【模塊系列化多功能數(shù)控機床】
1 研制背景及意義
作為機械及其相關專業(yè)的學生，必然要接觸數(shù)控機床，而且機械加工制造以及機械制圖等是必不可少的課程，金工實習更是不可或缺。但是由于數(shù)控機床昂貴且占地面積大，大部分高校沒有足夠的經(jīng)費和場所來置辦足夠?qū)W生使用的數(shù)控機床。因此學生實習時看得多做得少，很少有親自動手的機會。這就導致學生對于數(shù)控車床、銑床等機床沒有清楚的認識，對一些基本的操作技能更是生疏。在現(xiàn)在的高校環(huán)境下讓每個同學都能真正的操作并熟悉數(shù)控機床根本不可能。但數(shù)控機床是制造業(yè)的加工母機和國民經(jīng)濟的重要基礎，傳統(tǒng)機床落后效率低下，我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)起步較晚處于發(fā)展中階段，因此急缺數(shù)控機床方面的人才，這對高校提出了更高的要求。鑒于目前市場上沒有這種小型廉價的供學生學習的小型數(shù)控車銑教具設備，我們研發(fā)了這一款模塊化多功能數(shù)控機床教具，它是一款很好的入門級教具。該教具具備了數(shù)控車床、數(shù)控銑床、車銑復合和五軸加工的功能，是一個一機多用、性價比極其高的機電教具。
2工作原理
數(shù)控機床教具包括三個直線運動坐標軸和兩個旋轉(zhuǎn)運動坐標軸，分別是X軸、Y軸、Z軸以及A軸(車床主軸)和B軸，x、y、z軸分別由聯(lián)軸器通過滾珠絲杠由步進電機控制;A軸(車床主軸)由一個步進電機連接的2個帶輪通過同步帶傳動實現(xiàn)控制;B軸通過步進電機控制蝸輪蝸桿的運動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)盤上車刀和銑刀的轉(zhuǎn)換以及刀具的不同旋轉(zhuǎn)角度。本裝置的傳動原理如圖1所示。
控制部分采用上位機(電腦)通過一個25針的并口傳給下位機(128細分驅(qū)動器)脈沖信號，進而傳給步進電機來控制步進電機的旋轉(zhuǎn)，從而控制滾珠絲杠、同步帶、蝸輪蝸桿的運動或旋轉(zhuǎn)。
3 設計方案
3.1總體方案設計
在方案設計階段，以鋁作為主要材料，這樣質(zhì)量輕便又保證了足夠的加工強度。用價格低量、能實現(xiàn)準確控制的步進電機控制機床運動。為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡單以及功能的多樣化，我們將各個部分模塊化，主要包括x軸、y軸、z軸、A軸(車床主軸)及繞y軸旋轉(zhuǎn)的B軸。作為一種教具，一方面可在教室實現(xiàn)演示功能，另一方面可使學生在實驗室自主設計、編程、加工物品;或自主拆卸安裝。
3.2各軸設計簡介
XYZ三軸為直線坐標軸，主要由滾珠絲杠、光滑導軌、直線滑塊、軸承等各部分組成。滾珠絲杠保證了重復定位的精度，最高可達0.05mm。A軸和B軸為旋轉(zhuǎn)坐標軸。A軸在此處也稱為車床主軸，它主要由同步皮帶輪、同步皮帶、三爪卡盤組成。同步皮帶保證了準確恒定的傳動比，而且具有效率高、緩沖減震的特點。此處我們用的傳動比為1.6。B軸起到刀庫的作用，車刀和銑刀安裝在旋轉(zhuǎn)盤上。我們用傳動比為1:30的精密蝸輪蝸桿代替了A軸的同步帶，因為精密渦輪蝸桿具有自鎖性，且能夠保持精密分度，以實現(xiàn)刀具的精確旋轉(zhuǎn)角度。
3.3控制部分
制部分我們主要采用步進電機和Mach軟件進行控制各個軸的運動，而這僅需一臺普通電腦即可，在實驗室和教室都是具有一臺電腦的，因此控制非常容易實現(xiàn)。為了便于攜帶，我們做了一個專門的控制箱。Mach軟件是一款開放性的基于Windows平臺的數(shù)控軟件，采用國際通用的G代碼，與市面上流行的西門子等機床所用代碼相同，最多可以控制六軸聯(lián)動。具體控制細節(jié)就是上位機(電腦)通過一個25針的并口傳給下位機(128細分驅(qū)動器)脈沖信號，進而傳給步進電機來控制步進電機的旋轉(zhuǎn)，從而控制滾珠絲杠、同步帶、蝸輪蝸桿的運動或旋轉(zhuǎn)。這是我們B軸刀具旋轉(zhuǎn)一度所需脈沖數(shù)的計算過程： 200×128x30÷360×1=2133.333333
200為步進電機旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)
128為此處所使用的脈沖細分數(shù)
30為蝸輪蝸桿的傳動比
3.4功能簡介
該教具能實現(xiàn)數(shù)控車床、數(shù)控銑床、車銑復合和五軸加工四種不同的功能。第一：數(shù)控車床，車床主軸的旋轉(zhuǎn)作為主運動，以車刀和A軸組合成車床，能實現(xiàn)車外圓、端面和螺紋等。第二：數(shù)控銑床，以主軸電機旋轉(zhuǎn)作為主運動，以銑刀作為刀具加工在卡盤上或在臺鉗夾具上的工件，能實現(xiàn)加工孔、鍵槽、平面等。第三：車銑復合，一次裝夾工件，通過一次編程，先后實現(xiàn)車和銑的操作，能保持工序集中、消除(或減少)工件重新安裝定位誤差，提高加工精度。第四：五軸加工，通過Mach軟件控制五個軸的協(xié)調(diào)運動以加工復雜曲面。
表1列出了該教具所具備的4中基本功能。
表1功能介紹
功能功能簡介實物圖或模型圖
數(shù)控車床通過卡盤將加工的工件裝卡在主軸上，由步進電機在Mach軟件的控制下，驅(qū)動主軸做回轉(zhuǎn)運動，同時夾具做直線運動，通過計算機進行編程，便可實現(xiàn)數(shù)控車床的功能。
數(shù)控銑床通過夾具將工件夾持住，由絲杠帶動可以做直線運動，銑刀在電機的驅(qū)動下做旋轉(zhuǎn)運動，2個運動相互配合，通過計算機編程，從而實現(xiàn)數(shù)控銑床的功能。
五軸加工將A軸的刀具旋轉(zhuǎn)不同的角度，與x軸、y軸、z軸和A軸組成五軸加工，通過計算機編程，實現(xiàn)對復雜曲面的五軸加工。
車銑復合以B軸的旋轉(zhuǎn)盤帶動 車刀和銑刀的轉(zhuǎn)換，通過一次裝夾、一次編程便可以形成車銑復合。達到一次裝夾先后完成車銑的運動。
4 主要創(chuàng)新點及特點
4.1主要創(chuàng)新點
1.該機床實現(xiàn)四種不同的功能，結(jié)構(gòu)簡單，一機多用，性價比極其高。
2.實現(xiàn)了功能模塊化和教學模塊化。因為實現(xiàn)了不同的功能，可以適用于不同層次學生和不同教學計劃的使用要求。低年級可以進行簡單的車銑操作，高年級學生可以學習多軸數(shù)控編程。
4.2 主要特點
1.該教具以機械設計為主，涉及機電控，復合現(xiàn)代機床的發(fā)展方向。同時符合機床的復合化和多軸化的發(fā)展趨勢。2 .控制部分采用MACH軟件，只要一臺普通的計算機便可實現(xiàn)數(shù)控車床、銑床、車銑復合和五軸加工的編程操作，價格低廉，操作靈活。3.應用范圍廣。機械及其相關專業(yè)都可以使用，因此在高校有非常廣的應用前景。
4.增加了攝像頭。有利于課堂教學，使學生清晰看到機床的運動結(jié)構(gòu)。
5.研究意義及應用前景
5.1研究意義
1.使學生理論與實踐完美結(jié)合。通過我們的機床，學生可以把他大學期間所學的課程全部聯(lián)系起來，從畫圖設計的CAD、Pro/e、SolidWorkers到編程的MasterCam，到制造技術中的機械制造技術基礎，到出零件的機原機設等，因此我們機床可以應用于很多大學課程。
2.在金工實習中還可讓學生自己編程加工自己想要的東西，這樣大大提高了他們學習機械的興趣。
3.讓學生自己測繪制作該機床或拆卸組裝，提高他們的動手和裝配能力。
5.2應用前景
1.主要應用就是向高校推廣，應用于課堂教學和金工實習中，減少經(jīng)費開支和占地面積，提高學生工程素質(zhì)。
2.繼續(xù)升級為六軸。
完成單位：天津工業(yè)大學 工程實訓中心
作品名稱：模塊系列化多功能數(shù)控機床
