数控机床的设计范文

导语：如何才能写好一篇数控机床的设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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【关键词】控制机柜；工作环境；防护等级；控制柜空调

1.引言

由于控制柜设计的不合理导致机床故障率升高，或者说由于控制柜导致数控系统使用寿命的降低占到了8%～15%。例如我厂销往南方用户有的因为环境温度高，系统模块无法在正常的温度下工作，研究表明：温度每上升10℃，电子产品的使用寿命将比预期减半；有的是因为空气湿度大，导致数控模块损毁。必须总结出机床控制机柜设计方法和思路，从而使机床的可靠性提高，延长使用寿命。

2.控制机柜对工作环境的要求

是指数控机床工作时的温度、湿度、电网电压、接地等诸多方面。

2.1 温度的要求

实践证明，当室温过高时数控系统故障率会大大的增加。通常数控系统中半导体工作温度要求在40～45℃以下，而室温达到35℃时电气柜内部温度经常可能达40℃以上，因此数控系统不能正常工作。

2.2 湿度的要求

要求环境的相对湿度应该小于75%，处于湿度较大环境中的数控机床，大多采用密封电气柜，同时配备空调进行温度冷却。湿度大产生结露，造成硬件模块短路的损坏。

3.控制机柜的结构设计

3.1 控制机柜结构设计要求

我厂从设计上分为两种控制柜，一种是外购并联机柜，另外一种是自己设计的控制机柜。多数机床都采用的是自制控制机柜，其优点就是价格便宜，外购机柜造价是自制的3倍，同时自制机柜一般是安装在机床上，机床连线和运输都很方便。本文主要以自制的控制机柜为研究对象。

3.2 控制机柜的密封措施

一些数控机床长期在加工铸铁、石墨工件环境中对控制机柜防护等级要求更高，电气柜密封不严，导电粉尘进入电气柜并且在模块线路板上沉积，可能导致硬件部分损坏，特别是高压部件，如驱动器的电源模块等。如果用户使用数控机床主要用于加工上述材料， 那么就应当采用密闭的电气柜，而控制机柜的电柜门支撑和锁紧方式也是影响密封主要因素，见图3-1所示。

假设以1800*800mm（高*宽）的门体尺寸为例，通过SolidWorks COSMOSXpress进行位移分析，我们不难看出折页和门体固定点安装数量和位置对位移的影响很大，同时我们也比较了威图机柜在箱体密闭上的设计，得到同样的结论。

图中红色区域位为位移变形量最大区，而蓝色为最小区域。在1800高机柜等距安装3个门折页，可以有效的使门体在高度方向上获得更多的支撑点，保证在这一方向上密闭良好。而图3-1左右两图不同的是左侧门的锁紧点为1个，而右侧是3点（我们做了仿制改进）。通过对比可以看出因所进点的增加红色位移点的消失，由此我们在设计的时候就要将折页和门锁固定点，在左右方向上对称，上下方向上等距，以确保门的胶条与控制柜之间紧密结合，不会因为受力不均，破坏密闭性。

3.4 控制柜的电磁兼容

（1）接地元件安装板必须使用未漆过的镀锌板，机柜内的所有金属接地部件都要连接到一起，滤波器、数控系统等电气部件要用螺丝直接固定在元件安装板上，柜门和柜体通过接地铜带连接，所有的保护接地导体都必须和大地连接。

（2）屏蔽 控柜中常采用的屏蔽方式有：

使用屏蔽电缆屏蔽、隔离板屏蔽、柜体屏蔽。功率模块的输出采用屏蔽电缆，屏蔽层接地。

4.控制机柜元件布局

合理分配空间，避免空气的流动性差保证数控系统模块的散热性。虽然有空调控制温度，但是系统模块安装位置距离空调近的话，由于模块自身风扇由下向上吹风，而冷空气（空调产生的）密度大，它的流动方向是自上而下的，在模块上方就容易出现对流，产生冷凝水最终导致模块烧毁。如图4-1所示。

5.结束语

除非进行必要的调整和维修，不允许随便开启控制柜门，更不允许在使用时敞开柜门。一旦有油雾、灰尘甚至金属粉末落在数控系统内的印制线路或电器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及印制线路的损坏。

定时维护控制柜也是非常必要的，否则灰尘积聚过多，将会引起数控系统柜内温度高，造成过热报警或数控系统工作不可靠。

参考文献

[1]电气配电柜安装技术的应用分析[J].城市建设理论研究（电子版），2013（24）.

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关键词：数控机床；加工工艺；精度控制

中图分类号：C37 文献标识码：A

一、数控机床加工的主要特点

数控机床加工部件的操作程序是设计加工部件的程序，该程序主要是考虑加工部件的尺寸、外形等，将其编制成计算机程序，通过计算机对数控机床的控制与操作，实现机床在计算机的控制下按照机械工程师设计的加工步骤自动加工出零部件。数控机床加工零件具有如下特点：

（一）零部件的精度高、质量好

数控机床的加工精度是按设计完成并由计算机自动控制的，其加工工件的尺寸一般可以达到的精度为0.005-0.1mm，它的特点是允差小，因为是自动加工的因此加工零部件尺寸的一致性较好，不存在人为误差，大大提高了加工零部件的质量。

（二）适应不同零部件外部形状

当改变加工机件时，数控机床加工首先要更换刀具和工件安装模式，按照设计的流程编制计算机程序并输入到控制机床的计算机，启动机床自动加工零部件，不需要对机床作调整。

（三）自动化程度高

由于数控机床加工零部件时，整个加工过程均是由计算机控制机床由机床自动完成的。所以他的突出优点就是自动化程度高，工人的劳动程度地，工人在这个过程中只是完成了工件的装和卸。

（四）生产效率高

数控机床是由计算机控制加工零部件，在一个流程中能实现较多步骤，节省了反复安装的多步骤；同时数控机床的加工效率高，行程间隔时间短。当前情况下，一般的数控车床主轴转速为5000-7000r/min，高速磨削的数控机床砂轮线速度为100-200m/s， 加 工 主 轴 转 速 为 20000-50000r/min，各轴的快速移动速度为 18-24m/min。

二、老式数控机床加工工艺的缺点分析

老式数控机床因为生产的年代比较早，且又服役多年，因此一般有以下几个缺点：

(1)主轴转速较低。

(2)加工精度较差。

(3)加工时进给比较慢（甚至会停顿）。

发挥老式数控机床潜能，大致有以下几个方法。

(1)专业的升级改造，如更换控制器。

(2)增加附件，如购买一个主轴增速器，使主轴转速提高几倍。

(3)改善加工工艺。

第(1)，(2)点需要投人比较大的资金，而第3点改善加工工艺较为廉价，一般只要投入少量的资金，就可以收到比较好的效果。

三、数控机床加工零件工艺性优化分析

（一）图样尺寸给出以编程方便为宜

数控加工过程中，零件图应以相同的基准引注尺寸为基准，该标注方法不仅方便编程，而且也便于尺寸协调，尤其在保持设计、工艺以及检测基准与原点一致性方面，具有非常大的便捷性。实践中，因零件设计人员在尺寸标注过程中所考虑的主要是装配应用特性，所以必须采用局部分散法进行标注。在自动编程过程中，应当注意对构成零件轮廓的几何元素予以适当的定义，尤其在零件图分析过程中，应当确保几何元素给定条件的充分性。

（二）结构加工工艺应符合数控加工之要求

实践中，应当确保零件外形与内腔的几何尺寸和类型的一致性，这对于减少换刀次数和编程操作非常有利，而且还能够有效地提高生产效益。同时，内槽圆角大小通常对刀具的直径大小具有决定性的作用。因此，内槽圆角的半径应当保持一定大小；零件工艺质量与加工轮廓自身的高低、圆弧半径等有着非常密切的关系。造零件铣削底平面过程中，槽底圆角半径不宜太大，以应统一基准定位为为宜。数控机床加工过程中，如果没有统一的基准定位，则可能会导致加工后两面轮廓尺寸、轮廓不协调。因此，实践中应确保两次装夹加工位置的准确性，实施统一基准定位。对于零件而言，其自身应当有比较合适的孔，并将其作为定位基准孔。

（三）方法选择与方案确定

首先，方法选择。机床加工方法选择过程中，应当确保加工面加工精度及其粗糙度符合要求，当获得同级精度、粗糙度加工方法存在很多种时，实际选择过程中应注意结合零件自身的尺寸、形状以及热处理要求，进行全面的考虑。

其次，加工方案确定。较精密的零件表面加工过程中，往往采用的是粗加工、半精加工以及精加工等工艺来实现。在加工方案确定过程中，应当根据其表面精度、粗糙度标准，确定所需加工方案。数控机床力口工过程中，工序可以相对比较集中，而且在一次装夹过程中应当尽可能实现全部或大部分工序的操作。

（四）数控工序卡及刀具安装

与传统的加工工艺相比，数控加工工序非常复杂，因此，在数控加工工序卡设计过程中，应当从以下几个方面着手：工序简图注明对刀点、编程原点；对编程进行简要的说明，比如机床型号、刀具半径补偿、程序编号以及镜向对称方式等等。

与此同时，还要注意刀具定位安装，具体表现在以下几个方面：首先，要确保设计、变成计算以及工艺基准的一致性；其次，应尽可能地减少装夹次数，一次定位装夹完成后，即将所有需要待加工的表面加工出来；最后，应当尽可能地避免采用人工调整方案。这主要是为了能够最大限度地发挥数控机床自身的功效。此外，数控机床加工过程中，对夹具也提出了如下要求：第一，要确保夹具坐标与机床坐标方向固定，把零件、机床坐标尺寸关系协调好，并注意以下问题。如果零件的加工批量较少，则可采取组合夹具及其一些通用夹具进行操作，这样可以有效缩短加工准备时间、节约成本；第二，在成批生产过程中，应当充分考虑专用夹具的有效应用，确保结构的简单；第三，零件装卸速度要快，而且要方便可靠，这样可以有效地缩短停顿时间。

（五）编制数控机床的计算机程序

数控机床是目前机加工业使用较为广泛。数控机床主要用于加工各类精密零部件。通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的加工。在一次装夹中完成更多的加工工序，提高加工精度和生产效率，特别适合于复杂形状零件的加工。根据设计的工艺流程进行编程设计，输入计算机中，控制机床自动化加工。

四、影响数控机床加工精度的因素和控制措施

数控机床加工技术最大优点是，它可以大大缩短机械传动链的长度，不仅提高了工作效率，同时还可以减少传动链由于长距离转动而造成的磨损机率。 影响数控机床加工精度的因素有很多，因此，要对数控机床加工工艺进行控制，数控编程对数控机床的加工精度具有最直接的影响，因为数控加工的整个过程都是按照事先设计好的编程来进行的，如果加工编程中的工艺技术和走刀路线没有确定好，就极易导致数控加工的零件加工尺寸出现偏差。数控机床系统误差对加工精度也有一定影响，在实际操作中，要想控制螺距误差，就要在轴上选择一定量的测量点，并对运行过程中的误差进行记录，输入到机床的控制系统内，通过这种方式，控制系统就可以对轴运动时不同点和时间的误差进行控制。反向间隙误差就要通过螺距误差补偿技术，对机床运转过程中的各点反向间隙进行记录，并将其录入到控制系统中去，这样在产生反向运动时，系统会自动进行补偿误差操作。同时，刀具的选择与切削用量的选择会对加工精度造成影响，因此，在加工过程中，要合理选择刀具的规格和其他参数，并且在加工机床功率允许的情况下，加大背吃刀量，进而提高切削的力度。

结语

综上所述，通过对老式数控机床的加工工艺的优化，分析了数控机床加工的工艺流程，随着科学技术水平的发展，我们应当充分重视数控机床加工过程的优化，同时，要注重数控机床济公的精度控制，确保数控机床加工产品质量。

参考文献

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设计夹具前,需要确定加工时使用的定位基准。通过图纸分析出设计基准,明确产品需要加工的部位,这些加工部位相对于设计基准都有尺寸和形位关系,如位置度、垂直度或平行度等。设计基准可能不止一个,只有先加工出确定某一部位位置的设计基准才能以该设计基准作为定位基准加工这个部位,这样才能满足图纸上要求的各加工部位与设计基准间的形位和尺寸关系,加工出质量合格的产品。由此分析知,工件定位基准与工件设计基准其实是一个部位,即基准重合的原则。加工设计基准往往是工艺的最先工序,选择毛坯的外形或毛坯孔作为定位基准先加工,然后将设计基准变为夹具定位基准进行各部位的加工即基准统一原则。也可以先加工与设计基准有尺寸及形位关系的某一部位,然后以该部位作为定位基准加工设计基准,最后再以加工好的设计基准作为定位基准加工其余部位,即互为基准原则。

分析出工件加工时采用的定位基准,就可以开始确定夹具的结构方案。通常夹具是由定位元件、夹紧装置、对刀引导装置及夹具体组成。定位元件如支承钉、支承板、V形块、定位销等用以确定工件在夹具中的位置,使工件在加工时相对于刀具及切削成形运动处于正确的位置。工件加工时会受到切削力等外力作用而产生移动无法加工,同时为防止工件振动,工件在夹具上定位后还需要通过夹紧装置将工件固定。无论是定位元件还是夹紧装置都是通过连接件如螺栓、键及定位件如定位销等将其固定在夹具体上,而夹具体一般是设计成一块平板或T形板的样式。对刀引导装置是确定夹具相对于刀具的位置或引导刀具进行加工,如对刀块、钻套、镗套等,由于数控机床中一般配有接触式测头、刀具预调仪及对刀部件等设备,同时由程序控制的准确的定位精度,因此数控机床中的夹具不需要对刀引导装置,只要求有定位和夹紧的功能,如加工一组孔,孔的位置已经在程序中确定,加工时刀具直接按程序要求的各参数运行,因此数控机床夹具比普通机床夹具的结构要简单,制造费用减少了,节约了成本。

与普通机床相比数控机床的夹具有很多优点,其中最主要的是提高了加工效率,数控机床如加工中心因为自带有自动换刀系统,刀具库中可以存放各种不同类型的刀具如钻头、铣刀,加工时若工件某一部位需要先铣后钻的可以将在普通机床如钻床、铣床上加工部位合并到一台数控机床上用同一个夹具上加工,这样只需一套夹具,节省了成本。如下图1所示夹具,在这道工序中即有铣面又有钻孔。因为加工中心用程序控制不同刀具,夹具结构可以不用对刀装置结构相对简单,根据需要还可以将不同工序的夹具放在一起同时加工,前道工序的工件加工完后装到下道工序的夹具中,同时向前道工件的夹具装入下一个工件,这可以通过编程实现。一般在普通机床上如钻床,夹具一次加工一个工件,而在加工中心中可以设计成能加工多个工件的夹具。如图2所示,一个夹具同时固定两个相同的工件;还可以在工作台上放置一个工件两道工序的夹具同时加工。

通过以上概述,数控机床夹具能适应数控机床的高精度、高效率、多方向同时加工及单小批生产的特点。

参考文献

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【关键词】　数控；机床；机械

1.引言

由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。

目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代机械行业自动化生产的要求,针对具体生产工艺,结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计出上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本文主要对机械手的总体设计进行简单说明。

2.发展现状和趋势

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

（1）机械结构向模块化、可重构化发展。（2）工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。（3）机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展。（4）关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； （5）焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

3.机械手的总体设计

3.1机械手总体结构的类型：工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：

（1）直角坐标机械手结构特点：直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。（2）圆柱坐标机械手结构特点：圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。（3）球坐标机械手结构特点：球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。（4）关节型机械手结构特点：关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。

3.2机械手设计的一般要求

机械手手爪设计有如下要求 ：（1）机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。（2）机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。（3）机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。（4）机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。

3.2具体采用方案：根据实际操作的需要，该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动,另一个为手臂的回转运动,因此其自由度数目为3，综合考虑，应选择圆柱坐标机械手结构，其结构简单，工作范围相对较大，且有较高的精度，满足设计要求。

4.结论

本设计是一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计。机械手采用可编程序控制器控制,可以实行手动调整、手动及自动控制。系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

参考文献

［1］孙兵, 赵斌, 施永康. 物料搬运机械手的研制. 机电一体化. 2005, (2): 43～45

［2］王田苗, 丑武胜. 机电控制基础理论及应用. 北京: 清华大学出版社, 2003.

［3］陈铁鸣, 王连明, 王黎钦. 机械设计(修订版). 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2003.

［4］李建勇. 机电一体化技术. 北京: 科学出版社, 2004.

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关键词： PLC；数控机床；电气控制；设计

1 前言

随着现代化技术的发展，在机械行业数控机床得到了广泛的应用，随着加工件对精密程度的要求的提高，对数控机床的要求也越来越高。数控机床控制系统除了对各个坐标轴的方位进行连续控制以外，还需要对数控机床主轴的启动、停止以及转向和给进运动进行控制，并且还能满足换刀控制以及进行夹具定位等精密动作，对其进行指定次序的连续控制。

随着计算机技术的快速发展，可编程序控制器（PLC）技术得到了突飞猛进，数控机床的各种动作的完成是靠机床中的电气控制系统中的核心PLC来完成的。本课题正是对PLC控制技术进行研究分析，进而实现数控机床在PLC控制的基础上进行的电气控制的设计，主要包括对数控机床的工作原理的阐述，同时对电气控制系统中的主要实现部件可编程序控制器PLC进行分析和选用，从而提出一套完整的基于PLC的数控机床电气控制系统的设计方案。

2 数控机床工作原理概述

数控机床的控制系统主要由机械装置、硬件电路以及上位机和下位机软件构成，数控机床的控制系统是机床本体的中央枢纽部分，其工作原理主要是通过数字控制的方式对执行部分进行指挥控制。

数控机床的主轴的启动、停止以及转向和给进运动的完成是靠机床中的电气控制系统中的核心PLC来完成的，PLC主要包括输入部分，逻辑分析部分以及输出部分这三大逻辑部分构成。PLC的输入部分主要负责收集所要求的被控制部分实际运动参数的数据，并对这些数据进行存储；逻辑分析部分是用来分析处理输入部分所获取的数据信息，并判断由哪个执行部分做出相应的输出反应；输出部分是将分析判断后的结果信息进行相应输出，提供给相应的执行装置，使其做出相应的执行动作。

3 数控机床电气控制系统硬件设计

数控机床的控制系统主要由硬件部分和软件部分组成，下面我们对这两个部分分别进行详细分析。

（1）控制系统硬件部分

电气控制系统的硬件电路组成部分主要包括有工控机、SIMOTION、电源模块、电机模块、光栅尺、主轴、变频器和传感器。具体构成如图1所示。

图1 数控机床控制系统构成

上位机：工控机作为该系统的上位机，主要是通过人机界面将加工文件中的数据输入并读取到数控机床加工流程，并且可以为使用者提供友好的界面，来人工设定一系列加工参数，读取进计算机内部处理系统，并通过TCP/IP协议，将这些参数数据传送至运动控制器中。

SIMOTION运动控制器：SIMOTION是整个数控机床控制系统的核心部分，SIMOTION的运行的速度以及可靠性，直接影响着整个系统的稳定性。该系统所选取的SIMOTION是由西门子公司生产的PLC5300以及西门子的运动控制器两者组合在一起的，它不仅承接了PLC在控制运用上的高度的可靠性的特点，与此同时也承接了运动控制系统的灵活特性。使用SIMOTION的原因是为了实现各种执行动作任务所提供的稳定、灵活、简单的控制系统，主要完成运动控制、逻辑控制、工艺控制这三种功能。

电源模块：它采用变频的方式，将一定频率的交流电转变为直流电，然后再通过逆变器把直流电转变为固定频率的交流电。通过电源模块SIMOTION控制系统把工业交流电转变为直流电，然后再重新分配给多个电机模块。

电源模块可以分为两种，一种是可调电源模块，它能够根据所设定的参数将转化出来的直流电稳定在一个固定的范围内，可以通过调节，才这个范围内线性变化；另一种是不可调电源块，它只能稳定在一个固定电压数值的直流电。

电机模块：电机模块主要功能是把600V的直流电，逆变成固定频率的三相交流电，为电机提供能源。

光栅尺：西门子伺服电机自身带有编码器，但是这种电机编码器的精度只能达到10微米，然而我们要求的是5微米，这离目前我们所要求的数值相差有一定距离。因此采用光栅尺来检测工作台的精确位置，然后将位置信息通过SMC30传送给控制器。

主轴：数控机床的主轴选用的是西风公司的高效率PCB钻孔主轴，它是精度高、寿命长、稳定性强的全功能的PCB钻孔主轴。这种主轴采用的是全流道冷却系统，采用干净的水循环进行冷却。并且采用启动夹紧的道具夹紧方式，可靠性极强。

变频器

由于数控机床的主轴转速需要非常高的速度，为此要对主轴进行精密控制需要选择一种高速变频器。目前我们常使用的台达V系列变频器能够满足这个要求。但是目前的SIMOTION上没有与该台达变频器连接的485串行接口进行通讯，我们采用模拟量控制方式来控制该变频器。

4 数控机床电气控制系统的软件设计

数控机床的各种可靠性能和他的作业能力由其电气控制系统所具备的特点来决定，可以说，电气控制系统对基于PLC控制的数控机床的各项功能起着关键作用，所以开发设计数控机床的电气控制系统的软件工作也是相当重要的。与工控机运行的人机界面软件相对来说，SIMOTION中所运行的软件属于下位机软件，是通过上位机传输数据并控制执行部件做出动作的控制系统。

上位机是通过数据传输读取文件信息，随后将数据信息传输给SIMOTION，SIMOTION收到数据信息后经过数据编码处理来控制电机模块驱动电机转动，这样便可以带动工作台从而进行位置控制。这个时候光栅尺便可以检测到工作台位置的详细信息，传感器将光栅尺的采集的信号转化为标准信号，传递给SIMOTION，然后再反馈给运动控制器，SIMOTION便可以根据指令调整工作台的位置。

5 结束语

随着数控技术以及计算机信息技术的快速发展，可编程控制器PLC的逻辑处理能力也随之大大提高，基于PLC数控技术在我国得到了广泛应用，但是数控机床的水平还不够高，这便制约了我国生产加工工艺水平的提高。分析其原因，主要实关键部分即电气控制系统技术不够成熟，为此本文通过理论分析，试验调试等设计出基于PLC的数控机床的电气控制系统，提高了数控机床工作的可靠性和灵活性，使数控技术在实际生产应用中发挥了更大作用。

参考文献

[1] 李华. PLC 在数控机床控制系统中的应用[J].职业圈，2007，（07X）：158- 159.

[2] 李纪三，舒朝君，刘永喜.PLC在数控机床功能控制中的应用[J].机床电器，2008，35（2）：12- 14.

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关键词：国家职业标准；真实工作过程；课程说课

中图分类号：G712 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）08-0187-02

1说课思路

教育观念直接影响课堂教学，从传统的教学观念转变到现代职教的先进理念，是新时期对职教发展提出新的要求。如何在课程设计和教学技能方面得到提升，新的教学形式、教学方法、教学模式如何真正转到以学生为主体，以教师为主导的轨道上来，是职业院校发展迫切需要解决的问题。把课程建设作为提高人才培养质量的核心，它既符合高等教育的规律，又是我国高职院校人才培养薄弱环节所在。通过说课，理解课程性质、内容和教学环节设计更加透彻，把专业核心课程的典型教学情境分解为现场教学、课堂教学、实训教学，让教师在课程教学内容设计上真正解决“教什么，谁来教，在哪教，怎么教、学什么、怎么学”的问题。从而使工学结合渗透到人才培养的每一个环节，使专业建设与课程体系改革有机结合起来。

按照课程设计的一般流程理顺说课思路，涵盖内容包括：课程定位、教学内容设计、教学方法、教学保障条件、考核方式、教学效果等。在说课设计过程始终关注一下热点：

1.1 调动学生的学习热情目前高等教育所面对的最大挑战之一是学生的消极学习态度。积极探索如何实现从封闭的教学过程向开放的教学过程转化。 让学生建立起自信心，真正让学生成为学习的主体，主动学习、快乐学习，研究性学习、创造性学习，培养终身学习的意识和基本能力，开发学生喜闻乐见的专业课程非常必要，打破传统的缩减本科课程和教材内容作高职课程设置的教学模式。参照真实生产环境、按照真实生产过程，开发生产实训课程和教材，设置实训教学内容，在真实的生产车间进行实训教学，以期达到最佳教学效果，真正实现学生零距离就业。

1.2 课程与教材匹配要又快又好的培养技能型专门人才，关键在于提高教学质量，开发适应高职教育的课程和教材，以激发高职学生学习热情，让学生尽快掌握具备适应职业岗位能力要求的职业技能，为进入职业领域作准备的技术与职业教育应为工作能力强、愉快的职业生涯奠定基础，使学习者获得某一领域内的若干职业所需要的广泛知识和核心技能，使个人在选择职业时不至于受限制，且能在日后的职业生涯中从一个职业转到另一个职业；同时为初次就业包括自谋职业，及就业后的培训提供充分的专业准备；在知识、技能和态度诸方面提供一个基础，以便在个人职业生涯中的任何时侯都能接受继续教育，提高就业质量和个人职业具有更好的发展空间。

1.3 课程设计“三接轨”专业核心课程设计与就业需求接轨、与行业(职业)标准接轨、与国际高等教育人才培养接轨。首先应考虑到社会和就业市场的需求，并按照就业岗位所需技能有针对性地进行课程设置。其次将劳动部门的职业标准融入我们的课程设计，为学生提供未来可能从事职业必备的知识与技能。另外，将课程的设计与国际人才的标准接轨，也是我们不断探索与追求的一个目标。

2说课内容

2.1 课程定位

2.1.1 人才培养模式与方案研究通过调研典型企业、行业专家和已毕业到企业就业的学生，了解相关业务规格、能力目标及满意度，不定期召开专业指导委员会会议等方式，充分听取意见，以此确定人才培养模式，制定人才培养方案，构建符合企业职业技能要求的专业课程体系。经过这种方式制订出的教学计划突出专业课程的职业定向性，培养出的学生真正满足职业岗位（群）的需求。

2.1.2 职业岗位通过分析得出数控设备应用与维护专业的职业岗位及能力要求：①数控机床装调：能胜任数控设备的生产、检测、装调等工作；②数控机床维护：能胜任数控设备的检修、维护及日常保养工作；③数控机床销售及售后服务：能胜任数控设备的销售及售后服务等工作。

2.1.3 人才培养模式数控设备应用与维护专业以校企共建专业为人才培养实施途径，创新完善“三标耦合、三级递进、五个共建”人才培养模式，如图1所示。

以提高数控机床使用企业和数控机床生产企业数控机床装调维修岗位所需的数控机床机械装调、电气装调、联机调试、维修维护能力为核心；将数控机床装调维修工的职业资格标准和企业岗位标准要求的典型工作任务进行分析、提炼、规整，再结合专业调研与本院实际情况、依据职业认知和职业成长规律，构建职业能力“三级递进”的人才培养方案；然后在人才培养体系中根据各学习领域组合课程，编写课程教学标准，完成职业资格标准、企业岗位标准、课程教学标准的“三标耦合”，实现教学内容的标准化、系列化。通过实施职业基础能力培养、职业专项能力培养、职业综合能力培养的“三级递进”能力培养，全面提高学生职业素养、职业能力、创新精神与创业能力、可持续发展能力。与典型企业深度校企合作共建人才培养方案、共建专业课程、共建实训教学基地、共建师资队伍、共建教学课堂。

2.1.4 课程体系数维专业的课程体系如图2所示，《数控机床装调生产实训》属于职业专项课程，先修课程包括《数控原理与系统》、《机械测试与装配技术》、《机床电气控制与PLC》、《机床拆装测绘实训》等课程，后续课程有《数控机床故障诊断与维护》《顶岗实习》等。本课程在整个课程体系中十分重要，起承前启后的连接作用。

2.2 教学内容与设计

2.2.1 教学设计理念行动导向，任务驱动：按照职业工作岗位，以“真设备、真项目、真要求”为基本要素，使课程教学内容与就业岗位的职业要求同步，在真实的生产车间进行实训教学，以期达到最佳教学效果，真正实现学生零距离就业。以学生为中心：发挥学生的主体作用，重点关注职业能力培养与职业素养养成；以校企共建为平台：上课教室为校企共建基地之车间；学校教师与企业专家共同育人，实现优势互补，体现其教学过程中的主导作用。

2.2.2 课程目标分析《数控机床装调生产实训》课程主要培养数维专业学生的专业能力、方法能力、社会能力，具体内容如下：

2.2.2.1 专业能力：①掌握整机装配、调试的工作内容和工作流程；②能够根据用户技术参数要求正确配置系统；③能按工艺标准装配数控机床机械及电气连接线路；④能正确设置数控系统、伺服系统参数；能进行数据备份和恢复操作；⑤规范的使用工具和检具，自觉地遵守安全操作规程及环境保护的工作要求；⑥能进行机床精度检验及补偿，正确使用精度检测仪器；⑦能进行机床的机电联调并排除机械故障、电气故障；⑧熟悉机床检查验收流程。

2.2.2.2 方法能力：①抽象与逻辑思维：能有逻辑地解决问题。②信息判断与选择：能在众多信息中，判断并选择有效、有用信息。③学习的思想：随时学习，随时准备学习，并愿意深造提高。④系统认识：能对复杂问题，进行准确的信息处理、计划，并执行。

2.2.2.3 社会能力①身心健康：积极的人生态度，强烈的事业心和浓厚的工作兴趣，对工作和生活有追求，有继续努力的恒心。对社会的适应性，行为的社会规范性。②团队协作：能与人合作，能考虑团队成员的想法，不会一意孤行。③交流沟通：能较快与陌生人交流沟通，较好的亲和力。④表达说明：能用书面和口头形式，有条理地表达较复杂事物。

2.2.3 教学内容选取根据数维专业的岗位要求充分考虑课程的针对性适用性，以配置FANUC 0i数控系统的三坐标数控铣床为教学设计载体，选取《数控机床装调生产实训》课程内容分为四大教学情境：企业安全与文明生产、数控机床机械装配钳工、数控机床电装工、数控机床调试工，以便完成本课程的教学目标（如2.2.2所述）。

2.2.4 教学内容规划教学内容规划如表1所示。

2.3 教学方法每一个学习情境都是一个完整的工作过程，学生都会经历“资讯（信息收集）计划（拟定方案）决策（制定方案）实施检查评估（总结分析提高）”六个阶段。在六步教学法实施过程中，充分体现教师的主导性和学生的主体性，指导教师起引导、答疑和示范指导作用，多种教学方法的交替使用，使得教学过程变得丰富多彩，充满乐趣。同时将素质教育贯穿在整个教学活动中。

①咨讯：采用引导文教学法，准备相关教学资料、技术资料和网络资源，让学生明确任务：学什么？做什么？②计划：采用讲授、演示教学法，通过对学习任务分析，分组讨论，制定学习方案将各种不同方案比较、选取优秀方案。③决策：通过方案分析，推敲方案实施细节，由指导教师与学生一起决定最终实施的方案。④实施：采用演示、互动、讨论、交流等教学方法，学生分组具体实施工作计划，完成工作任务，指导教师进行巡回指导、回答学生的疑难问题，引导学生团队协作、共同完成学习任务，互相帮助、共同提高。⑤检查：通过学生自我检查、同组学生相互检查、小组之间学生交换检查，指导教师教师最终检查验收，观察学生任务完成情况。⑥总结汇报：采用激励教学法，通过学生对学习任务完成情况的自我评价、小组成员相互评价及指导教师的总结讲评，肯定成绩，总结学习经念，改进学习中的不足，以期不断进步。通过对每个教学情境的精心组织、策划，按照六步教学法认真实施、总结，完全可以实现课程教学目标。

2.4 教学保障条件

2.4.1 师资队伍《数控机床装调生产实训》课程由具有双师资格的高职教师和具有丰富生产实践经念的企业技术人员共同实施，达到理论实践的紧密结合，理论支撑实践技能的提高，实践技能验证理论的指导性，在教学活动中，教师和学生相互学习，共同提高。

2.4.2 实训基地《数控机床装调生产实训》课程的教学实施地点是与学院有深度校企合作的数控设备生产企业的数控机床装调车间进行，让学生在真实生产环节学习，感受企业文化氛围，实现学习与就业的零距离。本课程在生产车间实施教学已经进行三届，教学效果良好。

2.4.3 教材及参考资料

2.4.3.1 实训企业为学生提供相关实训器材和工具量具和以下技术资料：①数控机床装配（图纸、工艺、装配说明等）资料；②数控系统硬件连接说明书；③数控机床参数说明书；④数控机床维修说明书。

2.4.3.2 专业教研室为学生提供相关教材、专业课程网站及图书资料和实训报告册。①学院与数控设备生产企业、数控系统生产企业、数控设备使用企业深度校企合作，开发适合本课程的专业教材《数控机床装调生产实习指导书》；②相关学习书籍：《数控机床构造》、《数控机床装配调试与故障诊断》、《数控机床结构原理与应用》等；③院级精品课程网站的《数控机床装调生产实训》课程及相关专业网站。

2.5 考核方式①过程考核。分小组对学习效果进行自评、互评和师评（学习态度、团队协作及安全操作等情况）；每组集体讨论，完成项目学习心得体会并汇报，对项目给出定量评价。②结果考核。以学生个体为单位对实训内容随机抽取项目进行实操和答辩。

3结论

《数控机床装调生产实训》课程是数维专业的专业核心课程，通过说课设计，实现以学生为中心，以能力为本位，真正实现高职教育的4个转变，即：由单纯的职业技能教育目的观转变为基础加有限职业技能教育目的观；由一次性教育观转变为可持续发展教育观；由做事教育观转变为做事教育与做人教育相结合的教育观。①进厂学习模式很受学生欢迎，学习效果很好。②学生的操作技能得以增强，综合素质有较大的提高。③教师的综合素质提高很快，对学生的指导能力得到加强。

参考文献：

[1]姜大源．当代德国职业教育主流教学思想研究[M]．北京：清华大学出版社，2007．

[2]欧盟Asia―Link项目“关于课程开发的课程设计”课题组编．学习领域课程开发手册[M].北京：高等教育出版社，2007.

[3]仲瑞敏.关于制约高职教育学生就业的因素思考[J].中国成人教育,2004,(1).

[4]张连绪.转变观念是解决高职高专大学生就业难的关键[J].中国高教研究,2004,(4).

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关键词：A工作原理；面板设计；电气保护

1.SINUMERIK 810D系统

SINUMERIK 810D是一种具有免维护性能的操作面板控制系统，是西门子公司针对中国市场进行性价比优化的产品。其核心部件―CCU（数控驱动单元）将MMC、OP以及I/O模块集于一体，具有无电池、无风扇、免维护等特点。该系统具备中文界面的高质量显示面板，易于操作和编程。它可通过生产现场总线PROFIBUS将驱动器、输入输出模块连接起来，控制六个数字进给轴和一个数字或模拟主轴。驱动系统的模块化结构为各种应用提供了最大灵活性，并且易于安装，可靠性高，布线费用低。该系统是用于控制各类车床和铣床的理想控制系统，非常适合于车间级加工应用。此外，SINUMERIK 810D系统中还含有丰富多样的工艺循环，以铣床为例，除了常用的钻孔、镗孔、铰孔、攻丝循环以外，还包含对线性排列孔和圆周排列孔进行钻、镗、铰、攻丝的循环；端面铣削循环；轮廓铣削循环；圆形和矩形型腔铣削循环；长孔铣削循环；圆周槽和圆弧槽铣削循环；螺纹铣削循环等多种铣削循环的功能。SINUMERIK 810D数控系统采用了当今先进的控制概念、适用于钻削、铣削以及车削和磨削机床加工的控制。其能力涵盖了目前绝大多数大型、特殊、高速、高精度加工机床的要求。SINUMERIK 810D数控系统建立在综合的系统平台上，通过系统设定功能而适用于几乎所有的控制系统，810D与SIMODRIVE 611数字驱动系统和SIMATIC S7可编程序控制器一起，构成了一个全数字控制系统，用于各种复杂零件加工任务，并优于其他系统的动态品质和控制精度。SINUMERIK 810D数控系统采用开放式系统理念，可以在数控核心部分使用标准开发工具而实现用户指定的系统循环和编制用户所需特殊的界面。

1.1 SINUMERIK 810D系统的功能

（1）CNC功能。数控系统可以控制车床、钻铣床等机床。其可以控制六个进给轴和一个数字或模拟主轴的同时保证三轴联动，具有直线插补、平面圆弧插补、螺旋线插补、空间圆弧（CIP）插补等控制方式。系统可以进行螺纹加工、变距螺纹加工等加工方式。并且能满足旋转轴控制、端面和柱面坐标转换（C轴功能）、前馈控制、加速度突变限制、刀具寿命监控、主轴准停控制、刚性攻丝、恒线速切削、FRAME功能（坐标的平移、旋转、镜象、缩放）。

（2）显示和操作。系统采用标准TFT液晶显示器，全PC键盘操作。可连接机床控制面板、手持操作单元、软盘驱动器等。在操作使用上，其系统用户界面分成五个工作区，即：机床、参数、程序编辑、服务、诊断。

（3）轴的控制。连接SIMODRIVE 61l数字伺服系统，其可控制六个数字进给轴和一个数字或模拟主轴。其工艺特性：

a.控制精度0.001ram

b.进给速度0.01mm/min-10000m/min

c.主轴转速0.1rpm-99000rpm

d.进给倍率O%-120%（内部0%150%），快速进给倍率200%

（4）PLC编程。S7 300型PLC的输入输出点数是通过扩展模块的方式实现的，其最多可以有四个机架，每个机架最多可以插8个输出模块。

（5）刀具管理。SINUMERIK 810D系统的刀具功能是比较有特色的地方，与其他数控系统不同的是，它并不是每一个刀号只能对应一个刀具半径值和一个刀具长度值，而是在每一个刀具号下面最多可以存储9组刀具补偿值――每个刀具号（T号）下面包含了9个刀沿号（D号），每个刀沿中都可以单独存储一个刀长补偿值和一个刀具半径补偿值。这样做的好处是可以为每把刀具设定多个刀偏值，分别用于粗加工、半精加工以及精加工，却不必担心由于占据了多个D号而与其他的刀具发生混乱。

（6）安全与诊断

整个CNC系统可对其各部分的运行进行实时监控，当有故障发生时，系统除对相应部分进行保护外，并可进行自我诊断，在显示器上显示报警信息。同时增加了安全锁，可对用户分级，对各级用户赋予不同的操作。

2.操作及工作原理

2.1系统上电

（1）接通主电源：首先合上电气控制柜的总空气开关。控制柜电源指示灯亮。

（2）启动810D系统：按操作面板上的“系统启动”按钮，“机床有电”指示灯亮，（显示屏进入主界面），810D数控系统启动成功。

（3）启动液压系统：旋转操作面板上的“液压启停”开关至启动位置（如果液压系统不工作或液压系统工作不正常，其它功能均不能实现）。检查液压系统压力，系统正常工作压力为2Mpar。

2.2主电机启动及点动

（1）主电机启动操作：主电机有两种运行方式，即工作运行（常车切削）和点动运行。工作运行有正、反常车。设有启动及停止按钮；点车运行是为了装工件，工件调整和对刀调整等，因此设有正点动按钮、反点动按钮。

（2）普通车床功能：主电机正转起动主轴旋转，实现原普通车床功能。注意：主电机启动前，保证A、B、C换挡手柄啮合才能实现（只有C手柄离开1：4和1：l的空档处时，PLC控制离合器齿轮脱开，C轴伺服使能失效，主轴才能启动）。启动主电机，主轴旋转，进入原普通车床功能。具体步骤如下：

将主轴C变速手柄移动至任意档位（不能停在1：4和1：l之间位置），接近开关不发出信号，PLC控制液压离合器松开电磁铁1DT，油缸推动离合器使齿轮脱开（C轴电机和主轴脱离），“C轴啮合”指示灯亮。此时，可以使用原机床的各项进给及主轴功能

2.3主电机的制动

本机床采用能耗制动。即当按压停车按钮SBll（SBlo），延时后，KM2、KM5相继失电而KM6得电，电机定子绕组串接，整流二极管D投入工作，定子绕组通过半波整流后的脉动直流而产生制动力矩，电动机开始制动，延时2两秒后断开。

2.4快速及进给电气传动控制

（1）托扳、滑板移动方向及其选择：机床托扳装有左、右、前、后快速移动或进给的离合器。控制托板快速或走刀。其方向由面板上的“方向选择开关”来选择。其动力由快速电机和走刀电机分别拖动。

（2）托扳、滑板工作制及其选择：托扳、滑板的工作方式分为快速和进给。工作状态由方向选择开关选择。说明：无论何种工作方式，何种方向的操作，其电气控制线路原理相仿，只是快速时，其操作方法和点动方式相同，进给运动为常车形式而异。（注意：只有在原普通车床和C轴非使能状态时，才可以使用托板和尾座快速功能。若要使用托板进给功能，主电机必须运行。因为进给速度由主电机的速度决定）。若要停止进给，按压“走刀停止”按钮即可停止。此时电磁离合器脱开，走刀就迅速停止进给。

3.810D面板设计

西门子SINUMERIK 810D属于紧凑型的数控系统，它将显示屏集成在MMC当中，MCP面板包括了手轮、键盘。在安装过程中西门子公司给出了标准的安装尺寸和模式。我们设计了车床主轴以及电机的控制面板如图3.1，同时在完成安装后的810D控制面板图如图3.2所示。

4.电器保护

（1）各分支电路均设有自动空气开关。

（2）各电机分支电路均安装有电动机保护型断路器。

（3）液压泵保护。

油泵采用自动空气开关作短路和过热保护。在运转中，当发生故障时，其自动空气开关自动跳闸，这时机床的所有动作均不能动作。机床运转前首先必须开动油泵，不然主轴、快速进给及走刀均都不能开动。

（4）C轴和原机床主轴的互锁，C轴使能状态和原普通车床状态互锁。

结论

本文设计的机床控制系统采用西门子SINUMERIK 810D数控系统，伺服驱动系统采用了SIMODRIVE611D模块和1FK7系列伺服电机，在伺服电机与主轴之间安装减速器和机械传动装置从而达到大减速比的要求，实现了系统C轴的精确分度功能。并根据需要设计了基于SINUMERIK 810D系统的面板。

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关键词 数控机床；机械手；设计

中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）68-0071-02

在数控机床的各项性能指标和整体布局上，输送技术对其有着直接性的影响。在缸体加工过程中，发动机缸体的三轴孔加工是一项十分重要的程序和环节，该环节在很大程度上确保了三轴孔在加工过程中的精确度；在缸体的纵向上，应当配置若干个固定的导向设施，用于支撑镗杆；传统意义上的三轴孔镗床，其架构复杂，同时存在防护难度大、输送速度较慢等诸多问题，在很大程度上给数控机床的生产节拍造成了影响。为了解决上述困难，大连机床企业首次研究并设计了空中布局的数控机床上下料机械手，这不仅强化了数控机床的刚性，同时也解决了数控机床在排屑过程中所面临的一系列难题，实现了转机缸体在输送过程中所表现出的柔性；通过对伺服驱动技术，在很大程度上减少了输送机床在输送过程中的时间，同时实现了工序的分解，致使数控机床的节拍从原来的6min下降到现在的3.2min；在一定意义上达到了用户在节拍方面的一些要求，与此同时，在很大程度上也提高了数控机床的自动化。

1 机械手的发展情形与动态

从国内外所有机械手的发展现状来看，在现阶段，对机械手的研究和开发已趋于，机械手的发展现状与动态，可以总结为：第一，模块化与可重构化是现阶段机械架构发展的主要动向；其二，PC机的开放型控制器是机械手体系发展的一个主要方向，其目的就是为了完善机械手，使其逐渐走向网络化和标准化；器件集成度得以强化，架构设计玲珑，同时运用过了模块化架构；在很大程度上强化了机械手体系的安全性和可靠性，同时也满足机械手在维修和防护方面的一些便捷性；第三，传感器在机械手中发挥了十分重要的作用，不仅运用了传统的速度传感器、位置传感器等，同时也引进了先进的视觉传感器、触觉传感器和听觉传感器，促使机械手逐渐向智能化方向发展和推进；第四，装配、焊接等机械产品逐渐向模块化、标准化及系列化方向推进和发展，及系统动态的仿真等。

2 机械手手爪架构的设计分析

机械手手爪的类型较多，其主要用于作业的操作和装置，按照不同的作业方法和操作，可以将手爪分为测量式手爪、加工式手爪及搬用式手爪等。所谓搬用式手爪，即为多种类型的夹持装置，其主要用于对物体的搬用和抓取；加工式手爪，即为附有焊枪、铣刀等工具的机械手附加设备，其主要用于对作业的加工；所谓测量式手爪，即为附有传感器的一种附加设备，其主要用于对作业的检验和测量。在机械手手爪的设计过程中，应当遵循以下几个方面的要求：其一，根据机械手作业的具体要求对机械手手爪进行相应的设计和开发；其二，机械手手爪的专用性和万能型之间存在一定的矛盾。万能手的架构设计比较繁琐，有时还会出现无法实现的现象，以工业的实际应用为出发点，将重点应放在对各类专用的、工作效率较高的机械手的研究和设计上，确保工业机械手的所有工作性能的实现和健全，在这里，我们不赞成通过一个万能手来完成所有工作，应当考虑机械手在设计过程中所发挥的一些经济效益；其三，确保手爪的通用性。所谓机械手爪的通用性，即为通过数量有限的手爪来适应不同要求的机械手，这就给末端执行器提出了一定的要求，即要求其末端配置一个标准的机械接口，保证末端执行器能够标准化运用。

3 机械手设计方案的运行

因为机械手手臂在运作过程中表现为直线式，并且考虑到机械手在刚度、运动过程中所表现出的稳定性和安全性、动态性能等方面的一些要求，所以应当选取液压驱动方式，基于液压缸所表现出的直接性驱动，液压缸不仅是执行件，同时也是驱动件，所以，在设计过程中可以取消对执行件的设计，又由于液压缸在运动过程中表现为直线式，所以，在其控制上的难度较低，便于计算机管理和控制。

除此之外，机械手手臂由于在其具体工作及控制方面的一些要求，所以在机械手手臂的过程中，应当控制其结构的设计，不应过大，如果只依赖加大液压缸的直径来实现刚度的提高，那么将无法实现系统刚度的一些要求。所以，在设计过程中，额外添加了导杆机构，在小臂上安置了两个导杆，两导杆和活塞杆共同形成了一个等边三角形，在最大程度上加大了小臂的刚度；在大臂上安置了四个导杆，四个导杆构成了四边形，为了最大限度的降低大臂的重量，每个导杆都引用了空心架构。

4 机械手的优势和应用

机械手实施方案具有速度快、工作效率高、负载能力强、移位精度高及故障出现频率低等诸多方面的优点。

机械手在DK050机床上的成功运用，是数控机床柔性输送方面的一大创新。在今后的数控机床的生产过程中，机械手的开发和运用将会得到前所未有的发挥，同时为广大用户提供了极大地方便，能够产生较大的生产效益和经济效益。

5 结论

机械手在机械行业中的运用已经成为一种必然的趋势，同时这种运用将得到前所未有的发挥，机械手能够成功的运用于机械零件的组装和加工工件的装卸与搬运，尤其体现于组合机床以及自动化数控机床上的运用和创新。将机械手与机床设备合为一个柔性体，在很大程度上能够节省工件输送装置，架构比较紧凑，同时适应能力较强，在技术和经济上对机械手进行考虑都是有必要的，所以，对数控机床上下料机械手进行研究和设计是一种必然。

参考文献

[1]胡学林.可编程控制器(基础篇).北京：电子工业出版社，2003．

[2]周正干，李然，负超.点焊机器人动态性能有限元分析[J].北京航空航天大学学报，2002，28(5)：266-269．

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关键词：数控机床 机床设计虚拟技术

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0070-01

在2011年的年初，我国的相关专家和院士就做出了关于实施《数控一代机械产品创新应用示范工程》的建议。这一建议也受到了国家的相关部门的高度重视。在2012年，我国了《数控一代机械产品创新应用示范工程》。在这样的背景下，数控一代装备的制造和发展脉络已经明显的很清晰。在这个过程中，人机操作界面的开发、控制软件的开发、节能电机的开发等将被作为开发技术的重点，将再次的受到政策的优惠。本文针对数控技术的发展方向，结合笔者对于数控机床技术发展的了解，将针对虚拟技术在数控机床设计中的应用进行一定的分析。

1 虚拟技术及其特征分析

虚拟技术指的是利用三维声场就似乎以及多传感交互技术、高分辨率现实技术等先进的技术，生成一定的三维立体画面，使得客户也能够成为三维虚拟环境的一个部分，实现实时的交互技术，并且能够实现感知和操作虚拟世界中的各种对象，最终实现身临其境的感受和用户体验。

虚拟技术本身最基本的特征就是沉浸性、交互性和空间的想象性。我们所说的沉浸性指的是由计算机生产的相对逼真的三维立体画面，这样就能够使得用户产生一定的身临其境的感受，并且最终获得和客观世界一样的体验。交互性就是客户能够自然而然的实现与虚拟环境中的各个对象的交互操作感受，从而能够进一步的感受和相应虚拟环境。空间的想象性指的是虚拟环境中，环境中的各个对象可以对客户提供发挥想象力的各种机制，并且能够启发用户本身的思维创造性，提高对产品的感性认识和理性的理解。

由于虚拟技术本身有可操作性、真实性和可重复性的有点，在数控机床的设计中，其作为一个平台，有巨大的发展潜力，现在已经在数控车床设计的教学中有很大的作用，也是未来数控车床设计和开发的一个重要的技术依托。

2 虚拟技术在数控车床设计中的应用

2.1 虚拟技术能够补充现代工业设计理念的不足

针对工业设计来讲，由于工业的机械设计是工业革命的产物，也是科学技术与文化艺术等多个学科之间相互交叉的学科。其核心的问题就是针对产品进行产品造型的设计。如果对于工业设计本身的重要性认识不够充分的话，最直接的就是导致所设计的产品造型相对粗放，产品缺少设计的美感和设计感。缺乏一定的时代性，这样就使得产品的界面相对比较混乱，缺乏一定的人文关怀。我们中国的机床设计以及相关的制造与国外同行业相比的话，是有很大的优势的。但是，我们现阶段所缺少的就是工业设计的意识。就机床的市场来讲，在功能和性能以及产品质量等硬的指标都差不多的情况下，所制造产品的造型和相关的设计意识已经越来越得到人们的关注，使用者将选择那些操作人性化的机械设备，甚至在一定的程度上这会决定产品的销量。

虚拟技术在机床设计中的应用却可以有效的改变这样的局面。我们可以通过三维的画面来展示机床的设计理念，同时，通过对于机床的设计功能的介绍，设计出先关的人性化设计方面，首先就能够节约大量的设计成本，同时还增加了企业对于新理念和新技术的应用，提高了设计的实际效率。

2.2 虚拟技术能够树立机床设计的新理念

在数控机床的设计过程中，树立一个新的，相对长远的设计目标和理念，同时树立自己的品牌意识将对企业的发展产生很大的影响。对于一个行业或者是一个单纯的企业来讲，缺乏一定的品牌概念和新的设计理念，对于一个产品来讲将会产生很大的影响。缺乏品牌意识和设计理念是现阶段很多企业的通病，尤其是行业内部的很多中小企业，由于大环境和本身实力的影响，中小企业本身不能够设计出一些具备品牌概念和设计意识先进的产品。在数控车床的设计过程中，利用虚拟技术，可以有效的解决这样的问题，首先就可以有效的节省成本，保证中小企业的设计理念得到有效的展示。同时，也能够实现设计理念的多方论证，将数控机床的设计理念进一步的完善。这样的话也就能够保证企业逐渐的在设计中树立自己的品牌。

2.3 虚拟技术能够有效的展示数控技术的文化特色

产品的语义学告诉我们，对于产品来讲，其不仅仅具备了一定的物质功能，还需要体现一定的文化功能和特征。机床的造型设计本身就是一个创意和设计理念的体现。需要的是不仅仅要体现出其本身设计的物理功能，还要能够体现出民族特征和文化的内涵。在追求科学价值的机床设计领域，我们不仅仅要将机床本身的功能做出科学的设计，还要追求机床本身的文化内涵和艺术内涵，甚至要将民族的东西加入到机床设计过程中。机床的造型将在一定的程度上体现出一个国家或者是一个行业的设计水平。而将虚拟技术应用在机床的设计中，将能够有效的保证机床的设计能够体现出科学价值与艺术价值的融合，并且能够做到不断的改进和展示。实现机床设计的飞跃。

3 结语

虚拟技术在机床的设计过程中主要包含了实体建模和仿真两个方面的过程。整体上通过利用计算机技术来完成整个产品的开发，以数字化的形式虚拟并且可视的完成产品的开发，并且在制造实体物品之前可以对产品的结构以及性能做出有效的分析和仿真，实现制造过程的早期反馈，并且能够及时的发现和解决问题。与传统的设计方法相比，产品的虚拟技术可以减少甚至可以取消物理样机的研制次数，尽可能的降低开发的周期和成本，提高产品的设计质量。虚拟技术可以支持数控机床在开发的过程中所有的实体建模都采取真是的尺寸，基于该项技术的产品设计模型可以方便的针对虚拟样机进行设计和开发工作。这样就能够满足开发和设计的要求，实现产品的进一步优化。

参考文献

[1]杨巍巍，郑东旭.浅谈基于现代工业设计理念的机床设计[J].今日科苑，2009（22）.

[2]陈晓林.浅谈数控加工仿真系统原理及其在教学中的应用[J].大众科技，2010（03）.

篇10

关键词：数控车床；创新设计；TRIZ理论

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.14.040

1 经济型数控车床

数控车床的结构简单，操作方便，制造成本低并且技术容易掌握，通过用微机控制的步进电动机来执行本身的进给运动，其结构是由进给传动链最短出发，让步进电动机输出端配置减速器并与进给系统的丝杠连接，来实现X、Z轴的进给运动；采用可控电动尾座来实现对零件的顶尖顶紧工作；安装自动回转刀架，通过数控系统传递信号来实现刀具的旋转与进给加工；并采用开环控制系统，加工精度由执行元件和传动机构的精度来保证，虽然这种数控车床的定位精度较低，但是该数控车床的投资少，安装调试方便，适用于精度要求不高的零件加工，也是目前机械制造业应用最普遍的一种。

2 冲突分析

经济型数控车床采用的是螺旋转位刀架，根据数控机床的加工特点，我们了解到，对于内孔的加工，只能借住车床尾座通过手动操作来打中心孔和钻孔从而实现内孔的加工，还有就是这种类型的刀架只能加工出内外圆柱、圆锥、螺纹、孔等，而达不到在零件侧面进行平面、腔的加工，在这里应用TRIZ理论来进行经济型CK6140数控车床的刀架的创新。

工程冲突包括技术、物理和数学这三种冲突，它的主要内容也是TRIZ研究的内容。物理冲突就是为了实现某种功能而表现出一个子系统或元件有一种特性，并且出现与此特性相反的特性。情况分析如下：当一个子系统的有用功增强时也使其系统的有害功增强；当一个子系统的有害功降低也会使其有害功降低。

3 利用TRIZ理论解决冲突

应用技术冲突解决的原理又称发明原理，随着科学技术的飞速发展，TRIZ团体通过对250万专利的精心研究，总结出了39条工程参数，所有的冲突问题都可以在工程参数表中查到，同时又提出了解决技术冲突的40条发明原理。

经济型CK6140数控车床刀架改造技术冲突：数控车床实现零件轴上平面、腔的加工，若采用车铣复合装置的转塔刀架和机械手，提高了加工效率，但是制造成本较高，而且结构设计比较麻烦，不易于制造和维修。

从39个工程参数中选择技术冲突的一对特征参数，由此确定标准工程参数如下：1）希望改进的特征：速度、生产率；2）恶化的特征：可制造性、可维修性；3）从冲突矩阵表中可查出发明原理。

4 创新设计

主要设计是在刀架上加上一个动力铣头，动力铣头的主轴轴线与数控车床中心线相垂直，动力铣头由单独的步进电动机实现。若孔或腔的加工在同一母线上，可以把主轴电机上加个刹车即可实现。其螺旋转位四工位刀架需要改，选用中拖板丝杠的行程，而所选用的动力铣头要尽量靠近中拖板的后端，使得铣头和刀架之间的距离最大化。

经过创新之后经济型CK6140数控车床在进行车削的加工同时，可以通过Y向步进电动机带动动力铣头进行铣削加工，实现轴上平面和槽的加工。具体的设计是把M33（车削）和M34（铣削）指令加入到PLC控制程序中，当数控床开机时默认为车削加工状态，数控系统对内取消对Y轴电动机的监控和铣头电动机的控制指令输出，对外输出信号切断Y轴电动机的强电，这时只有X轴、Z轴参与联动工作。当需要对零件进行铣削加工时，只需在加工程序的编程中输入M34指令，就实现了系统对内恢复对Y轴电动机的监控和铣头电动机的控制指令输出，对外输出信号接通Y轴电动机的强电，这时数控车床就可以实现铣削功能，让主轴停止转动，即工件不动，铣刀旋转进给铣削。和经济型数控车床一样，电动刀架上可以安装4把车刀，铣头主轴上可安装一把铣刀，加工时通常是先进行车削加工，此时滑板上的电动刀架靠近工件进行车削加工，车削完成后，滑板后退，车削刀架远离工件，铣削主轴靠近工件，Y轴按加工需要动作，铣头电机旋转，进行铣削加工，如需更换铣刀，要停机手动换刀再继续加工，从而完成轴的平面、槽的加工。

通过对数控车床总体结构进行创新设计，本文的主要研究内容和成果为：

（1）提出刀架需要改进的地方，对其不足之处进行分析确定冲突类型属于技术冲突，介绍了TRIZ理论中的39个工程参数和40条发明原理，主要运用TRIZ理论中的矛盾冲突矩阵，根据在刀架的设计中遇到的问题，然后在冲突矩阵表格中选取提供的39个工程参数中的改善条件与恶化条件的关系，来初步确定可能应用到的40条发明原理中的其中一些原理，根据原理来设计预期的符合要求的刀架结构，在刀架上加上一个动力铣头，动力铣头的主轴轴线与数控车床中心线相垂直，动力铣头由单独的步进电动机实现。

（2）对设计的刀架进行试验，验证它的工作原理，实现了在经济型数控车床上进行轴上平面和槽的加工，一般操作过程是先进行车削，此时切断Y轴电动机和动力铣头电动机，当进行铣削时，在程序中输入M34，恢复Y轴电动机和动力铣头电动机的工作，从而进行平面和槽的加工，工作原理是车床主轴不动即工件不动，让铣刀旋转进给进行铣削，到达加工的目的。

5 小结

运用TRIZ理论对经济型数控车床的刀架进行结构和原理上的创新设计，理论上具有很强的可行性，此次对刀架具体结构设计并没有进行详细的计算和布局，机构设计不够理想，需要进一步完善该机构，才能更好地改善经济型数控车床的性能。