微型可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床

　　1、基本信息

　　作品名稱：微型可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床

　　完成單位：南京航空航天大學(xué) 工程訓(xùn)練中心

　　2、功能、作用介紹

　　數(shù)控加工是機(jī)械工程訓(xùn)練課程主干訓(xùn)練項(xiàng)目之一。綜觀國(guó)內(nèi)院校工程訓(xùn)練課程的數(shù)控加工訓(xùn)練，大多僅限于手工編程、兩維加工等片面認(rèn)知層次，訓(xùn)練的深度、工程性、系統(tǒng)性、綜合性嚴(yán)重不足。鑒于此，自主研制微型可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床(型號(hào)ETC-W001)并應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)。該設(shè)備可重構(gòu)為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床等機(jī)床，能夠加工普通碳素結(jié)構(gòu)鋼等材料。學(xué)生應(yīng)用該設(shè)備進(jìn)行數(shù)控技術(shù)與數(shù)控加工綜合訓(xùn)練。學(xué)生在完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零件CAD建模和CAM編程后，組合設(shè)備可重構(gòu)模塊，按需裝配成數(shù)控車床、數(shù)控銑床等，并完成數(shù)控系統(tǒng)搭建、整機(jī)調(diào)試、DNC程序傳輸?shù)裙ぷ鳎詈髴?yīng)用所搭建機(jī)床，完成所設(shè)計(jì)產(chǎn)品零件的數(shù)控車削、數(shù)控銑削加工、鉗修與裝配調(diào)試等工作。

　　2.1、設(shè)備簡(jiǎn)介

　　該設(shè)備可重構(gòu)為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床等，由主軸箱模塊(圖1，見附錄，下同)、床身模塊(圖2)、工作臺(tái)模塊(圖3)、尾座模塊(圖4)、立柱模塊(圖5)等基本模塊組成。用于訓(xùn)練的設(shè)備如圖8所示。設(shè)備配置了與企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的EAMA-3000i型數(shù)控系統(tǒng)(圖11、圖12)，支持車銑切換。

　　(1)典型機(jī)械本體重構(gòu)

　　微型數(shù)控車床由主軸箱模塊、床身模塊、工作臺(tái)模塊、尾座模塊、卡盤和數(shù)控刀架等裝配而成。裝配時(shí)，床身伺服電機(jī)端置于左端，首先裝配床身模塊與工作臺(tái)模塊，在床身左端固定主軸箱模塊，將卡盤裝配在主軸箱模塊上，在工作臺(tái)模塊上安裝數(shù)控刀架，床身右端安裝尾座模塊。每一裝配環(huán)節(jié)要應(yīng)用相關(guān)量具、工裝，對(duì)裝配體的距離精度、相互位置精度、相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度、接觸精度等進(jìn)行檢測(cè)。最后，搭建數(shù)控系統(tǒng)，配置Z軸、X軸和刀架的數(shù)控模塊，并進(jìn)行聯(lián)調(diào)。數(shù)控車床實(shí)物見圖9。

　　微型數(shù)控銑床由主軸箱模塊、床身模塊、工作臺(tái)模塊、立柱模塊和銑刀夾持裝置等組成。裝配床身模塊與工作臺(tái)模塊，床身伺服電機(jī)端裝配立柱配重模塊，在主軸箱模塊安裝銑刀夾持裝置，將主軸箱模塊裝配在主軸箱固定板上。同時(shí)，配置數(shù)控系統(tǒng)，添加Z軸控制模塊，進(jìn)行聯(lián)調(diào)。數(shù)控銑床實(shí)物見圖10。

　　(2)EAMA-3000i數(shù)控系統(tǒng)

　　數(shù)控系統(tǒng)為多功能開放系統(tǒng)，支持車銑切換。系統(tǒng)由CNC主機(jī)、MCP及IO接口、軸控接口三大部分組成(見下圖)，每部分都有獨(dú)立的CPU，并且三部分分別有兩條總線進(jìn)行連接，方便系統(tǒng)連接與功能擴(kuò)展。NC主機(jī)采用Atmel AT91SAM9G45(ARM 926EJ-STM，主頻400MHz)工業(yè)級(jí)芯片為核心，具有SD卡、USB、高速總線、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)等多種接口。配有8寸液晶顯示屏和MDI鍵盤，人機(jī)交互功能方便。CNC完成總體協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)粗插補(bǔ)運(yùn)算功能(插補(bǔ)周期8ms)及機(jī)床可編程邏輯控制功能。MCP及IO接口板完成機(jī)床操作面板的功能、手輪的功能和機(jī)床輸入輸出信號(hào)的功能。軸控接口板完成6個(gè)軸的定位控制功能，實(shí)現(xiàn)精插補(bǔ)運(yùn)算并輸出與伺服連接。

　　(3)設(shè)備主要參數(shù)

　　數(shù)控車床主要技術(shù)參數(shù)如下：

　　序號(hào)項(xiàng)目參數(shù)

　　1床身最大工件回轉(zhuǎn)直徑￠50mm

　　2最大工件長(zhǎng)度190mm

　　3最大車削長(zhǎng)度80mm

　　4外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)540mm×185mm×280mm

　　5主軸電機(jī)功率0.4kw

　　6進(jìn)給軸電機(jī)功率0.6kw

　　7主軸轉(zhuǎn)速120-3000rpm

　　數(shù)控銑床主要技術(shù)參數(shù)如下：

　　序號(hào)項(xiàng)目參數(shù)

　　1工作臺(tái)面積(長(zhǎng)×寬)110mm×80mm

　　2工作臺(tái)左右行程(X向)110mm

　　3工作臺(tái)前后行程(Y向)100mm

　　4工作臺(tái)上、下行程(Z向)110mm

　　5主軸端面至工作臺(tái)距離0-75mm

　　6刀具最大尺寸￠5×50mm

　　7主軸最高轉(zhuǎn)速3000rpm

　　8進(jìn)給電機(jī)扭矩1.91N.m

　　9外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)540mm×185mm×595mm

　　10定位精度

　　《JB/T8772.4-1998》X:0.015 mm ，Y、Z：0.012 mm

　　11重復(fù)定位精度

　　《JB/T8772.4-1998》X:0.010 mm ，Y、Z:0.010mm

　　2.2、在訓(xùn)練教學(xué)中的地位和作用

　　工科院校以培養(yǎng)工程師、工程學(xué)家為主要目的。工程訓(xùn)練應(yīng)是基于基本技能訓(xùn)練的綜合性項(xiàng)目實(shí)踐，以體現(xiàn)鮮明的工程特性，著重培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)研發(fā)能力、分析解決工程問題的能力、基于應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的原創(chuàng)性研究能力等核心技術(shù)能力。所研制設(shè)備是實(shí)現(xiàn)數(shù)控技術(shù)教學(xué)板塊綜合訓(xùn)練的重要教學(xué)載體之一。

　　該綜合訓(xùn)練采用以學(xué)生為主體的研究性實(shí)踐教學(xué)模式。學(xué)生以產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，以該設(shè)備為載體，順序?qū)嵺`從設(shè)計(jì)到調(diào)試完整的工程過程：

　　(1) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)：以小組為單位，根據(jù)任務(wù)進(jìn)行產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)，建立零部件數(shù)字模型與產(chǎn)品裝配模型;

　　(2) 加工工藝設(shè)計(jì)：對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行(數(shù)控)加工工藝分析，編制(數(shù)控)加工工藝;

　　(3) 數(shù)控編程：零件數(shù)控加工部分手工編程與CAM編程(MASTERCAM);

　　(4) 數(shù)控機(jī)床裝配：學(xué)習(xí)機(jī)床裝配工藝，進(jìn)行機(jī)床裝配工藝分析，制定裝配工藝，按需裝配所應(yīng)用機(jī)床(數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床);

　　(5) 數(shù)控系統(tǒng)搭建：CNC、控制柜、驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)、主軸電機(jī)接線調(diào)試;

　　(6) 數(shù)控系統(tǒng)粗插補(bǔ)模塊編程調(diào)試(可選)：編制直線、圓弧插補(bǔ)程序(系統(tǒng)開放此模塊);

　　(7) 數(shù)控機(jī)床聯(lián)調(diào)：配置數(shù)控系統(tǒng)，試加工，檢測(cè);

　　(8) 數(shù)控加工：DNC程序傳輸，完成所設(shè)計(jì)零件的數(shù)控加工;

　　(9) 產(chǎn)品裝配調(diào)試;

　　(10) 答辯。

　　該綜合訓(xùn)練在CAD、機(jī)制工藝、數(shù)控加工、鉗工裝配、數(shù)控技術(shù)原理等相關(guān)訓(xùn)練基礎(chǔ)上進(jìn)行，以小組(3-5人)為單元進(jìn)行，傳統(tǒng)訓(xùn)練周期為一周(5天)，主題訓(xùn)練為三周到四周。學(xué)生通過插補(bǔ)模塊開發(fā)調(diào)試、數(shù)控編程、拆裝重構(gòu)機(jī)床、數(shù)控加工等實(shí)踐，深入透徹了解數(shù)控機(jī)床基本機(jī)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制原理、機(jī)床傳感技術(shù)、數(shù)控加工工藝等。學(xué)生實(shí)踐產(chǎn)品研制完整工程過程，在系列發(fā)現(xiàn)、分析、解決工程問題的過程中，認(rèn)知數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域典型的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)、工藝技術(shù)和工藝方法，實(shí)踐數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造基本工程過程，體驗(yàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的魅力，有效培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)，很好鍛煉了學(xué)生的綜合工程能力。該設(shè)備除綜合訓(xùn)練外，還為“工程訓(xùn)練”課程“數(shù)控系統(tǒng)維修”等訓(xùn)練項(xiàng)目提供載體。

　　該訓(xùn)練項(xiàng)目是數(shù)控技術(shù)教學(xué)板塊的重要組成部分，已應(yīng)用于規(guī)?；?xùn)練教學(xué)多年，取得了顯著的教學(xué)效益。此外，該訓(xùn)練項(xiàng)目還為“工程訓(xùn)練”課程針對(duì)外國(guó)訪問生的“DM Summer Training Program ”，為教育部教育管理信息中心“全國(guó)工業(yè)自動(dòng)化人才認(rèn)證培訓(xùn)項(xiàng)目”(IAAT)“數(shù)控應(yīng)用工程師”認(rèn)證培訓(xùn)等拓展項(xiàng)目提供課程支撐。