力小，運(yùn)動速度高，設(shè)計(jì)時(shí)各軸都采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動，其中X/Y軸方向的運(yùn)動，采用電機(jī)軸通過聯(lián)軸器直聯(lián)絲杠軸的形式，Z軸傳動和主軸轉(zhuǎn)動，均采用了同步帶傳動形式，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，各運(yùn)動平臺設(shè)計(jì)時(shí)選用滾珠絲杠螺母副，導(dǎo)軌也選用了滾動導(dǎo)軌形式。由于銑削加工為斷續(xù)切削，又有順銑和逆銑的情況，為了使加工過程中導(dǎo)軌運(yùn)動平穩(wěn)，設(shè)計(jì)中選用的是預(yù)加載荷導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌承載壓板和鑲條，以保證導(dǎo)軌運(yùn)動時(shí)不會出現(xiàn)震動。

對于Z軸的傳動，為了提高傳動剛度和消除間隙，同步帶傳動設(shè)計(jì)安裝有張緊輪裝置。

主軸傳動采用交流電機(jī)變頻調(diào)速方式，電機(jī)軸經(jīng)由同步帶輪傳給銑削主軸，這樣的結(jié)構(gòu)布置，可以把電機(jī)的轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)性與主軸轉(zhuǎn)動隔離開來，以保證主軸長期運(yùn)行精度。

2 X-Y-Z軸伺服驅(qū)動方案框圖

圖1是X/Y/Z三個(gè)坐標(biāo)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)框圖。其中微機(jī)表示為數(shù)控系統(tǒng)，包括工控機(jī)和NC控制板，通過光電隔離把控制信息傳遞到電機(jī)的功率放大器件中，X/Y軸電機(jī)與絲杠通過聯(lián)軸器直接連接，Z軸電機(jī)使用同步帶傳遞到滾珠絲杠。

圖1 X-Y-Z運(yùn)動軸的總體方框圖

根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用伺服電機(jī)驅(qū)動構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易。為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用了低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件滾珠絲杠螺母副和滾動導(dǎo)軌副。

3 結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床與其他機(jī)床的一個(gè)顯著區(qū)別在于當(dāng)加工對象改變時(shí)，除了重新裝夾工件和更換刀具外，只需更換一條新的程序，不需要對機(jī)床作任何改動。數(shù)控機(jī)床集機(jī)械制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)、液壓氣動、傳感檢測、信息處理、光機(jī)電等技術(shù)于一體，是技術(shù)密集型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，對于一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，必須先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種參數(shù)和機(jī)構(gòu)，然后再分機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)出的數(shù)控機(jī)床才能夠較好的解決多品種、小批量和復(fù)雜的零件的加工以及生產(chǎn)過程自動化的問題，并能提高加工零件的精度，穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量。

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