經濟型數控車床的創新設計

孫玉生

摘 要：數控車床在機械行業的應用非常廣泛，是目前國內使用量最大，覆蓋面最廣的一種數控機床，其特點及應用范圍隨著科技的發展也在不斷地增長擴大。通過對經濟型CK6140數控車床刀架的分析，由于該數控車床只能對零件進行內外圓柱、圓錐、螺紋、孔的車削，而無法實現軸上平面和槽的加工，然后應用TRIZ理論中的技術沖突矩陣來進行創新，通過沖突矩陣的39個工程參數和40個發明原理的分析，證實并得出了一個帶有銑削功能的數控車床，通過獨立電動機帶動動力銑頭來進行銑削加工，加工原理是讓主軸停止轉動即零件靜止不動，電動機帶動銑刀進行旋轉進給銑削，從而實現軸上平面或槽的加工。

關鍵詞：數控車床；創新設計；TRIZ理論

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.040

1 經濟型數控車床

數控車床的結構簡單，操作方便，制造成本低并且技術容易掌握，通過用微機控制的步進電動機來執行本身的進給運動，其結構是由進給傳動鏈最短出發，讓步進電動機輸出端配置減速器并與進給系統的絲杠連接，來實現X、Z軸的進給運動；采用可控電動尾座來實現對零件的頂尖頂緊工作；安裝自動回轉刀架，通過數控系統傳遞信號來實現刀具的旋轉與進給加工；并采用開環控制系統，加工精度由執行元件和傳動機構的精度來保證，雖然這種數控車床的定位精度較低，但是該數控車床的投資少，安裝調試方便，適用于精度要求不高的零件加工，也是目前機械制造業應用最普遍的一種。

2 沖突分析

經濟型數控車床采用的是螺旋轉位刀架，根據數控機床的加工特點，我們了解到，對于內孔的加工，只能借住車床尾座通過手動操作來打中心孔和鉆孔從而實現內孔的加工，還有就是這種類型的刀架只能加工出內外圓柱、圓錐、螺紋、孔等，而達不到在零件側面進行平面、腔的加工，在這里應用TRIZ理論來進行經濟型CK6140數控車床的刀架的創新。

工程沖突包括技術、物理和數學這三種沖突，它的主要內容也是TRIZ研究的內容。物理沖突就是為了實現某種功能而表現出一個子系統或元件有一種特性，并且出現與此特性相反的特性。情況分析如下：當一個子系統的有用功增強時也使其系統的有害功增強；當一個子系統的有害功降低也會使其有害功降低。

3 利用TRIZ理論解決沖突

應用技術沖突解決的原理又稱發明原理，隨著科學技術的飛速發展，TRIZ團體通過對250萬專利的精心研究，總結出了39條工程參數，所有的沖突問題都可以在工程參數表中查到，同時又提出了解決技術沖突的40條發明原理。

經濟型CK6140數控車床刀架改造技術沖突：數控車床實現零件軸上平面、腔的加工，若采用車銑復合裝置的轉塔刀架和機械手，提高了加工效率，但是制造成本較高，而且結構設計比較麻煩，不易于制造和維修。

從39個工程參數中選擇技術沖突的一對特征參數，由此確定標準工程參數如下：1）希望改進的特征：速度、生產率；2）惡化的特征：可制造性、可維修性；3）從沖突矩陣表中可查出發明原理。

4 創新設計

主要設計是在刀架上加上一個動力銑頭，動力銑頭的主軸軸線與數控車床中心線相垂直，動力銑頭由單獨的步進電動機實現。若孔或腔的加工在同一母線上，可以把主軸電機上加個剎車即可實現。其螺旋轉位四工位刀架需要改，選用中拖板絲杠的行程，而所選用的動力銑頭要盡量靠近中拖板的后端，使得銑頭和刀架之間的距離最大化。

經過創新之后經濟型CK6140數控車床在進行車削的加工同時，可以通過Y向步進電動機帶動動力銑頭進行銑削加工，實現軸上平面和槽的加工。具體的設計是把M33（車削）和M34（銑削）指令加入到PLC控制程序中，當數控車床開機時默認為車削加工狀態，數控系統對內取消對Y軸電動機的監控和銑頭電動機的控制指令輸出，對外輸出信號切斷Y軸電動機的強電，這時只有X軸、Z軸參與聯動工作。當需要對零件進行銑削加工時，只需在加工程序的編程中輸入M34指令，就實現了系統對內恢復對Y軸電動機的監控和銑頭電動機的控制指令輸出，對外輸出信號接通Y軸電動機的強電，這時數控車床就可以實現銑削功能，讓主軸停止轉動，即工件不動，銑刀旋轉進給銑削。和經濟型數控車床一樣，電動刀架上可以安裝4把車刀，銑頭主軸上可安裝一把銑刀，加工時通常是先進行車削加工，此時滑板上的電動刀架靠近工件進行車削加工，車削完成后，滑板后退，車削刀架遠離工件，銑削主軸靠近工件，Y軸按加工需要動作，銑頭電機旋轉，進行銑削加工，如需更換銑刀，要停機手動換刀再繼續加工，從而完成軸的平面、槽的加工。

通過對數控車床總體結構進行創新設計，本文的主要研究內容和成果為：

（1）提出刀架需要改進的地方，對其不足之處進行分析確定沖突類型屬于技術沖突，介紹了TRIZ理論中的39個工程參數和40條發明原理，主要運用TRIZ理論中的矛盾沖突矩陣，根據在刀架的設計中遇到的問題，然后在沖突矩陣表格中選取提供的39個工程參數中的改善條件與惡化條件的關系，來初步確定可能應用到的40條發明原理中的其中一些原理，根據原理來設計預期的符合要求的刀架結構，在刀架上加上一個動力銑頭，動力銑頭的主軸軸線與數控車床中心線相垂直，動力銑頭由單獨的步進電動機實現。

（2）對設計的刀架進行試驗，驗證它的工作原理，實現了在經濟型數控車床上進行軸上平面和槽的加工，一般操作過程是先進行車削，此時切斷Y軸電動機和動力銑頭電動機，當進行銑削時，在程序中輸入M34，恢復Y軸電動機和動力銑頭電動機的工作，從而進行平面和槽的加工，工作原理是車床主軸不動即工件不動，讓銑刀旋轉進給進行銑削，到達加工的目的。

5 小結

運用TRIZ理論對經濟型數控車床的刀架進行結構和原理上的創新設計，理論上具有很強的可行性，此次對刀架具體結構設計并沒有進行詳細的計算和布局，機構設計不夠理想，需要進一步完善該機構，才能更好地改善經濟型數控車床的性能。

參考文獻：

[1]陳嬋娟.數控車床設計[M].化學工業出版社，2006（03）.