移动式数控铣床微机总体方案的规划

王冬梅，任 艺

(商丘职业技术学院机电系，河南商丘476000)

在现代制造系统中，数控技术是一项关键技术，其为综合了应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测等现代科学技术成就，而发展起来的一门科学技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。由于数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平的高低，是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。因此，数控系统技术不仅作为数控发展的先导技术，而且作为制造业的基础性战略技术，越来越得到世界各国的高度重视和大力发展。

数控机床的大量使用，给机械制造业的生产方式、产业结构带来深刻的变化，研制一种可移动式数控铣削加工设备，主要是为了满足大型零部件上部分工序加工，和在野外工地现场对一些钢结构件的补充加工，如桥梁钢架等。

1 总体方案概述

对于一个数控系统，首先必须拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种参数和机构，然后再分机械部分和电气部分进行设计。机床数控系统的总体方案应包括：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构和传动方式的设计、计算机系统的选择及软件开发等内容。

一个移动式数控铣床系统的研究，具体涉及到滚珠丝杠螺母副的选取，以及对其进行刚度、精度的验算，此外还有直线滚动导轨的选择、交流伺服电机的选择等。

选用滚珠丝杠螺母副，是为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小其摩擦力；选直线滚动导轨，是为降低摩擦力，提高精度保持性，以及低速时不会出现爬行，定位精度高；为有效避免传动中的传动误差，采用了小惯量、高转速电机来直接驱动滚珠丝杠传动的形式。

1.1 系统运动方式的确定

如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统，应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。由于数控铣床要具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补，暂停循环加工等功能，故选择连续控制系统。

1.2 伺服系统的选择

伺服系统可分为开环控制系统，半闭环控制系统和闭环控制系统。由于这是一台经济型数控铣床，加工精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，故采用半闭环控制系统。

1.3 计算机系统

根据机床要求，采用工业控制计算机系统，再加上一块NC控制板组成数控部件，即采用PC+NC方式。该系统可以使用Windows操作系统作为上位机，在上位机上实现编程，包括零件加工轨迹和工艺参数处理；零件数据的编译处理，以生成可以驱动伺服电机的控制代码。

NC控制板采用固高科技公司的四轴运动控制板，型号为GE-X00-ESG，该控制板的功能主要是驱动伺服电机，并可以接收来自电机编码器的信号，再经过人机处理，成为控制电机速度和位置的信号。

1.4 机械传动方式

本机床设计考虑加工范围小，主要是用于大型零件的补充加工，如导轨上的油槽、钢架结构的接头部位铣削、线槽刻画等，切削力小，运动速度高，设计时各轴都采用交流伺服电机驱动，其中X/Y轴方向的运动，采用电机轴通过联轴器直联丝杠轴的形式，Z轴传动和主轴转动，均采用了同步带传动形式，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，各运动平台设计时选用滚珠丝杠螺母副，导轨也选用了滚动导轨形式。由于铣削加工为断续切削，又有顺铣和逆铣的情况，为了使加工过程中导轨运动平稳，设计中选用的是预加载荷导轨结构，并设计了导轨承载压板和镶条，以保证导轨运动时不会出现震动。

对于Z轴的传动，为了提高传动刚度和消除间隙，同步带传动设计安装有张紧轮装置。

主轴传动采用交流电机变频调速方式，电机轴经由同步带轮传给铣削主轴，这样的结构布置，可以把电机的转动不平稳性与主轴转动隔离开来，以保证主轴长期运行精度。

2 X-Y-Z轴伺服驱动方案框图

图1是X/Y/Z三个坐标伺服电机控制系统框图。其中微机表示为数控系统，包括工控机和NC控制板，通过光电隔离把控制信息传递到电机的功率放大器件中，X/Y轴电机与丝杠通过联轴器直接连接，Z轴电机使用同步带传递到滚珠丝杠。

图1 X-Y-Z运动轴的总体方框图

根据系统的要求，采用伺服电机驱动构成半闭环控制系统。这样可使控制系统结构简单，成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，系统机械结构上采用了低摩擦的传动和导向元件滚珠丝杠螺母副和滚动导轨副。

3 结束语

数控机床与其他机床的一个显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只需更换一条新的程序，不需要对机床作任何改动。数控机床集机械制造技术和计算机、液压气动、传感检测、信息处理、光机电等技术于一体，是技术密集型的机电一体化产品，对于一个数控系统，必须先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种参数和机构，然后再分机械部分和电气部分进行设计。这样设计出的数控机床才能够较好的解决多品种、小批量和复杂的零件的加工以及生产过程自动化的问题，并能提高加工零件的精度，稳定产品的质量。

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