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【南京航空航天大学】微型可重构数控机床

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  微型可重构数控机床

  作品名称:微型可重构数控机床

  完成单位:南京航空航天大学 工程训练中心

  2、功能、作用介绍

  数控加工是机械工程训练课程主干训练项目之一。综观国内院校工程训练课程的数控加工训练,大多仅限于手工编程、两维加工等片面认知层次,训练的深度、工程性、系统性、综合性严重不足。鉴于此,自主研制微型可重构数控机床(型号ETC-W001)并应用于实践教学。该设备可重构为、、数控等机床,能够加工普通碳素结构钢等材料。学生应用该设备进行数控技术与数控加工综合训练。学生在完成产品设计、零件CAD建模和CAM编程后,组合设备可重构模块,按需装配成数控、数控等,并完成数控系统搭建、整机调试、DNC程序传输等工作,最后应用所搭建机床,完成所设计产品零件的数控车削、数控铣削加工、钳修与装配调试等工作。

  2.1、设备简介

  该设备可重构为数控车床、数控铣床、数控钻床等,由主轴箱模块(图1,见附录,下同)、床身模块(图2)、工作台模块(图3)、尾座模块(图4)、立柱模块(图5)等基本模块组成。用于训练的设备如图8所示。设备配置了与企业联合研发的EAMA-3000i型数控系统(图11、图12),支持车铣切换。

  (1)典型机械本体重构

  微型数控车床由主轴箱模块、床身模块、工作台模块、尾座模块、卡盘和数控刀架等装配而成。装配时,床身伺服电机端置于左端,首先装配床身模块与工作台模块,在床身左端固定主轴箱模块,将卡盘装配在主轴箱模块上,在工作台模块上安装数控刀架,床身右端安装尾座模块。每一装配环节要应用相关、工装,对装配体的距离精度、相互位置精度、相对运动精度、接触精度等进行检测。最后,搭建数控系统,配置Z轴、X轴和刀架的数控模块,并进行联调。数控车床实物见图9。

  微型数控铣床由主轴箱模块、床身模块、工作台模块、立柱模块和铣刀夹持装置等组成。装配床身模块与工作台模块,床身伺服电机端装配立柱配重模块,在主轴箱模块安装铣刀夹持装置,将主轴箱模块装配在主轴箱固定板上。同时,配置数控系统,添加Z轴控制模块,进行联调。数控铣床实物见图10。

  (2)EAMA-3000i数控系统

  数控系统为多功能开放系统,支持车铣切换。系统由CNC主机、MCP及IO接口、轴控接口三大部分组成(见下图),每部分都有独立的CPU,并且三部分分别有两条总线进行连接,方便系统连接与功能扩展。NC主机采用Atmel AT91SAM9G45(ARM 926EJ-STM,主频400MHz)工业级芯片为核心,具有SD卡、USB、高速总线、工业以太等多种接口。配有8寸液晶显示屏和MDI键盘,人机交互功能方便。CNC完成总体协调,实现粗插补运算功能(插补周期8ms)及机床可编程逻辑控制功能。MCP及IO接口板完成机床操作面板的功能、手轮的功能和机床输入输出信号的功能。轴控接口板完成6个轴的定位控制功能,实现精插补运算并输出与伺服连接。

  (3)设备主要参数

  数控车床主要技术参数如下:

  序号项目参数

  1床身最大工件回转直径¢50mm

  2最大工件长度190mm

  3最大车削长度80mm

  4外形尺寸(长×宽×高)540mm×185mm×280mm

  5主轴电机功率0.4kw

  6进给轴电机功率0.6kw

  7主轴转速120-3000rpm

  数控铣床主要技术参数如下:

  序号项目参数

  1工作台面积(长×宽)110mm×80mm

  2工作台左右行程(X向)110mm

  3工作台前后行程(Y向)100mm

  4工作台上、下行程(Z向)110mm

  5主轴端面至工作台距离0-75mm

  6刀具最大尺寸¢5×50mm

  7主轴最高转速3000rpm

  8进给电机扭矩1.91N.m

  9外形尺寸(长×宽×高)540mm×185mm×595mm

  10定位精度

  《JB/T8772.4-1998》X:0.015 mm ,Y、Z:0.012 mm

  11重复定位精度

  《JB/T8772.4-1998》X:0.010 mm ,Y、Z:0.010mm

  2.2、在训练教学中的地位和作用

  工科院校以培养工程师、工程学家为主要目的。工程训练应是基于基本技能训练的综合性项目实践,以体现鲜明的工程特性,着重培养学生的设计研发能力、分析解决工程问题的能力、基于应用经验的原创性研究能力等核心技术能力。所研制设备是实现数控技术教学板块综合训练的重要教学载体之一。

  该综合训练采用以学生为主体的研究性实践教学模式。学生以产品设计任务为驱动,以该设备为载体,顺序实践从设计到调试完整的工程过程:

  (1) 产品设计:以小组为单位,根据任务进行产品总体设计、详细设计,建立零部件数字与产品装配模型;

  (2) 加工工艺设计:对相关零件进行(数控)加工工艺分析,编制(数控)加工工艺;

  (3) 数控编程:零件数控加工部分手工编程与CAM编程(MASTERCAM);

  (4) 数控机床装配:学习机床装配工艺,进行机床装配工艺分析,制定装配工艺,按需装配所应用机床(数控车床、数控铣床、数控钻床);

  (5) 数控系统搭建:CNC、控制柜、驱动、伺服电机、主轴电机接线调试;

  (6) 数控系统粗插补模块编程调试(可选):编制直线、圆弧插补程序(系统开放此模块);

  (7) 数控机床联调:配置数控系统,试加工,检测;

  (8) 数控加工:DNC程序传输,完成所设计零件的数控加工;

  (9) 产品装配调试;

  (10) 答辩。

  该综合训练在CAD、机制工艺、数控加工、钳工装配、数控技术原理等相关训练基础上进行,以小组(3-5人)为单元进行,传统训练周期为一周(5天),主题训练为三周到四周。学生通过插补模块开发调试、数控编程、拆装重构机床、数控加工等实践,深入透彻了解数控机床基本机构、数控系统、机床运动控制原理、机床传感技术、数控加工工艺等。学生实践产品研制完整工程过程,在系列发现、分析、解决工程问题的过程中,认知数字化设计与制造领域典型的生产工艺系统、工艺技术和工艺方法,实践数字化设计与制造基本工程过程,体验数字化设计与制造的魅力,有效培养了学生的工程意识,很好锻炼了学生的综合工程能力。该设备除综合训练外,还为“工程训练”课程“数控系统维修”等训练项目提供载体。

  该训练项目是数控技术教学板块的重要组成部分,已应用于规模化训练教学多年,取得了显著的教学效益。此外,该训练项目还为“工程训练”课程针对外国访问生的“DM Summer Training Program ”,为教育部教育管理信息中心“全国工业自动化人才认证培训项目”(IAAT)“数控应用工程师”认证培训等拓展项目提供课程支撑。