教学型龙门式数控铣床的研制

教学型龙门式数控铣床的研制

近年来，数控机床应用到了各个行业中，数控人才的需求也不断增大，但生产型设备用于教学是一种极大的资源浪费，尤其是数控龙门铣床这种大、重型设备。为解决这一实际问题，文章研制了一台教学型数控龙门铣床。设计了该机床的机械结构，并对关键部件进行了校核计算；在满足该铣床刚度、稳定性和抗震性的条件下，制作了该机床。该教学型铣床能够在“数控机床及编程”中进行演示实验，也可以进行开放式实验。

标签：教学型；龙门铣床；数控

1 数控龙门铣床的概况

根据机床结构布局形式划分为：按龙门架是否移动，分为龙门固定工作台移动式和龙门移动式；按横梁是否在立柱上运动，分为动梁式和定梁式两种；横梁在高架床身上移动称为高架式；按机床净重和工作台承载能力，分为轻型、中型和重型（超重型）等。目前生产的主要规格范围较大，虽有进步，但是与发达国家同类产品相比，差距较大，关键的功能部件还是从国外进口。

2 教学型数控设备的概况

我国的数控实验设备的普及远不如发达国家，在实践技术方面，只是完成一些数控教学实验，不能达到真正意义上的实训，由于生产型的数控设备价格昂贵，很多职校实训设备有限，只是通过编程练习和仿真加工，不能与实际结合，为了提高学生实际动手操作技能，研究开发教学型实训设备是十分必要的。

3 教学型数控龙门铣床的研究

数控龙门铣床是在一般龙门铣床的基础上发展起来的，数控龙门铣床主要由机床机械结构、数控控制系统和机床附件几大部分组成。教学型数控龙门铣床与生产型的机床基本结构是相同的。教学型机床从机械结构方面考虑，其机械部件及材料可以不用承受很大的载荷，机床尺寸不用这么庞大。在控制系统方面可以采用开放式的数控系统，来代替专用的数控系统使其更加实用。

3.1 主要机械部件的选择原则

（1）工作台的选用，我们可以根据实际情况的大小指定尺寸。相应的材料和尺寸以生产型机床为参考，缩放比例。

（2）导轨副的选用，由于教学型数控龙门铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此可以选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。

（3）丝杠螺母副的选用，伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足一定的定位精度，滑动丝杠副无能为力，我们可以选用滚珠丝杠副，滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。

（4）伺服电动机的选用，由于用于教学不必采用高档次的伺服电动机，我们可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。

（5）检测装置的选用，选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。

3.2 控制系统的选择原则

使用开放式数控系统，开放式数控系统应具有如下的特点：

（1）高速、高可靠性：主轴转速可达60000r/min，进给速度达到60m/min，系统平均无故障时间达到30000h以上。

（2）标准化、通用化和模块化：通过选择不同的标准化模块可组成各种数控机床的控制系统，也有利于数控系统进一步扩展和升级。

（3）智能化：自适应控制技术的引进，有关参数可自动调整，以达到最优化的工作运行。

（4）网络化：有强大的联网通讯功能，可以让标准网络与数控系统无缝连接，实现软硬件资源共享。

（5）易操作性：传统的数控系统专业化程度高，对员工的能力要求较高，开放式数控系统容易操作，通用性强。

针对开放式数控系统采用较多的是PC+NC的方法。即把专用的运动控制器或者完整的NC单元嵌入到工业控制计算机的扩展插槽中。文章采用PMAC多轴运动控制器作为NC模块，这种研究方法具有成本较低、可运行用户自定义软件、界面友好等优点。

4 教学型数控铣床设计方案

4.1 数控铣床的总体布局

铣床的总体布局有立式和卧式之分。立式布局引用较多，在本次课题教学型数控铣床的布局中，采用的是小型龙门式结构如图1。

4.2 教学型数控铣床传动方案设计

铣床是在X轴、Y轴和Z轴三个坐标轴上，任意两轴联动实现工作的。X 轴与Y轴的进给运动是通过步进电机、联轴器与滚珠丝杠等的相连，丝杠螺母又在滚珠丝杠运动。在工作的过程中，旋转运动是靠步进电机带动滚珠丝杠实现的，水平运动依赖滚珠丝杠螺母沿导轨移动，从而实现切削动作。

4.3 导轨及驱动装置

导轨采用圆柱直线导轨如图2，其特点是：防锈蚀性高；组装容易；互换容易，圆柱直线导轨产品低噪音，有滚轮与轴心接触均匀滑动，滑块为自动调心设计可互换性，任一滑轨，滑块均可互换使用；低成本化；应用广泛等。

承载两水平进给轴采用步进电机直连驱动如图3，其特点是在不超载的情况下，电机旋转的角度正比于脉冲数；电机停转的时候具有最大的转矩；由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；良好的起停和反转响应；电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得伺服系统的构成比较简单而且成本低；将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围，完全符合本次设计任务。

4.4 主轴

主轴组件包括轴、轴承、主轴上的传动件和密封件等。数控系统不仅可以控制主轴的启动、停止和变速，还能控制主轴上刀具的切削运动。主轴结构的好坏关系到教学型数控铣床的使用性能，决定了教学型数控铣床的动态刚度与加工精度。根据设计需要直接选用高精度雕铣机主轴，如图4。

5 结束语

教学型的数控龙门铣床的引入是解决大、重型设备实训的最佳途径，既节省了成本，又可以达到实训的真正意义，也让实训设备充分发挥了其应有的价值，同时开放式数控系统的应用也是未来发展的方向，让设备的使用更加灵活多样。