【摘要】基於數控車床床身結構，製作一台集水平與傾斜床身快捷轉換的新型可視化數控車床教學模型。車床（chuáng）模型大（dà）托板可沿主軸軸線逆時針旋轉30 度，在水平與傾斜兩種床身結（jié）構（gòu）間轉化，使兩種床身結構的車床（chuáng）特點得到直觀展現。通過可視（shì）化的數控車床主體，可以觀察（chá）到數（shù）控車床在工作時的內部工作原理，直觀展現數控車床內（nèi）部結構（gòu）。
 
      【關鍵（jiàn）詞】數控車床；可視化；可轉（zhuǎn）位（wèi）；模型（xíng）
   
      教育界通常把教師、教材、教具統稱為“教育中（zhōng）的三大基本條件”，可見教具在教學中具有重要的地位（wèi）。數控機床是數控技術應用專業學生（shēng）來學習數控技能的（de）一個載體，本設計是基於（yú）數控車床原理製作一台集水平與傾斜床（chuáng）身於一體的新型可視化數控車床教學模型，此模型（xíng）設計可以實現水平床身與傾斜床身的直接轉換和機床內部結構及工（gōng）作過程（chéng）的直觀展示，實現兩種結構的直觀對比，便於教師教學使用，同時機床在轉換後（hòu）具（jù）有一定的機械強度和重（chóng）複定位精度，並且能夠實現對尼（ní）龍、木（mù）材或工程塑（sù）料（liào）的切削。機床模（mó）型可以用於數控課程的（de）教學，直觀展現數控車床結（jié）構，對教學起到一定的輔助作用（yòng）。
 
      1、 設（shè）計方案
   
      1.1 數控車床的模塊化設計
 
      數控車床的設計經過發展，已經向標準化（huà）、模塊化、係統化方向發展。在機床（chuáng）的設計中，已經形成了部件的標準化，所以在機床的（de）設（shè）計中，我們可以根據設計需（xū）要，通過（guò）計算機床的（de）受力及設計功能，直接（jiē）根據設計數據從（cóng）機（jī）床標準部件中選用合適的部件，從（cóng）而減少機床的設計周期（qī）、減少設計時間（jiān）、提高數（shù）控機床的效率。其數控（kòng）車床主（zhǔ）要部件包括：床身（shēn）、床頭箱結構、進給（gěi）係統、刀架、卡（kǎ）盤、電氣係統、安全保護等，見表1所示。
 
                                    表1 主要部件特性匯（huì）總表
  
     
  
     模塊化設計是對機械現代設計、柔性加工、現（xiàn）代製（zhì）造的全麵考慮，是數控機床以後設計著重考慮的（de）方向。根據模塊化設（shè）計在標準化理論（lùn）的基礎上運（yùn）用係統工程（chéng）的原（yuán）理，將一複雜的工程產品分解成（chéng）層次合理的簡化、係列化、標準化單元模（mó）塊，並用這些標準化（huà）模塊（kuài）組合成各（gè）種不同產（chǎn）品的過程。其設計（jì）步驟（zhòu）如圖1所示。
 
     根據（jù）模塊化設計思想，首先查找標準件模塊庫、相似件模塊庫，對無法直（zhí）接利用的模塊可在其基礎上進行配置設計，形成新的模塊，重新組合模塊使之成品化，縮短了設計周期。圖2 為最基本的數控車床模塊化設計示意圖。
 

    
  
                                  圖1 模塊（kuài）化設計步驟圖

                             圖2 數（shù）控車床模（mó）塊化設計示意圖（tú）
   
     在本次設計中，通過對機床的結構的設計和（hé）功能（néng）的分（fèn）析，其標（biāo）準部件具（jù）體內容有：主軸電機的選型、導軌的選型、絲杠的（de）選型、支撐部件（jiàn）的選型（xíng）等，見表2所示。
   
                                      表2 標準（zhǔn）部件（jiàn）選型匯總表（biǎo）
  
    
  
     數控車（chē）床模型在經過了原始數據設計、數據（jù）校驗（yàn）、三維模型設計、仿（fǎng）真運行等理論設（shè）計的過程後，需要（yào）機床（chuáng）非標準件的加工製作。這一過程直接關係到了數控機床模型後續的裝配效（xiào）果和運行的穩（wěn）定性及運行的精度。非標準主（zhǔ）要加工部件見表3所示。
   
                                       表3 主（zhǔ）要（yào）加工部件匯總表  
  
     

    1.2 控製係統（tǒng）的構建
 
    車床的數控係統與一般的（de）數（shù）控係統組成（chéng）基本相同，由硬件和軟件共同完成數控任務。主要由輸入/輸出（chū）裝置、數控裝置、伺服驅動（dòng）係統和（hé）可編程序（xù）邏輯控製（zhì）器（PLC）四部分組成。隨著計算機（jī）技術和機床結構以及自動控製的高速發展，數控控製係（xì）統技術由專用型封閉式開環控製模式向通用型開（kāi）放式實時動態全閉環控製模式發展，開放式體係（xì）結構使數控係統有（yǒu）著更好的通用（yòng）性、柔性（xìng）、適應性、擴（kuò）展性。目前，開放式（shì）數控係（xì）統主（zhǔ）要形式有（yǒu）PC+NC模式、PC+運動（dòng）控製器模式和軟件CNC模式，其中軟件CNC模式是指CNC的全部功能均由PC實現，並通過裝（zhuāng）在PC機上擴展槽的伺服接口卡對伺服驅動等進行（háng）控製是將運動控製器以應用軟件的形式實現，既支持數控上層軟件的用戶定製，也支持運動控製策略的用戶定製，從（cóng）而實現數控係統對用戶在真正意義上（shàng）的開放。
 
    本次設計是應用（yòng）軟件CNC的係統控製方式，采用了“PC+伺服擴展接口卡（kǎ）”形式（shì）建造數控係（xì）統的硬件平台，其中以PC 為主控計算機（jī），運用mach 3 軟件進行控製，組件采用商（shāng）用標準化伺服接口卡，構成主控從運動的分布（bù）式結構（gòu）體係（xì）。
 
    硬件實物線路連接如圖3所示（shì）。  
  
  

    
  
                   圖3 步進電機連線實物圖
     
    係統控（kòng）製板接口按MACH3 軟件的控製方式（shì）接口如（rú）圖4 所示。
  

    
  
                               圖（tú）4 控製係統連線框圖
     
    根據（jù）連線原理圖，按共陽（yáng）接法驅動器的接口形式連接線路，如圖5 所示。控製板接線如（rú）圖6 所（suǒ）示（shì）。驅動器UIR-端口接控製板P6，為方向（xiàng）控製信號；驅（qū）動器PUL-端口接（jiē）控（kòng）製板P2，為驅動脈衝信號。UIR+和PUL+為公共接線端，接5V高（gāo）電平。

            圖5 驅動器連線圖                      圖6 控製板接線圖
       
     2 、機床（chuáng）整體的裝配和調試
   
     2.1 機床整體的裝配（pèi）
   
    經（jīng）過車床零部件的選型、加工、係統的構建，車床模型的硬件和軟件都已經確定，接下來的工作就是要把車床模型的硬件和軟（ruǎn）件進行融合，達到數字控製、實現數控的功能（néng）。
 
    機床在進行裝配時，要按照正（zhèng）確的順序和方（fāng）法一（yī）步一步進行裝配（pèi），在車床模型（xíng）建模和設（shè）計階段就已經考（kǎo）慮了裝配的問題，其設計的裝配路線如下：刀架→中拖（tuō）板導軌→中拖板絲杠→中（zhōng）拖板電機（聯軸器（qì））→大托板（前後支撐（chēng））→箱體前（qián）後支（zhī）撐→大托板絲杠→連接中拖板→大托板電機（聯軸器）→主軸及卡盤→主（zhǔ）軸箱側板→主軸電機固定板→主軸電機（聯軸器（qì））→主軸箱上蓋（gài）板。機床模型在總裝完成後如圖（tú）7及8 所示（shì）。
   

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

   
     2.2 機床整體（tǐ）的調試
   
     機床整體主要調試內容包括（kuò）：電機調（diào）試中步數的確定、速度的確定、加（jiā）速度的確定、車床直（zhí）徑編程（chéng）與（yǔ）半（bàn）徑編程的選擇、針腳的確定等。其中（zhōng）步進電機參數調試設定如圖9 所示，圖（tú）中窗口（kǒu）右邊的Axis Selection 區域用於（yú）選（xuǎn）擇需要設定參數的軸。窗口左（zuǒ）邊的曲線圖反應了參數設定後步進電機運行（háng）是（shì）加速→穩（wěn）定→減速的變化曲線（xiàn），在兩者之（zhī）間（jiān）的Velocity 調整塊（kuài）用於快速（sù）的調整步進電機的最高運行速度（電機帶動絲杠（gàng）絲杠帶動工作台的最終最大移動速度）；在曲線圖（tú）與參數設定輸入框之間的Accel 調整塊用於快速的調整步進電機（jī）在啟動達到最高運（yùn）行速度以及在最（zuì）高（gāo）速度（dù）減速到停止的加減速（電機帶動絲杠-絲杠帶動工作台的最終最大移動速度，也就是限製了G代碼中G00 的最大速度），從上（shàng）述參（cān）數關係（xì）到步進電機的旋（xuán）轉運動（dòng）正確的轉換，再到（dào）工作（zuò）台的直（zhí）線運動。Steps per 參數決（jué）定了工作台每運動1mm，步進電機需要多少個脈（mò）衝，計（jì）算（suàn）公式為（wéi）（步進電機旋轉1 圈的（de）標準脈（mò）衝（chōng）數*驅動器細分數）/絲杠導程，其中導程（chéng）也就是螺距，如果絲杠是（shì）直接連（lián）接電（diàn）機而是通過減速後連接（jiē）則計算結果（guǒ）還需要再乘以減速比；Acceleration In's or mm's/sec/sec 參數（shù）是決定（dìng）了電（diàn）機由停止到最高速或者由最（zuì）高速（sù）到（dào）停止的啟動與停止加（jiā）速（sù）度，設定合理的加速度可以防止（zhǐ）步進電機的慣性過衝失步，以及降低工作台運行中的衝擊力（lì），保證機床在（zài）高速運（yùn）行（háng）時的穩定性，具體加減速需要的時間可（kě）以在曲線（xiàn）圖中看到對應的X坐標數值。
   

                         圖9 步進電機參數調（diào）試設定
       
      3 、機床程序測試
   
     對上述參數設（shè）置好（hǎo）後，就可以對機床進行切削測試了，選（xuǎn）擇毛坯為Φ25×45 的尼龍材質毛坯進行試切削。零件圖如圖10 所示；控製（zhì）軟件仿真如圖11 所示（shì）；機床模型實際加工零件如圖12所（suǒ）示（shì）。

   
  
             圖10 程序測試零件圖
  
  

     
  
                      圖（tú）11 程（chéng）序測（cè）試仿真圖
  
      
  
             圖12 加工零件實物圖

   
    4、 小結
   
    本文（wén）主要設計了集數控車床水平床身與傾斜床身於一體的新型（xíng）可視化數控車床教（jiāo）學模（mó）型，其主要研究內容包（bāo）括了數控車床結構分（fèn）析、標準件選型、非標（biāo）件的加工、控製係統的研究與構建以及機床整體的裝配和（hé）調試。模型可實現水平床身與傾斜床身的快捷變（biàn）換，大托板沿主軸軸線逆時針旋轉為30°的（de）傾斜（xié）數控車（chē）床，實現了兩種結構的直觀對比；可視化的數控車床外殼，可清晰觀察到數控車床在工作時的內（nèi）部工作原理（lǐ）和（hé）工作過程，實現了機床內部結構及工作（zuò）過程的直（zhí）觀展示（shì）和教學。
 
 
    參考文（wén）獻
   
    [1]崔梁萍,項春,李增芳.數控車床的模（mó）塊化（huà）和配置設（shè）計方法[J].浙江（jiāng）水利水電專科學（xué）校學（xué）報,2007,(4):16-18.
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    [3]劉鴻文.材料力學[M].北京（jīng）:高等教育出版社,2005.
    [4]楊平.機電係統（tǒng）驅動技術[M].成都:電子科技（jì）大學出版社（shè）,2002.
    [5]龔仲華（huá）.