数控机床及其系统设计探析

盛夏

（杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州 310012）

1 引言

随着现代科技及工业的发展，自由曲面已广泛应用于各行各业，大到汽车外形，飞机机身，船舶船体，小到电话机座等。因此，如何精确、高效地设计和制造自由曲面件成为必须解决的问题。

数控机床是一种装了程序控制系统的机床;该程序控制系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序;数控机床是典型的机电一体化产品。数控机床的加工过程:将各种机床动作由数字化的代码表示，通过某种载体将信息输入数控系统，控制计算机对输入的数据进行处理，从而控制机床的伺服系统或其他执行原件，使机床加工出所需的工件。

2 数控机床的控制原理

数控机床是一种高度自动化的机床，在加工工艺与加工表面形成方法上，与普通机床是基本相同的，最根本的不同在于实现自动化控制的原理与方法上。数控机床是用数字化的信息来实现自动控制的，将与加工零件有关的信息—工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数(进给执行部件的进给尺寸)，切削加工的工艺参数(主运动和进给运动的速度、切削深度等)，以及各种辅助操作(主运动变速、刀具更换、冷却润滑液启停、工件加紧松开等)等加工信息一一用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制数控机床进行加工。数控机床的控制原理通过下述的数控机床的各系统得以实现其功能。

3 数控机床的组成

3.1 程序编制及程序载体

数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定:零件坐标系在基础坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置;刀具与零件相对运动的尺寸参数;零件加工的工艺路线或加工顺序、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。

3.2 输入装置

它的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。

3.3 数控装置及强电控制装置

数控装置是数控机床的核心，它接受输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译令控制机床的各个部分，进行规定的运算和逻辑处理后，输出各种信号和指有序的动作。

3.4 伺服驱动系统及位置检测装置

伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置(电机)组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。

3.5 机床的机械部分

数控机床的机械部分包括:主运动部件，进给运动执行部件如工作台、拖板及其传动部件和床身立柱等支撑部件，此外，还有冷却、润滑、排屑、转位和加紧等辅助装置。

4 数控系统的硬件部分

本数控铣床系统是基于“铣床专用数控器”的半闭环数控系统。其基本结构由机床本体、铣床专用数控器、数字交流伺服进给驱动器及电机、无刷直流主轴电机及驱动器等装置组成。系统硬件的主要组成部分如下:

1 台H4C-M铣床专用数控器;1块输入信号板INPUT;1块输出信号板OUTPUT;3台ASDA-B系列ASD-B0221-A交流伺服驱动器;3台PM型交流伺服电机ECMA-C30602ES;1台主轴57BL-1O15H1-LK-001无刷直流电机;1台B L-2203 C无刷直流电机驱动器;配套电源、若干排线、若干接近开关等。

5 数控系统的软件部分

此数控铣床系统的软件部分由H4C-M铣床专用数控器自带。为了满足数控铣床系统要求，需要修改铣床专用数控器的一些参数。同时，对需要使用到的程序的编辑输入操作及程序设计及指令进行说明。

5.1 参数设置

参数设置的方法如下:连按两下【自动/MDI】进入MDI模式中，执行M9999指令，即可进入参数修改模式中(或按住【M】键5秒钟，也可进入参数修改模式中)，各参数代码，可以参照参数表，修改完成后必需按下【RESET】。

5.1.1 分辨率分子或分母设定值

分辨率分子或分母设定值是依据机械轴向传动装置规格和伺服电机回授的脉波数来决定。

X轴扮杠螺距=4.OOOmm，马达ENCODER=2_500pulse，倍率=4,齿数比 1：1。

5.1.2 马达旋转方向设定

工作台设计，各厂不一。因此伺服马达装在扮杠的位置可左可右，可前可后。伺服马达装上之后，如果工作台行走方向正好相反，可以利用参数把工作台方向修正过来。设定0为旋转正方向，1为旋转负方向。根据数控铣床实际情况设定:X轴电机旋转方向为1,Y轴电机旋转方向为0,Z轴电机旋转方向为0。

5.1.3 各轴最高进给速度设定

此数控铣床较小，各轴行程均较短，过高的速度造成较大的冲击，会损害电机及滚珠丝杠。因此，将各轴最高进给速度设定如下:X轴向最高进给速度为1000即表示X轴最高进给速度是每分钟1000毫米，同样Y,Z轴最高进给速度也设为10000

5.2 程序的选择

H4C-M铣床专用数控器，可以存储编号00-0999的程序。在这些程序中，可以任选其中一程序编辑或执行。程序选择的方式:快按【编辑/程式选择】键两次，进入程序选择模式，显示档案目录页，LCD显示如下图所示。移动游标至欲选择的程序后，可以通过输入键或选取键选择。

在此模式下，可输入程序注解而可用的字符张度1到12字。

5.3 修改旧程序

在修改旧程序的过程中，可以分为以下几种情况:

5.3.1 增加(修改)一个指令

在程序语句区，将光标移动到要增加(修改)指令的单节;在数据输入区依次输入增加(修改)指令所需的字母和数字;再次按删除键即可完成。

5.3.2 删除一个指令

在程序语句区，将光标移动到要删除指令的单节;在数据输入区，依次输入该指令所需的字母，而在该字母后面不输入任何数值;再次按输入键，即可完成。

5.3.3 插入一个单节

在程序语句区，将光标移动到需要插入单节程序的上一个单节;在数据输入区，输入插入单节第一个指令所需的字母和数字，按下输入键即可完成。

5.3.4 删除一个单节

在程序语句区，将光标移动到需要删除的单节;按下删除键;即可完成。

6 数控系统的机械部分

本数控铣床系统为二轴联动数控铣床系统，如下图所示。鉴于机床本身的误差和需要加工零件的精度，需要对机床进行误差补偿。

6.1 联轴器

本数控铣床系统的联接结构采用电机与滚珠扮杠直接相联的方式，需要借助联轴器让它们相联。联轴器是用来将原动机所产生的转矩传递给从动机的装置。

6.2 工作台

数控铣床的工作台，不仅要平整还要与主轴刀具保持垂直。即使把工作磨得很光滑平整、主轴及刀具的垂直度精度很高。也会存在着装配误差以及由于地基不平所带来的误差。因此，这里工作台的加工方式采用“自干自”的加工方法。

7 总结

本文结合当前国内外机械设计制造的发展趋势，结合机械制造技术基础、机床设计理论、数控技术、电子技术应用理论、计算机应用技术、曲线和曲面论、CATIA自由曲面造型及CATIA数控加工等论述了机械设计及其自动化方向技术。在一定程度上有一定的理论意义和借鉴价值，特别是对从事曲面件设计和制造以及数控系统和数控装置开发的人员。

[1]廖效果，数控技术，湖北科学技术出版社，2000年

[2]土志勇，翁迅编，数控机床与编程技术，北京大学出版社，2008.