【摘要（yào）】基於數（shù）控車（chē）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。車床模型大托板（bǎn）可沿主軸軸線逆時針旋（xuán）轉（zhuǎn）30 度，在水平與傾斜兩種床身結構間轉化，使（shǐ）兩種床身（shēn）結構的車床特點得到直觀展現（xiàn）。通過可視化的數控（kòng）車床主體，可以觀察到數控（kòng）車（chē）床在工作時的內（nèi）部工作原理，直觀展現數控車床內部結構。
 
      【關鍵詞】數控車床；可視化；可（kě）轉位；模型
   
      教育界通常把教師、教材、教具統稱為“教育中的三大基本（běn）條件”，可見（jiàn）教具在教學中具有重要（yào）的（de）地位。數控（kòng）機床是數控技術應用專（zhuān）業學生來學習數控技能的一個載體，本設計是基於數控車床（chuáng）原理製作一台集水平與傾斜床身於一體的新型可視化數控車床教（jiāo）學模型，此模型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（bù）結構（gòu）及工作過程的直觀（guān）展示，實現兩種結構的直觀對比，便於教師教學使用，同時機床在轉換後具有一定的機械強度和重複定位精度（dù），並且能夠實現對（duì）尼龍、木材或工程塑料的切削（xuē）。機床模型可以用於數控課程的（de）教學，直觀展現數控車床結構，對教學起到一（yī）定的輔助作用。
 
      1、 設計方案
   
      1.1 數控車床的模塊化設（shè）計
 
      數（shù）控車床的設計經過發展，已經向標（biāo）準化、模塊化、係統化方（fāng）向發展。在機床的設計中，已經形成了部件的標準化，所以（yǐ）在機床的設計中，我們可以根據設計需要（yào），通過計算（suàn）機床的受力及設計功能，直接根據設計數據從機（jī）床標準部件中選用合適的部件（jiàn），從而減少機床的設計周期、減少設計時間、提高數控機床的效率。其數控車床主要部件包括：床身、床頭箱結（jié）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、現代製造的全麵考慮，是（shì）數控機床以後設計著重考慮的（de）方向。根據模塊化設計在標準化理（lǐ）論的基（jī）礎（chǔ）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（huà）、係（xì）列化（huà）、標準化單元模塊，並用這些標準化模塊組合成各種不同產品的過程。其（qí）設計步驟如圖1所示（shì）。
 
     根據模塊化設計思想，首先（xiān）查找標準件模塊庫、相似件模塊庫，對無法直接利（lì）用的模塊可在其基礎上進行配置設計，形（xíng）成新的模塊，重新組合模（mó）塊使之成（chéng）品化，縮短了設計周期。圖2 為最基（jī）本的數控車床（chuáng）模塊化設計示意圖。
 

    
  
                                  圖1 模塊化設計步驟圖

                             圖2 數控車床模（mó）塊化設計示（shì）意圖
   
     在本次（cì）設計中，通（tōng）過（guò）對機床的結（jié）構的設（shè）計和功能的分析，其標準部件具體內容有：主（zhǔ）軸電機的選型、導軌的選型、絲杠的選型、支撐部件的選型等，見表2所示。
   
                                      表2 標（biāo）準部件選（xuǎn）型匯總表
  
    
  
     數控車床模型在經（jīng）過了（le）原始數據設（shè）計、數據校驗、三維模型設計（jì）、仿真運（yùn）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（guò）程（chéng）直接關係（xì）到了數控機床模型後續的裝配效果和運行的穩定性及運行的精度。非（fēi）標準主（zhǔ）要（yào）加（jiā）工部件見表3所示。
   
                                       表3 主要加工部件匯總（zǒng）表  
  
     

    1.2 控製係統（tǒng）的構建
 
    車床的數控係統與一（yī）般的數控係統組成基本相同（tóng），由硬件和軟件（jiàn）共同完成數控任務（wù）。主要由輸入（rù）/輸出裝置、數控（kòng）裝置、伺服驅動係統和可編程序邏輯控製器（PLC）四部分組成（chéng）。隨著計算機技術（shù）和機床結構以及自動控製的高速發展，數（shù）控控製係統技術由專用型封閉式（shì）開（kāi）環控製模式向通用型開放（fàng）式實時動態全閉環控（kòng）製模式（shì）發展，開放（fàng）式體係結（jié）構使數控係（xì）統（tǒng）有著更好（hǎo）的通用性、柔性、適應性（xìng）、擴展性。目前，開放式數控係統主要形式有PC+NC模式、PC+運動控（kòng）製器模式和軟（ruǎn）件CNC模式，其中軟件CNC模式是指CNC的全部功能均由PC實現，並通過裝在PC機上擴展（zhǎn）槽的伺服接（jiē）口卡對伺服驅動等進行控製是（shì）將運動控製器以應用（yòng）軟件的（de）形式實現，既支持數控上層軟件的用戶定製（zhì），也支持運動控製策略的用戶定製，從而實現數控係統對用戶在真正意義上的開放。
 
    本次設計是應用軟件CNC的係統控製方式，采用了“PC+伺服擴展接口卡”形式建造數控係統的硬件（jiàn）平台，其中以PC 為主控（kòng）計算機，運用mach 3 軟件（jiàn）進行控製，組（zǔ）件采用（yòng）商用標準化伺服接口卡，構（gòu）成主控從運動的分布式結構體（tǐ）係。
 
    硬（yìng）件實物線路（lù）連接如圖3所示。  
  
  

    
  
                   圖3 步（bù）進電機（jī）連線實（shí）物圖
     
    係統控製板接（jiē）口按MACH3 軟件的控製方式接口如圖4 所示。
  

    
  
                               圖（tú）4 控製係統連線（xiàn）框（kuàng）圖
     
    根（gēn）據連線（xiàn）原理圖，按共陽接法驅動器的接口形（xíng）式連接線路，如圖5 所示。控製板接線如圖6 所示（shì）。驅（qū）動器UIR-端口接控製板P6，為方向控製信號；驅動器PUL-端口接控製板P2，為驅動脈衝信號。UIR+和PUL+為公共（gòng）接線端，接5V高電平。

            圖5 驅動器連線圖                      圖6 控製板接（jiē）線圖
       
     2 、機床整體的裝配和調試
   
     2.1 機床整體的裝（zhuāng）配
   
    經（jīng）過車床零（líng）部（bù）件的選型、加（jiā）工（gōng）、係統的構建，車（chē）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（yìng）件和軟件進行融合（hé），達到數（shù）字控製、實現數控的功（gōng）能（néng）。
 
    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配，在車床（chuáng）模型建模和設計階段就已經（jīng）考慮了裝配的（de）問題，其（qí）設計的裝配路線如下：刀（dāo）架→中（zhōng）拖板導軌→中拖板絲杠→中拖板（bǎn）電（diàn）機（聯軸器）→大托板（前後支撐）→箱（xiāng）體前後支（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→主軸箱側板→主軸電機固定板（bǎn）→主軸電機（聯軸器）→主軸箱上蓋板。機床模型在總裝完成（chéng）後如圖7及8 所示。
   

    
           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

   
     2.2 機床整體的調試
   
     機床整體主要調試內容包括：電機調試中步數的確定、速度的確定、加速度的（de）確定、車床直徑編程（chéng）與半徑編程的選擇、針腳的確（què）定等。其中步進電機參數調（diào）試設定如圖9 所示，圖（tú）中窗口右邊（biān）的Axis Selection 區域用於選擇需要設定參（cān）數的軸。窗口左邊（biān）的曲線圖反應了參數設定後步進電機運行是加速→穩定（dìng）→減速的變化曲（qǔ）線，在（zài）兩者之間的Velocity 調整塊用於快速的調整步進電機的最高運行速度（電機帶動絲杠絲（sī）杠帶動工作台的最終最大移動速（sù）度）；在曲線圖與（yǔ）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在啟（qǐ）動達到（dào）最高運行速度以及在（zài）最高速度減速到停止的加（jiā）減速（電機帶動絲杠-絲杠帶動工作台的最終最大移動（dòng）速度，也就是限製（zhì）了G代碼中G00 的最大速度（dù）），從上述參數關係到步進電機的（de）旋轉運動（dòng）正確的轉換，再到工作台的直線運動。Steps per 參數決定了工作台每運動1mm，步（bù）進電機需要多少個脈衝（chōng），計（jì）算公式為（步進電機旋轉1 圈的標準脈衝（chōng）數*驅動器細分數）/絲杠導（dǎo）程（chéng），其中導程也就是螺距，如果絲杠是直接連接電機而是通過減（jiǎn）速（sù）後連接（jiē）則計算結果還需（xū）要再乘以減（jiǎn）速比；Acceleration In's or mm's/sec/sec 參數是決定了電機由停止到最（zuì）高速或者由最高速到停止的啟動與停止（zhǐ）加速度，設定合理的加速度可以防止（zhǐ）步進電機（jī）的慣性過（guò）衝失步，以及降低（dī）工作台運行中的衝擊力，保證機床在高速（sù）運行時的穩定性，具體加減速需要的時間可以在曲（qǔ）線圖中看到對應的X坐（zuò）標數值。
   

                         圖9 步進電機（jī）參數調試設定
       
      3 、機床（chuáng）程（chéng）序測試
   
     對上述參數設置好後，就可以對機床進行切削測試了，選擇毛坯為Φ25×45 的尼龍材質（zhì）毛坯進行試切削。零件（jiàn）圖如圖（tú）10 所示；控製軟件仿真如圖11 所（suǒ）示；機床模型實際（jì）加工零件如圖12所示。

   
  
             圖10 程序測試（shì）零件圖
  
  

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

   
    4、 小結
   
    本文主要設計了集數控車床水（shuǐ）平床（chuáng）身與傾斜（xié）床身於一體的新型可（kě）視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、非標件的加工、控製係統的研究與構建以及機床整（zhěng）體的裝配和調試。模型可實現水平床身與傾斜床身的快捷變換，大托板沿主軸軸線逆時針旋轉為30°的傾（qīng）斜數控車床，實現了（le）兩種結構的直觀對比；可視化的數（shù）控車床外殼，可清晰觀察到數控車床在工作時的內部工作原理和工作過（guò）程（chéng），實現了機床內部結構及工作過程的（de）直觀展示和教學。
 
 
    參考文獻
   
    [1]崔梁萍,項（xiàng）春（chūn）,李增芳.數控車床的模塊化和配置設計方法（fǎ）[J].浙江水（shuǐ）利水電專科學校學報（bào）,2007,(4):16-18.
    [2]吳高位,賀曉娟,李惠娟.數控車（chē）床模塊化設計的應用及探討[J].機械工程師,2010,(6):6-9.
    [3]劉鴻文.材料（liào）力學[M].北京:高等教育出版社,2005.
    [4]楊平.機電係統驅動技術[M].成都:電子科技（jì）大學（xué）出版社,2002.
    [5]龔仲華.