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      【摘要】基于數(shù)控車床床身結(jié)構(gòu)，制作一臺(tái)集水平與傾斜床身快捷轉(zhuǎn)換的新型可視化數(shù)控車床教學(xué)模型。車床模型大托板可沿主軸軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30 度，在水平與傾斜兩種床身結(jié)構(gòu)間轉(zhuǎn)化，使兩種床身結(jié)構(gòu)的車床特點(diǎn)得到直觀展現(xiàn)。通過可視化的數(shù)控車床主體，可以觀察到數(shù)控車床在工作時(shí)的內(nèi)部工作原理，直觀展現(xiàn)數(shù)控車床內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
 
      【關(guān)鍵詞】數(shù)控車床；可視化；可轉(zhuǎn)位；模型
   
      教育界通常把教師、教材、教具統(tǒng)稱為“教育中的三大基本條件”，可見教具在教學(xué)中具有重要的地位。數(shù)控機(jī)床是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用專業(yè)學(xué)生來學(xué)習(xí)數(shù)控技能的一個(gè)載體，本設(shè)計(jì)是基于數(shù)控車床原理制作一臺(tái)集水平與傾斜床身于一體的新型可視化數(shù)控車床教學(xué)模型，此模型設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)水平床身與傾斜床身的直接轉(zhuǎn)換和機(jī)床內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過程的直觀展示，實(shí)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)的直觀對(duì)比，便于教師教學(xué)使用，同時(shí)機(jī)床在轉(zhuǎn)換后具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和重復(fù)定位精度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)尼龍、木材或工程塑料的切削。機(jī)床模型可以用于數(shù)控課程的教學(xué)，直觀展現(xiàn)數(shù)控車床結(jié)構(gòu)，對(duì)教學(xué)起到一定的輔助作用。
 
      1、 設(shè)計(jì)方案
   
      1.1 數(shù)控車床的模塊化設(shè)計(jì)
 
      數(shù)控車床的設(shè)計(jì)經(jīng)過發(fā)展，已經(jīng)向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。在機(jī)床的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)形成了部件的標(biāo)準(zhǔn)化，所以在機(jī)床的設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要，通過計(jì)算機(jī)床的受力及設(shè)計(jì)功能，直接根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)從機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)部件中選用合適的部件，從而減少機(jī)床的設(shè)計(jì)周期、減少設(shè)計(jì)時(shí)間、提高數(shù)控機(jī)床的效率。其數(shù)控車床主要部件包括：床身、床頭箱結(jié)構(gòu)、進(jìn)給系統(tǒng)、刀架、卡盤、電氣系統(tǒng)、安全保護(hù)等，見表1所示。
 
                                    表1 主要部件特性匯總表
  
     
  
     模塊化設(shè)計(jì)是對(duì)機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)、柔性加工、現(xiàn)代制造的全面考慮，是數(shù)控機(jī)床以后設(shè)計(jì)著重考慮的方向。根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)化理論的基礎(chǔ)上運(yùn)用系統(tǒng)工程的原理，將一復(fù)雜的工程產(chǎn)品分解成層次合理的簡(jiǎn)化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化單元模塊，并用這些標(biāo)準(zhǔn)化模塊組合成各種不同產(chǎn)品的過程。其設(shè)計(jì)步驟如圖1所示。
 
     根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，首先查找標(biāo)準(zhǔn)件模塊庫(kù)、相似件模塊庫(kù)，對(duì)無法直接利用的模塊可在其基礎(chǔ)上進(jìn)行配置設(shè)計(jì)，形成新的模塊，重新組合模塊使之成品化，縮短了設(shè)計(jì)周期。圖2 為最基本的數(shù)控車床模塊化設(shè)計(jì)示意圖。
 

    
  
                                  圖1 模塊化設(shè)計(jì)步驟圖

                             圖2 數(shù)控車床模塊化設(shè)計(jì)示意圖
   
     在本次設(shè)計(jì)中，通過對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和功能的分析，其標(biāo)準(zhǔn)部件具體內(nèi)容有：主軸電機(jī)的選型、導(dǎo)軌的選型、絲杠的選型、支撐部件的選型等，見表2所示。
   
                                      表2 標(biāo)準(zhǔn)部件選型匯總表
  
    
  
     數(shù)控車床模型在經(jīng)過了原始數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、三維模型設(shè)計(jì)、仿真運(yùn)行等理論設(shè)計(jì)的過程后，需要機(jī)床非標(biāo)準(zhǔn)件的加工制作。這一過程直接關(guān)系到了數(shù)控機(jī)床模型后續(xù)的裝配效果和運(yùn)行的穩(wěn)定性及運(yùn)行的精度。非標(biāo)準(zhǔn)主要加工部件見表3所示。
   
                                       表3 主要加工部件匯總表  
  
     

    1.2 控制系統(tǒng)的構(gòu)建
 
    車床的數(shù)控系統(tǒng)與一般的數(shù)控系統(tǒng)組成基本相同，由硬件和軟件共同完成數(shù)控任務(wù)。主要由輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和可編程序邏輯控制器（PLC）四部分組成。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)床結(jié)構(gòu)以及自動(dòng)控制的高速發(fā)展，數(shù)控控制系統(tǒng)技術(shù)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(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展，開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有著更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性。目前，開放式數(shù)控系統(tǒng)主要形式有PC+NC模式、PC+運(yùn)動(dòng)控制器模式和軟件CNC模式，其中軟件CNC模式是指CNC的全部功能均由PC實(shí)現(xiàn)，并通過裝在PC機(jī)上擴(kuò)展槽的伺服接口卡對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)等進(jìn)行控制是將運(yùn)動(dòng)控制器以應(yīng)用軟件的形式實(shí)現(xiàn)，既支持?jǐn)?shù)控上層軟件的用戶定制，也支持運(yùn)動(dòng)控制策略的用戶定制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)用戶在真正意義上的開放。
 
    本次設(shè)計(jì)是應(yīng)用軟件CNC的系統(tǒng)控制方式，采用了“PC+伺服擴(kuò)展接口卡”形式建造數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，其中以PC 為主控計(jì)算機(jī)，運(yùn)用mach 3 軟件進(jìn)行控制，組件采用商用標(biāo)準(zhǔn)化伺服接口卡，構(gòu)成主控從運(yùn)動(dòng)的分布式結(jié)構(gòu)體系。
 
    硬件實(shí)物線路連接如圖3所示。  
  
  

    
  
                   圖3 步進(jìn)電機(jī)連線實(shí)物圖
     
    系統(tǒng)控制板接口按MACH3 軟件的控制方式接口如圖4 所示。
  

    
  
                               圖4 控制系統(tǒng)連線框圖
     
    根據(jù)連線原理圖，按共陽(yáng)接法驅(qū)動(dòng)器的接口形式連接線路，如圖5 所示。控制板接線如圖6 所示。驅(qū)動(dòng)器UIR-端口接控制板P6，為方向控制信號(hào)；驅(qū)動(dòng)器PUL-端口接控制板P2，為驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。UIR+和PUL+為公共接線端，接5V高電平。

            圖5 驅(qū)動(dòng)器連線圖                      圖6 控制板接線圖
       
     2 、機(jī)床整體的裝配和調(diào)試
   
     2.1 機(jī)床整體的裝配
   
    經(jīng)過車床零部件的選型、加工、系統(tǒng)的構(gòu)建，車床模型的硬件和軟件都已經(jīng)確定，接下來的工作就是要把車床模型的硬件和軟件進(jìn)行融合，達(dá)到數(shù)字控制、實(shí)現(xiàn)數(shù)控的功能。
 
    機(jī)床在進(jìn)行裝配時(shí)，要按照正確的順序和方法一步一步進(jìn)行裝配，在車床模型建模和設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)考慮了裝配的問題，其設(shè)計(jì)的裝配路線如下：刀架→中拖板導(dǎo)軌→中拖板絲杠→中拖板電機(jī)（聯(lián)軸器）→大托板（前后支撐）→箱體前后支撐→大托板絲杠→連接中拖板→大托板電機(jī)（聯(lián)軸器）→主軸及卡盤→主軸箱側(cè)板→主軸電機(jī)固定板→主軸電機(jī)（聯(lián)軸器）→主軸箱上蓋板。機(jī)床模型在總裝完成后如圖7及8 所示。
   

    
           圖7 機(jī)床斜床身總裝效果圖             圖8 機(jī)床水平床身總裝效果圖

   
     2.2 機(jī)床整體的調(diào)試
   
     機(jī)床整體主要調(diào)試內(nèi)容包括：電機(jī)調(diào)試中步數(shù)的確定、速度的確定、加速度的確定、車床直徑編程與半徑編程的選擇、針腳的確定等。其中步進(jìn)電機(jī)參數(shù)調(diào)試設(shè)定如圖9 所示，圖中窗口右邊的Axis Selection 區(qū)域用于選擇需要設(shè)定參數(shù)的軸。窗口左邊的曲線圖反應(yīng)了參數(shù)設(shè)定后步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行是加速→穩(wěn)定→減速的變化曲線，在兩者之間的Velocity 調(diào)整塊用于快速的調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行速度（電機(jī)帶動(dòng)絲杠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)的最終最大移動(dòng)速度）；在曲線圖與參數(shù)設(shè)定輸入框之間的Accel 調(diào)整塊用于快速的調(diào)整步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)達(dá)到最高運(yùn)行速度以及在最高速度減速到停止的加減速（電機(jī)帶動(dòng)絲杠-絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)的最終最大移動(dòng)速度，也就是限制了G代碼中G00 的最大速度），從上述參數(shù)關(guān)系到步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)正確的轉(zhuǎn)換，再到工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)。Steps per 參數(shù)決定了工作臺(tái)每運(yùn)動(dòng)1mm，步進(jìn)電機(jī)需要多少個(gè)脈沖，計(jì)算公式為（步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1 圈的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)*驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)）/絲杠導(dǎo)程，其中導(dǎo)程也就是螺距，如果絲杠是直接連接電機(jī)而是通過減速后連接則計(jì)算結(jié)果還需要再乘以減速比；Acceleration In's or mm's/sec/sec 參數(shù)是決定了電機(jī)由停止到最高速或者由最高速到停止的啟動(dòng)與停止加速度，設(shè)定合理的加速度可以防止步進(jìn)電機(jī)的慣性過沖失步，以及降低工作臺(tái)運(yùn)行中的沖擊力，保證機(jī)床在高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，具體加減速需要的時(shí)間可以在曲線圖中看到對(duì)應(yīng)的X坐標(biāo)數(shù)值。
   

                         圖9 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)調(diào)試設(shè)定
       
      3 、機(jī)床程序測(cè)試
   
     對(duì)上述參數(shù)設(shè)置好后，就可以對(duì)機(jī)床進(jìn)行切削測(cè)試了，選擇毛坯為Φ25×45 的尼龍材質(zhì)毛坯進(jìn)行試切削。零件圖如圖10 所示；控制軟件仿真如圖11 所示；機(jī)床模型實(shí)際加工零件如圖12所示。

   
  
             圖10 程序測(cè)試零件圖
  
  

     
  
                      圖11 程序測(cè)試仿真圖
  
      
  
             圖12 加工零件實(shí)物圖

   
    4、 小結(jié)
   
    本文主要設(shè)計(jì)了集數(shù)控車床水平床身與傾斜床身于一體的新型可視化數(shù)控車床教學(xué)模型，其主要研究?jī)?nèi)容包括了數(shù)控車床結(jié)構(gòu)分析、標(biāo)準(zhǔn)件選型、非標(biāo)件的加工、控制系統(tǒng)的研究與構(gòu)建以及機(jī)床整體的裝配和調(diào)試。模型可實(shí)現(xiàn)水平床身與傾斜床身的快捷變換，大托板沿主軸軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為30°的傾斜數(shù)控車床，實(shí)現(xiàn)了兩種結(jié)構(gòu)的直觀對(duì)比；可視化的數(shù)控車床外殼，可清晰觀察到數(shù)控車床在工作時(shí)的內(nèi)部工作原理和工作過程，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過程的直觀展示和教學(xué)。
 
 
    參考文獻(xiàn)
   
    [1]崔梁萍,項(xiàng)春,李增芳.數(shù)控車床的模塊化和配置設(shè)計(jì)方法[J].浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報(bào),2007,(4):16-18.
    [2]吳高位,賀曉娟,李惠娟.數(shù)控車床模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用及探討[J].機(jī)械工程師,2010,(6):6-9.
    [3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2005.
    [4]楊平.機(jī)電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2002.
    [5]龔仲華.