臥式加工中心數(shù)控系統(tǒng)設計分析

李樹生

摘要：隨著我國機械制造業(yè)的不斷發(fā)展，行業(yè)對數(shù)控機床的需求與日俱增。在此背景下，數(shù)控機床相關技術取得了較大進展，其性能日趨完善。將數(shù)控機床投入到生產過程中，極大程度上提高了生產效率，為生產質量提供了保障。對于數(shù)控機床而言，數(shù)控系統(tǒng)是核心構件，數(shù)控系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行直接關系到數(shù)控機床的生產成效。鑒于此，本文對臥式加工中心數(shù)控系統(tǒng)設計進行了分析，并對數(shù)控中心人性化設計提出了相關觀點，以供參考。

關鍵詞：數(shù)控機床；數(shù)控中心；系統(tǒng)設計；人性化設計

中圖分類號TG659 文獻標識碼A 文章編號2095-6363（2015）12-0082-02

1.數(shù)控加工中心概述

數(shù)控加工中心是一套綜合性的機電一體化產品，它涵蓋技術范圍較廣，其中包括信息處理技術、電子技術、計算機技術、檢測技術及測量技術等多項先進技術。數(shù)控加工中心具備高精度、高效率、高穩(wěn)定性、高適應性、高度開放性、高智能性等特征，這使其在機械制造行業(yè)普及面愈來愈大。相對于歐美發(fā)達國家而言，我國數(shù)控加工中心研發(fā)起步較晚，但近年來取得了較大的進展。數(shù)控加工中心最初由普通機床演變而來，通過計算機控制實現(xiàn)生產自動化。從產業(yè)發(fā)展角度來看，數(shù)控機床增強了基礎管理，改變了生產方式，擴大了利益鏈，對于行業(yè)整合以及產業(yè)鏈結構調整而言都具有重要的意義。在技術不斷迭代的情況下，數(shù)控機床的主軸轉速、進給速度及識別率水平均有了大幅度提升。現(xiàn)代數(shù)控機床系統(tǒng)在保持數(shù)控補償功能的同時，還加入了傳感器系統(tǒng)，可對溫度、空間誤差進行補償，進一步提升了定位精度。目前，多數(shù)數(shù)控機床定位極度可達1um，重復定位精度高達0.5um。數(shù)控系統(tǒng)是決定數(shù)控加工中心可靠性的關鍵部分。目前，主流的數(shù)控系統(tǒng)均采取模塊化方式構建，結合不同的需求，可篩選不同功能的模塊進行自由化組合。除基礎加工功能外，人機交互水平較以往有了大幅度提升，同時還具備了負載識別功能、編程功能、自動保護功能等。強大的計算能力保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，基于柔性化與智能化特征，讓數(shù)據(jù)信息集成度有所提升，進一步提高了生產效率。

2.數(shù)控系統(tǒng)設計分析

本研究中，數(shù)控加工中心設計具體如下：主軸1個，工作臺交換裝置1個，進給軸4個，刀庫1個，排屑器1個。進給軸包括三維方向的x軸、Y軸及z軸及環(huán)繞軸B軸，具體如圖1所示。

其中，x軸、Y軸以螺母不動絲杠方式進行旋轉，Z軸以螺母旋轉絲杠不動的方式旋轉。三根絲杠安裝時一端為固定端，另一端為自由端。由于Y軸為垂直移動軸，將電磁制動器置于其尾端，可保持機床功率維持正常狀態(tài)。于絲杠帶輪位置設置一個安全剎車裝置，可有效避免工作臺出現(xiàn)自由下落。絲杠自由端處安裝一個機械擋塊，避免部件滑動而脫離極限位置。將主軸變動箱設計為人工調速與手動調速共存（分4個擋位）。利用感應開關對主軸位置進行定向，采取液壓驅動銷釘鎖定定位。刀庫可根據(jù)實際需求進行自由選擇，由直流電機帶動。

系統(tǒng)設計需滿足以下幾點要求：便于拆裝、維護；對惡劣環(huán)境具有較好的抵抗力，工作環(huán)境區(qū)間為O至45℃，可在濕度不超過75%的情況下穩(wěn)定工作：具備保護電路；可讀取PMC信號、功能指令；具備高速DNC功能。加工中心控制系統(tǒng)主要設計為以下模塊：顯示模塊、主軸控制模塊、儲存器模塊、電源模塊、測試模塊、進給軸控制模塊等。通過這些模塊的共同調節(jié)，達到上述要求。

3.數(shù)控中心人性化設計分析

數(shù)控系統(tǒng)設計過程中，如何實現(xiàn)人性化是一個難點，以下通過工作臺設計、顯示器設計及控制器設計對其進行闡述。

3.1工作臺設計

工作臺是人機交互過程中的重要界面，設計時需考慮使用者舒適度。中小型機床數(shù)控中心加工時間較短，作業(yè)姿勢多為站姿；大型機床數(shù)控機床中心加工周期較長，作業(yè)姿勢以坐姿為主。考慮到上述情況，可將工作臺設計為站、坐兩用式。可在控制臺下部增加踏腳板，達到較高坐姿操作的要求。控制元件設定在人手可及范圍內，控制臺本身應當留出充足的闕量作為操作者活動空間，預留水平臺面作為文件書寫區(qū)域。安裝顯示設備時結合視覺幾何參數(shù)進行設定，使操作者可對顯示信息進行清晰辨別。

3.2顯示器設計

顯示器是實現(xiàn)人機交互的重要窗口，其視覺元素會對人機關系產生直接影響。在設計這些視覺元素的過程中，除了需要滿足顯示精度、顯示穩(wěn)定性等硬性指標需求外，同時還要使其與人的視覺生理特征相吻合。從人機工程學角度來看，應當遵從“機器適應人”的原則。將顯示面板設計為多面形，當顯示信息量較大時，可減少邊緣處的觀察偏轉角度，降低眼球旋轉范圍，為使用者眼睛“減負”。將顯示器面板置于使用者正前方，面板平面與使用者視線保持垂直，降低使用者的頭部運動頻率與眼球運動頻率。顯示器設計為動態(tài)可調節(jié)模式，通過動態(tài)支架對顯示器位置進行調整，從而滿足不同體型使用者的需求。儀表盤色彩以白色背景、黑色字體進行設計，降低數(shù)據(jù)誤讀率。人體工程學認為，人眼運動與認知習慣具有密切的關聯(lián)。為滿足這種潛在性需求，在設計過程中，要讓功能分區(qū)排列保持一定的邏輯關系，常用信息置于顯示器中心位置，其他功能信息以重要程度不同，依次由中心向周圍擴散且各功能區(qū)可采取不同顏色分界或不同顏色背景以示區(qū)別。

3.3控制器設計

盡管數(shù)控系統(tǒng)可讓機床中心實現(xiàn)自動化生產，但依然會避免不了基礎人工操作。系統(tǒng)的調試、參數(shù)設定等通過控制器達成。因此，控制器的人性化設計從側面反映出了系統(tǒng)對操作人員的親和力。控制器主要分為三類，即按壓式控制器、旋鈕及腳控制器。按壓式控制器是最為常見的控制器類型，其工作原理為典型的二進制，即“開”與“關”，在控制器按下的瞬間已經實現(xiàn)了擊發(fā)動作，并將信號傳遞于設備，使其工作。由于數(shù)控機床功能多樣，采取按壓式控制器這種直接性操控方式，可有效降低誤控幾率。旋鈕控制器選擇多倍旋轉旋鈕，此類旋鈕連續(xù)性較強，旋轉范圍較大，便于旋轉。外形以錐臺形為主，可與操作者手形相貼合，周圍可設計為齒紋，起到增加摩擦力的效果。腳控制器主要是緩解手部操作負荷，以腳踏板較為常見，起到輔助性作用。

4.結語

目前，機械制造加工正朝著自動化、智能化方向發(fā)展。在這個過程中，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用，為實際生產提供了有力支持。數(shù)控中心作為一個綜合性產品，除了需要數(shù)控系統(tǒng)支持外，還需充分考慮將人性化設計元素賦予其中，通過對人機交互的不斷完善，為使用者提供更好的操作感受。endprint