【摘要】基于數控車床床身結構，制作一臺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。車床模型大托板可沿主軸軸線逆時針旋轉30 度，在水平與傾斜兩種床身結構間轉化，使兩種床身結構的車床特點得到直觀展現。通過可視化的數控車床主體，可以觀察到數控車床在工作時的內部工作原理，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“教育中的三大基本條件”，可見教具在教學中具有重要的地位。數控機床是數控技術應用專業學生來學習數控技能的一個載體，本設計是基于數控車床原理制作一臺集水平與傾斜床身于一體的新型可視化數控車床教學模型，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結構及工作過程的直觀展示，實現兩種結構的直觀對比，便于教師教學使用，同時機床在轉換后具有一定的機械強度和重復定位精度，并且能夠實現對尼龍、木材或工程塑料的切削。機床模型可以用于數控課程的教學，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 數控車床的模塊化設計
數控車床的設計經過發展，已經向標準化、模塊化、系統化方向發展。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，我們可以根據設計需要，通過計算機床的受力及設計功能，直接根據設計數據從機床標準部件中選用合適的部件，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、床頭箱結構、進給系統、刀架、卡盤、電氣系統、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、現代制造的全面考慮，是數控機床以后設計著重考慮的方向。根據模塊化設計在標準化理論的基礎上運用系統工程的原理，將一復雜的工程產品分解成層次合理的簡化、系列化、標準化單元模塊，并用這些標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。
根據模塊化設計思想，首先查找標準件模塊庫、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 模塊化設計步驟圖
圖2 數控車床模塊化設計示意圖
在本次設計中，通過對機床的結構的設計和功能的分析，其標準部件具體內容有：主軸電機的選型、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 標準部件選型匯總表
數控車床模型在經過了原始數據設計、數據校驗、三維模型設計、仿真運行等理論設計的過程后，需要機床非標準件的加工制作。這一過程直接關系到了數控機床模型后續的裝配效果和運行的穩定性及運行的精度。非標準主要加工部件見表3所示。
表3 主要加工部件匯總表
1.2 控制系統的構建
車床的數控系統與一般的數控系統組成基本相同，由硬件和軟件共同完成數控任務。主要由輸入/輸出裝置、數控裝置、伺服驅動系統和可編程序邏輯控制器（PLC）四部分組成。隨著計算機技術和機床結構以及自動控制的高速發展，數控控制系統技術由專用型封閉式開環控制模式向通用型開放式實時動態全閉環控制模式發展，開放式體系結構使數控系統有著更好的通用性、柔性、適應性、擴展性。目前，開放式數控系統主要形式有PC+NC模式、PC+運動控制器模式和軟件CNC模式，其中軟件CNC模式是指CNC的全部功能均由PC實現，并通過裝在PC機上擴展槽的伺服接口卡對伺服驅動等進行控制是將運動控制器以應用軟件的形式實現，既支持數控上層軟件的用戶定制，也支持運動控制策略的用戶定制，從而實現數控系統對用戶在真正意義上的開放。
本次設計是應用軟件CNC的系統控制方式，采用了“PC+伺服擴展接口卡”形式建造數控系統的硬件平臺，其中以PC 為主控計算機，運用mach 3 軟件進行控制，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結構體系。
硬件實物線路連接如圖3所示。
圖3 步進電機連線實物圖
系統控制板接口按MACH3 軟件的控制方式接口如圖4 所示。
圖4 控制系統連線框圖
根據連線原理圖，按共陽接法驅動器的接口形式連接線路，如圖5 所示?？刂瓢褰泳€如圖6 所示。驅動器UIR-端口接控制板P6，為方向控制信號；驅動器PUL-端口接控制板P2，為驅動脈沖信號。UIR+和PUL+為公共接線端，接5V高電平。
圖5 驅動器連線圖 圖6 控制板接線圖
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、系統的構建，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件進行融合，達到數字控制、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配，在車床模型建模和設計階段就已經考慮了裝配的問題，其設計的裝配路線如下：刀架→中拖板導軌→中拖板絲杠→中拖板電機（聯軸器）→大托板（前后支撐）→箱體前后支撐→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→主軸電機（聯軸器）→主軸箱上蓋板。機床模型在總裝完成后如圖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、加速度的確定、車床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9 所示，圖中窗口右邊的Axis Selection 區域用于選擇需要設定參數的軸。窗口左邊的曲線圖反應了參數設定后步進電機運行是加速→穩定→減速的變化曲線，在兩者之間的Velocity 調整塊用于快速的調整步進電機的最高運行速度（電機帶動絲杠絲杠帶動工作臺的最終最大移動速度）；在曲線圖與參數設定輸入框之間的Accel 調整塊用于快速的調整步進電機在啟動達到最高運行速度以及在最高速度減速到停止的加減速（電機帶動絲杠-絲杠帶動工作臺的最終最大移動速度，也就是限制了G代碼中G00 的最大速度），從上述參數關系到步進電機的旋轉運動正確的轉換，再到工作臺的直線運動。Steps per 參數決定了工作臺每運動1mm，步進電機需要多少個脈沖，計算公式為（步進電機旋轉1 圈的標準脈沖數*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通過減速后連接則計算結果還需要再乘以減速比；Acceleration In's or mm's/sec/sec 參數是決定了電機由停止到最高速或者由最高速到停止的啟動與停止加速度，設定合理的加速度可以防止步進電機的慣性過沖失步，以及降低工作臺運行中的沖擊力，保證機床在高速運行時的穩定性，具體加減速需要的時間可以在曲線圖中看到對應的X坐標數值。
圖9 步進電機參數調試設定
3 、機床程序測試
對上述參數設置好后，就可以對機床進行切削測試了，選擇毛坯為Φ25×45 的尼龍材質毛坯進行試切削。零件圖如圖10 所示；控制軟件仿真如圖11 所示；機床模型實際加工零件如圖12所示。
圖10 程序測試零件圖
圖11 程序測試仿真圖
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平床身與傾斜床身于一體的新型可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、控制系統的研究與構建以及機床整體的裝配和調試。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°的傾斜數控車床，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部工作原理和工作過程，實現了機床內部結構及工作過程的直觀展示和教學。
參考文獻
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