教學型龍門式數控銑床的研制

劉洋　趙巍

摘 要：近年來，數控機床應用到了各個行業中，數控人才的需求也不斷增大，但生產型設備用于教學是一種極大的資源浪費，尤其是數控龍門銑床這種大、重型設備。為解決這一實際問題，文章研制了一臺教學型數控龍門銑床。設計了該機床的機械結構，并對關鍵部件進行了校核計算；在滿足該銑床剛度、穩定性和抗震性的條件下，制作了該機床。該教學型銑床能夠在“數控機床及編程”中進行演示實驗，也可以進行開放式實驗。

關鍵詞：教學型；龍門銑床；數控

1 數控龍門銑床的概況

根據機床結構布局形式劃分為：按龍門架是否移動，分為龍門固定工作臺移動式和龍門移動式；按橫梁是否在立柱上運動，分為動梁式和定梁式兩種；橫梁在高架床身上移動稱為高架式；按機床凈重和工作臺承載能力，分為輕型、中型和重型（超重型）等。目前生產的主要規格范圍較大，雖有進步，但是與發達國家同類產品相比，差距較大，關鍵的功能部件還是從國外進口。

2 教學型數控設備的概況

我國的數控實驗設備的普及遠不如發達國家，在實踐技術方面，只是完成一些數控教學實驗，不能達到真正意義上的實訓，由于生產型的數控設備價格昂貴，很多職校實訓設備有限，只是通過編程練習和仿真加工，不能與實際結合，為了提高學生實際動手操作技能，研究開發教學型實訓設備是十分必要的。

3 教學型數控龍門銑床的研究

數控龍門銑床是在一般龍門銑床的基礎上發展起來的，數控龍門銑床主要由機床機械結構、數控控制系統和機床附件幾大部分組成。教學型數控龍門銑床與生產型的機床基本結構是相同的。教學型機床從機械結構方面考慮，其機械部件及材料可以不用承受很大的載荷，機床尺寸不用這么龐大。在控制系統方面可以采用開放式的數控系統，來代替專用的數控系統使其更加實用。

3.1 主要機械部件的選擇原則

（1）工作臺的選用，我們可以根據實際情況的大小指定尺寸。相應的材料和尺寸以生產型機床為參考，縮放比例。

（2）導軌副的選用，由于教學型數控龍門銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此可以選用直線滾動導軌副。它具有摩擦系數小、不易爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優點。

（3）絲杠螺母副的選用，伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，要滿足一定的定位精度，滑動絲杠副無能為力，我們可以選用滾珠絲杠副，滾珠絲杠副的傳動精度高、動態響應快、運轉平穩、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。

（4）伺服電動機的選用，由于用于教學不必采用高檔次的伺服電動機，我們可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。

（5）檢測裝置的選用，選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環控制也可選閉環控制。為了確保電動機在運轉過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用半閉環控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。

3.2 控制系統的選擇原則

使用開放式數控系統，開放式數控系統應具有如下的特點：

（1）高速、高可靠性：主軸轉速可達60000r/min，進給速度達到60m/min，系統平均無故障時間達到30000h以上。

（2）標準化、通用化和模塊化：通過選擇不同的標準化模塊可組成各種數控機床的控制系統，也有利于數控系統進一步擴展和升級。

（3）智能化：自適應控制技術的引進，有關參數可自動調整，以達到最優化的工作運行。

（4）網絡化：有強大的聯網通訊功能，可以讓標準網絡與數控系統無縫連接，實現軟硬件資源共享。

（5）易操作性：傳統的數控系統專業化程度高，對員工的能力要求較高，開放式數控系統容易操作，通用性強。

針對開放式數控系統采用較多的是PC+NC的方法。即把專用的運動控制器或者完整的NC單元嵌入到工業控制計算機的擴展插槽中。文章采用PMAC多軸運動控制器作為NC模塊，這種研究方法具有成本較低、可運行用戶自定義軟件、界面友好等優點。

4 教學型數控銑床設計方案

4.1 數控銑床的總體布局

銑床的總體布局有立式和臥式之分。立式布局引用較多，在本次課題教學型數控銑床的布局中，采用的是小型龍門式結構如圖1。

4.2 教學型數控銑床傳動方案設計

銑床是在X軸、Y軸和Z軸三個坐標軸上，任意兩軸聯動實現工作的。X軸與Y軸的進給運動是通過步進電機、聯軸器與滾珠絲杠等的相連，絲杠螺母又在滾珠絲杠運動。在工作的過程中，旋轉運動是靠步進電機帶動滾珠絲杠實現的，水平運動依賴滾珠絲杠螺母沿導軌移動，從而實現切削動作。

4.3 導軌及驅動裝置

導軌采用圓柱直線導軌如圖2，其特點是：防銹蝕性高；組裝容易；互換容易，圓柱直線導軌產品低噪音，有滾輪與軸心接觸均勻滑動，滑塊為自動調心設計可互換性，任一滑軌，滑塊均可互換使用；低成本化；應用廣泛等。

承載兩水平進給軸采用步進電機直連驅動如圖3，其特點是在不超載的情況下，電機旋轉的角度正比于脈沖數；電機停轉的時候具有最大的轉矩；由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復性；良好的起停和反轉響應；電機的響應僅由數字輸入脈沖確定，因而可以采用開環控制，這使得伺服系統的構成比較簡單而且成本低；將負載直接連接到電機的轉軸上也可以極低速的同步旋轉。由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉速范圍，完全符合本次設計任務。

4.4 主軸

主軸組件包括軸、軸承、主軸上的傳動件和密封件等。數控系統不僅可以控制主軸的啟動、停止和變速，還能控制主軸上刀具的切削運動。主軸結構的好壞關系到教學型數控銑床的使用性能，決定了教學型數控銑床的動態剛度與加工精度。根據設計需要直接選用高精度雕銑機主軸，如圖4。

5 結束語

教學型的數控龍門銑床的引入是解決大、重型設備實訓的最佳途徑，既節省了成本，又可以達到實訓的真正意義，也讓實訓設備充分發揮了其應有的價值，同時開放式數控系統的應用也是未來發展的方向，讓設備的使用更加靈活多樣。