【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（jié）轉換的新型可視化數控車床教學模型。車床模型大托板（bǎn）可沿主軸軸線逆時針旋轉30 度，在水平與傾斜兩種床（chuáng）身結構間轉化，使兩種床身結構的車床特點得到直觀展現。通過可（kě）視化的數（shù）控車床主體，可（kě）以觀察到數控車床在工（gōng）作時的內部（bù）工作原理，直觀展現數控車床（chuáng）內部結（jié）構。
 
      【關鍵詞】數控車床；可視化；可轉位；模型
   
      教育界通常（cháng）把教師、教材、教具統稱為“教育中的三大基本條件”，可見教具（jù）在教學中具有重要的地位。數控機床是數控技術應用專業（yè）學生來學習（xí）數控技能的一個載體（tǐ），本設（shè）計是基於數控（kòng）車床原理製作一台集水平與傾（qīng）斜床身於（yú）一體的新型可視化（huà）數控車床教學模型，此（cǐ）模型設計（jì）可以實現水（shuǐ）平床身與傾（qīng）斜床身的直接轉換和機床內部結構及工（gōng）作過程的直觀展示，實現兩種結構的直觀對（duì）比，便於教師教學使（shǐ）用，同時機床在轉換後具有一定的機（jī）械強度和重複定位精度，並且（qiě）能夠實現對尼龍、木材或工程塑料的切削。機床模（mó）型（xíng）可以（yǐ）用（yòng）於數控課程（chéng）的教學，直觀展現數控車床結構，對教學起到一定的輔助作用。
 
      1、 設計方案
   
      1.1 數控車床的模（mó）塊化設計
 
      數（shù）控車床的設計經過發展，已經向（xiàng）標準化、模塊化、係統化方向發展。在機床的設計中，已經形成了部件的標準化，所以在機床的設計中，我們可以根據（jù）設計需要，通過計算（suàn）機床的受力及設計功（gōng）能，直接根據設計數據從機床標準部（bù）件中選用合適的（de）部件，從而減（jiǎn）少機床的設計周期、減少設計時間、提高數控機床的效率。其（qí）數控車床主要部件包括：床身（shēn）、床頭箱結構、進給係統、刀架、卡盤、電氣係統、安全保護等，見表1所示。
 
                                    表1 主要部件特性匯總表
  
     
  
     模塊化設計是對機械現代設計、柔性加工、現（xiàn）代製造的（de）全麵（miàn）考慮，是數控機床以後設（shè）計著重考慮的方向。根據模塊化設計在（zài）標準化理論的基礎上運用係統工程的原理，將一複雜的工程產品分解成層次合理的簡化、係列化、標準化單元模塊，並用這些標（biāo）準化模塊組合成各種不同產品的過程。其設計步驟如圖1所示。
 
     根據模塊化設計（jì）思想，首先查找（zhǎo）標準件（jiàn）模塊庫、相似件模塊庫，對無法直接利用的模塊可在其基礎上進行配置設（shè）計，形成新的（de）模（mó）塊，重新組合模塊使之成品化（huà），縮短了設計周（zhōu）期。圖2 為最基本的數控車床（chuáng）模（mó）塊化（huà）設計示意圖。
 

    
  
                                  圖1 模（mó）塊化設計（jì）步驟圖

                             圖2 數控車床（chuáng）模塊化設計示意圖
   
     在本次設計中，通（tōng）過對（duì）機床的結構的設計和功能的分析，其標準（zhǔn）部（bù）件具體內容有：主（zhǔ）軸（zhóu）電機的選型、導軌的選（xuǎn）型、絲杠的選型、支（zhī）撐部件的選型等，見表2所示。
   
                                      表2 標準（zhǔn）部件選型匯總表（biǎo）
  
    
  
     數控車床模型在經過了原始數據設計（jì）、數據校驗、三維模型設計、仿真運行等理論設計的過程後，需要機床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果和運行（háng）的穩定（dìng）性及運行（háng）的精度。非標準主要加工（gōng）部件見表3所（suǒ）示。
   
                                       表3 主要加工部件匯總表  
  
     

    1.2 控製係統的構建
 
    車床的數控係統與一般的數控係統組成基本相同，由硬件和（hé）軟件共同完成數控任（rèn）務（wù）。主要由輸入/輸出裝（zhuāng）置、數控裝置（zhì）、伺服驅動係統和可編程（chéng）序邏輯控製器（PLC）四部分組成。隨著計算機技術和機床結構以及自動控製的高速發展（zhǎn），數控控製係統（tǒng）技（jì）術由專（zhuān）用型封閉式開環控製模式向通用型開放式實（shí）時動態全閉（bì）環控製模式（shì）發展，開放式體係結構使數控係統有著更好的通用性、柔（róu）性（xìng）、適應性、擴（kuò）展性。目前，開放式數控係統主要形式（shì）有（yǒu）PC+NC模式、PC+運動控製器模式和軟件CNC模式，其中軟件CNC模式是指CNC的全部功能均（jun1）由PC實現，並通過裝（zhuāng）在PC機（jī）上擴展槽的伺服（fú）接口卡對伺服驅動等進行控製是將運動控製器以應用軟（ruǎn）件的形式實現（xiàn），既支持（chí）數控上層軟件的用（yòng）戶定製，也（yě）支持運動控製策（cè）略的用戶定製，從而實現數控（kòng）係統對用戶在真正意義上的開放。
 
    本次（cì）設計是應用軟件（jiàn）CNC的係統控製方式，采用了“PC+伺服擴展接口卡”形式建造數控係（xì）統的硬件平台，其中以（yǐ）PC 為（wéi）主控（kòng）計算機，運用mach 3 軟件進（jìn）行控製，組件采用商用標準化伺服接口卡，構成主控從運動的分布式（shì）結（jié）構體係。
 
    硬件實物線路連接如圖3所示。  
  
  

    
  
                   圖3 步進電（diàn）機連（lián）線實物圖
     
    係統控製板接口按MACH3 軟件的控製方式接（jiē）口如圖4 所示。
  

    
  
                               圖4 控製係統連線框圖
     
    根據連線原（yuán）理圖，按共陽接法（fǎ）驅動器的接口形式連接（jiē）線路，如圖5 所示。控製（zhì）板接線如圖6 所示。驅動器UIR-端口接控製板P6，為（wéi）方向控製信號；驅動器PUL-端口接控製板P2，為（wéi）驅動脈衝信號。UIR+和PUL+為公共接（jiē）線端，接5V高電平。

            圖5 驅動器連線圖                      圖（tú）6 控製板接線圖
       
     2 、機床整體的裝配和調試
   
     2.1 機床整體的裝配
   
    經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（yǐ）經確定，接下來的工作就是要（yào）把車床模型的硬件和軟件進（jìn）行融合，達到數字控製（zhì）、實現數控的功能。
 
    機床在進行裝配時，要按照正確的順序和方法一步一步進行裝（zhuāng）配，在車床模型建模和設計階（jiē）段就已經考慮了裝配的（de）問題，其設計的裝配路線如下：刀架→中拖（tuō）板（bǎn）導軌→中拖板絲杠（gàng）→中拖板電機（聯軸器）→大托板（前後支撐）→箱（xiāng）體前後支撐→大托板絲杠（gàng）→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）→主軸箱上蓋板。機床模型在總裝完成後如圖7及8 所示。
   

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

   
     2.2 機床整體的調試
   
     機床（chuáng）整體主（zhǔ）要調試內容包括：電機調試中（zhōng）步（bù）數的確（què）定、速度的確（què）定、加速度的確定、車床（chuáng）直徑編程與半徑編程的選擇、針腳的確定等。其中步進電機參數調試設定如圖（tú）9 所示，圖中窗口右邊的Axis Selection 區域用於選擇需要設定參數的軸（zhóu）。窗口（kǒu）左邊的曲線（xiàn）圖反應了參數設定後（hòu）步（bù）進電機運行是加速→穩定→減速（sù）的變化曲線，在兩者之間的Velocity 調整塊用於快速的調整步進電機的最（zuì）高運行速度（電機帶動絲杠絲杠帶（dài）動工作台的（de）最終最大移動速度）；在曲線圖與參數設定輸入框之間的（de）Accel 調整塊用（yòng）於快速的調整步進電機在啟（qǐ）動達到最高運行速度（dù）以及在最高速度減速到停止的加（jiā）減速（電機帶（dài）動絲杠-絲杠帶動工作台的最終最大（dà）移動（dòng）速（sù）度，也就是限製了（le）G代碼中G00 的最大速度），從上述參數關係（xì）到步進電機的旋轉運動正確（què）的轉換，再到工作台（tái）的直線運動。Steps per 參數決定了工作台每運動1mm，步進電機需要多少（shǎo）個脈衝，計算公式為（步進電機旋轉1 圈的（de）標準脈衝數*驅動器細分數）/絲杠導程，其中導程也就是螺距，如果絲杠是直接連接電機而是（shì）通過減速後連接則計算結果還（hái）需要再乘（chéng）以減速比；Acceleration In's or mm's/sec/sec 參數是決定了電機由停止到最高速（sù）或（huò）者（zhě）由（yóu）最高速到停止（zhǐ）的啟動（dòng）與停止加（jiā）速度，設定合理的加速度可以防止步進電機的慣性過（guò）衝失步，以及降（jiàng）低工作台運（yùn）行中的衝擊力，保證機床在高速運行時的穩定性，具體加減速需要的時間（jiān）可以在曲線圖（tú）中看到對應（yīng）的X坐（zuò）標數（shù）值。
   

                         圖（tú）9 步進電機參數調試設（shè）定
       
      3 、機床程序測試
   
     對上述參（cān）數設置好後，就可以對機床（chuáng）進（jìn）行切削測試了，選擇（zé）毛坯為Φ25×45 的尼龍材質毛坯進行試切（qiē）削。零件圖如（rú）圖10 所示；控製軟件仿（fǎng）真（zhēn）如圖11 所（suǒ）示；機床模型實際加工零件如圖（tú）12所示（shì）。

   
  
             圖10 程（chéng）序測試零件圖
  
  

     
  
                      圖11 程序測試仿真圖（tú）
  
      
  
             圖12 加工零件實物圖

   
    4、 小結
   
    本文主要設計了集數控（kòng）車床水平床身與傾斜床身於（yú）一體的新型可視（shì）化數控車床教學模型，其主要研究內容包括了數控車床結構分析、標準件選型、非標件（jiàn）的加工、控製係統的研究（jiū）與構建以及機床整體的裝配和調試。模型可實（shí）現水平床身與傾斜床身的快捷變換，大托板沿（yán）主（zhǔ）軸軸線逆時針旋轉為30°的（de）傾斜數控車床，實現了兩種（zhǒng）結構的直觀對比；可視化的數控車（chē）床（chuáng）外殼，可清（qīng）晰觀（guān）察到數控車床在工作時的內（nèi）部工作原理和工作過程，實現（xiàn）了機床內部結構及工作過（guò）程的直觀展示和教學。
 
 
    參考文獻
   
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