機牀自動化論文

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　　機牀自動化論文一

近二十餘年來，光電技術的發展與進步迅猛，致使光電產品的加工設備研發也快速發展起來。光電產品的質量、精度要求越來越高，加工光電產品的裝備質量也必須要得到進一步的提升，這就必然涉及到此類加工裝備關鍵重要件的加工和裝配精度的問題。其中，光學加工機牀的關鍵零部件———滑架部件中活動塊的加工就涉及到此類加工精度問題。在光學行業所用的加工機牀中，滑架部件滑動的靈活性、穩定性和精度是該類機牀的一個重要技術指標。要保證滑架部件滑動中的這一技術指標，關鍵的一點就是要保證活動塊中安裝軸承兩孔的形位公差———平行度。其他諸如活動塊的孔間距、局部尺寸公差等，都可通過常規的技術手段，一般技術水平的操作人員即可做到，且不影響裝配的質量和精度，在此不做贅述。現就活動塊的加工過程中，如何保證活動塊的兩孔平行度的問題進行分析和探討。在保證活動塊兩孔平行度的前提下，可進行批量生產，同時還能提高效率、減小廢品率、降低加工成本，是要面臨解決的關鍵問題。下面就此類加工問題展開，對現有的幾種加工方法進行對比，以期得到更優秀經濟的加工手段和加工工藝。

1在臥式鏜牀上加工保證活動塊的兩孔平行度

首先，在車牀、銑牀或其他機械加工機牀上，對活動塊(圖1)進行加工，到圖紙規定的尺寸。然後，活動塊的兩孔加工工序安排在臥式鏜牀上進行加工。按常規的加工手段和辦法，定位、夾緊，一次裝夾，先鑽孔，後粗鏜、精鏜兩孔，保證兩孔的平行度和孔間距尺寸公差。因爲是在一次裝夾中加工完畢，活動塊的平行度由鏜牀的精度很容易得到保證。孔的平行度公差，一般正常可保證在0.01～0.02mm，極少數因爲各方面的因素會超差，但最大不超過0.03mm，對裝配使用基本沒有影響。加工出來的產品，基本沒有廢品，合格率完全有保證。此種加工工藝方法，由於是在臥式鏜牀上加工，所以就會帶來一個很大弊端，加工效率過低，加工成本太高。在單件、小批量的生產中，體現還不太明顯，但對於批量的生產，效率低、成本高、加工週期長的問題就特別突出，使該機牀生產週期變長，成本增加，快速交貨受到限制，缺乏一定的市場競爭力，不利於該類機牀短時間內的批量生產，更不利於該類機牀在市場中的應用推廣。

2在車牀上加工保證活動塊的兩孔平行度

利用車牀的花盤和彎板配合對活動塊的兩平行孔進行加工。花盤是安裝在車牀主軸上的一個大圓盤，盤面上的許多長槽用來穿放螺栓，工件可用螺栓直接安裝在花盤上。也可以把輔助支承角鐵(彎板)用螺釘牢固夾持在花盤上，工件則安裝在彎板上。爲了防止轉動時因重心偏向一邊而產生振動，在工件的另一邊要加平衡鐵。工件在花盤上的位置需經仔細找正。首先，在銑牀或其他機械加工機牀上，按照圖紙要求尺寸加工出外形。在車牀安裝好花盤，首先要利用活動塊已加工好的面作爲基準，打表、找正，利用彎板進行定位，夾緊。在加工活動塊時，由於工件位置的原因，在離心力的作用下，加工工件孔的局部尺寸容易出現橢圓，兩孔的平行度公差一般可保證在0.05～0.1mm以內。在實際生產過程中，通過裝配時的反覆調整和實際的應用驗證，只要孔距的平行度公差不超過0.1mm，對活動塊裝配後的靈活性影響不大，所以此技術指標可以放寬使用，此時廢品率仍在20%以上。此種加工方法，對比鏜牀加工來說，加工效率有很大的提高，加工成本大幅度降低，大約是鏜牀的1/3～1/2;但是打表找正比較費時間，對加工人員的個人技術要求較高，加工質量一般，合格率較低，批量生產一般不予採用。

3在車牀上利用專用夾具精加工保證活動塊的兩孔平行度

專用夾具設計思路及依據如下:一種具有平衡配重功能的偏心夾具，在夾具本體上，以可往復移動的方式，設計一個用以夾持工件的夾持裝置和至少一個配重件;另再設計一個傳動機構，用以在夾持裝置移動時同步地傳動配重件作反向移動，以使夾頭在偏心夾置工件時仍能維持其重心在轉動軸心上，而能避免夾頭高速轉動時產生偏心震動。一般沒必要去精確計算，可根據工作的經驗，只要牀頭不要太晃動就行了。三爪卡盤與機牀的連接需要一個連接法蘭盤。法蘭盤一端是內螺紋的，與車牀主軸的外螺紋相連接;一端是帶臺階孔(起定位作用)的法蘭盤，用螺絲與三爪卡盤背後的螺紋孔連接。根據三爪卡盤和主軸連接的原理，利用常規車牀主軸端部安裝好的法蘭盤，簡化有平衡配重功能的偏心夾具設計思路，簡化設計結構，做一簡單實用的專用夾具，如圖2(a)、(b)所示。其中，夾具體背面一端的止口、端面(起定位作用)分別和另一端面正面(基準面)要有垂直度、平行度要求，和車牀主軸上連接的法蘭盤止口(起定位作用)相配合，安裝方法和三爪卡盤的安裝固定方式一樣。夾具體上安裝徑向滑動板，滑動板兩大面有平行度要求，滑動板上安裝有定位、夾緊元件。圖2車牀專用夾具對於批量生產，加工前，根據圖紙對活動塊外形進行加工，並預鑽兩平行孔，基本保證中心距即可，留1～1.5mm的加工餘量。在專用夾具中，找活動塊已加工好的面作定位基準，定位、夾緊，依次對兩孔進行精加工到尺寸，靠車牀和夾具的精度來保證活動塊兩孔的平行度公差。此種加工工藝方法，和前一種加工工藝相比較，特點是:操作相對更容易些，加工效率較高(可提高一倍以上)，產品的加工精度有一定提高，合格率較高。但和鏜牀比較而言，加工精度還是有不少的差距。

4在改造的車牀上精加工保證活動塊的`兩孔平行度

找一臺八成新以上的車牀，目的是爲了保證主軸的迴轉精度，還有絲槓和中託板絲桿的傳動精度。首先，要把車牀改造成一臺數控車牀，費用大概一萬餘元，目的是爲了提高加工的效率。第二步，改造中託板。把方形刀架去掉，固定方形刀架的基面，就變成專用夾具的工作固定檯面，按照和此基面的連接方式設計專用夾具的夾具體。要求夾具安裝固定完畢後，活動塊處在夾具中的位置應保證精鏜時活動塊兩孔的軸線和主軸軸線等高且平行，即在同一高度的平面上。實際上就是以中託板上刀架的安裝基面設定爲一個工作臺面，相當於臥鏜的工作臺。改造後的車牀，就是一臺數控車牀;更進一步講，就是一臺變相的簡易數控“鏜牀”，完全是根據活動塊在臥鏜上加工的方法原理改造而成。夾具設計實物如圖3所示。圖3專用夾具(固定於方形刀架基座上)做專用的鏜刀杆，刀杆尾部的錐度要和所改造機牀主軸錐孔的莫氏錐度相配套，長度可根據所加工的產品靈活設計，注意控制其長徑比，在可保證加工的前提下，儘可能縮短鏜刀杆，以滿足鏜刀杆足夠的強度。可預先設計加工粗鏜刀杆1把、精鏜刀杆2把，刀具的材料爲YG8，預先試鏜孔，調整保證粗鏜、精鏜的刀具尺寸。每把精鏜刀加工的工件數量爲40～50件，兩把精鏜刀可加工80～100件，一次的生產批量一般在100件左右，所以事先準備1把粗鏜刀、2把精鏜刀，足夠加工一個批次的產品。首先，對活動塊外形進行加工，並預鑽兩平行孔，基本保證中心距即可，留1～1.5mm的加工餘量;再到改造好的數控車牀上，選工件已加工好的面作爲定位基準，在設計的專用夾具上進行定位、夾緊;然後，以任意一預鑽孔爲基準，大致找正即可。一次裝夾，通過中拖板絲槓控制孔間距(孔距公差靠中拖板絲槓精度保證)，靠換已事先準備好的粗鏜刀杆和精鏜刀杆，對預鑽的兩孔進行粗鏜、精鏜，保證兩孔的平行度公差。加工的原理方法實際和在鏜牀上加工一樣，只不過是一臺變通了的所謂“鏜牀”，一般孔的平行度公差可比較輕鬆控制在0.02～0.04mm以內，最大不超過0.05mm。相比鏜牀來說，加工成本低廉，效率大大提高，加工質量也有保證，合格率高。以CA6140爲例，車牀的改造費用1萬餘元;加上車牀(不低於八成新)本身的費用4～5萬元，總計費用在6萬元左右，最多也不超過7萬元。車牀的加工工時在15～20元/小時，一天可以加工活動塊成品大概40～50件。而同樣一款臥式鏜牀，價格40餘萬元，加工工時約60元/小時，每天的加工成品大概爲20件。投入產出大概比例，前者是後者的1/12～1/14。

5結論

通過對以上4種加工工藝的對比分析，就能得到更優的加工方法和拓寬零件加工思路，很自然地提高產品的加工效率和加工質量。對於批量大、精度要求高的活動塊加工來說，在改造的車牀上，利用專用夾具精加工(鏜孔)，產品的合格率得到有效的保證，降低了工人的勞動強度，提高生產效率，減少產品對操作人員的技術依賴度，降低生產的加工成本，有很好的社會經濟效益，使得該類機牀的大批量生產有了可靠的技術和物質保障，在市場競爭中佔據一定的優勢地位。推而廣之，在現代的機牀工業中，在批量機牀的生產和維修過程中，只要是中小型的類似活動塊的零件加工且平行度要求較高的，都可參照此種活動塊的加工工藝方法，避免對鏜牀的依賴;同時，既可以提高生產效率，又能降低生產成本。

　　機牀自動化論文二

　　1 引言

隨着數控加工在機械製造業中的廣泛應用，數控操作者的大量培訓便成爲迫切的問題。在傳統的操作培訓中，數控編程和操作的有效培訓必須在實際機牀上進行，這既佔用了設備加工時間，又具有風險，培訓中的誤操作經常會導致昂貴設備的損壞。

隨着計算技術的發展，尤其是虛擬現實技術和理念的發展，產生了可以模擬實際設備加工環境及其工作狀態的計算機仿真培訓系統。它用計算機仿真培訓系統進行培訓，不僅可迅速提高操作者的素質，而且安全可靠、費用低。

與科學幻想相似，想象力和技術的相互結合造就了虛擬現實。培根在13世紀寫的沒有馬的轎車和配備動力的機械的科幻故事就是這類結合的早期見證，凡爾納在19世紀寫了火箭和潛水艇的預言性科幻小說，特別是一些科幻作家們已做出的各種利用虛擬現實的基本概念的設想正在逐步變成了具體化。上世紀內所建樹的幾個技術性里程碑使得虛擬現實成爲可能，電話、無線電、電視、半導體三極管和集成電路(微處理器芯片)和液晶顯示器。尤其是計算機技術的飛速發展。一些早期的仿真嘗試(例如第一臺飛行模擬器、立體電影、電視遊戲等)都已成爲當今虛擬現實仿真的先驅。當然虛擬現實技術的發展歷程與電子學以及計算機產業的蓬勃發展是分不開的。

目前在國內已經有少數高等院校將計算機仿真初步運用於數控操作人才培訓的教學之中，也產生了各種仿真教學系統。這些教學系統既能單機系統獨立運行，又能在線運行。獨立運行即機牀模型方式，其培訓設施只需一臺微機，數控機牀的模擬操作在顯示屏顯示的仿真面板上進行，而零件切削過程由機牀模型三維動畫演示，用這種方式進行初步培訓是經濟有效的；在線運行即機牀工作方式，這種方式下教學系統將與實際機牀連接，由硬件實現零件切削過程，這時除了操作者是用仿真面板操作外，其它則與實際機牀的真實情況一樣，簡單來講就是利用計算機和其他的專用硬件軟件去產生一種真實場景的仿真，參與者可以通過與仿真場景的交互來體驗一種接近於真實的場景的感覺。因此能進一步培訓操作者的實際工作技能。

數控仿真系統的核心是虛擬數控機牀，而虛擬數控機牀又是虛擬製造技術中的一個執行單元，它不僅在數控加工過程中爲產品設計提供了可製造性的分析，而且在數控系統的學習和培訓中，爲各類學校和企業技術人員提供了完善的學習和培訓。該類系統完全模擬零件的切削過程，能檢驗數控指令正確與否，提供一套功能齊全的調試、編輯、修改和跟蹤執行等功能。

　　2 虛擬數控系統功能

虛擬數控機牀實際上是虛擬環境中數控機牀的模型。與真實機牀相比，虛擬數控機牀應具有以下功能：

虛擬數控機牀應具有與真實機牀完全相同的結構。虛擬數控機牀能模仿真實機牀的任何功能而不致因爲採用某種近似替代而導致某種結構和信息的失真或丟失．並應與真實機牀有完全相同的界面風格，爲技術人員的學習和培訓提供保證。

虛擬數控機牀強大的網絡功能，爲遠程教育提供可能。

完善的圖形和標準數據接口。用戶既能在真實的環境中運行虛擬機牀，又能觀察它的各種遠行參數，並能與其他CAD／CAM軟件接口。

　　3 平臺的購建

虛擬數控機牀是如何實現這些功能的呢？它一般是通過以下的構建平臺來實現。

①Nc解釋平臺 NC解釋平臺包括NC解釋器和NC驗證器。任務分配數據庫從任務調度中接受數控代碼並將其翻譯爲虛擬機牀的部件、刀具等運動的信息，並將其通過計算模塊來模擬機牀的響應，NC解釋器能夠被自由地配置從而能夠模擬任何一種數控機牀的CNC控制器。

②NC驗證器，能夠驗證NC代碼的語法正確性。

③刀具庫 刀具庫應包括一臺數控機牀所需的刀具，並能自由配置刀具庫中的刀具號．從而能模擬任何一種數控機牀的換刀形式。

④仿真平臺 仿真平臺包括刀具軌跡仿真、切削力仿真，加工精度仿真、三維動畫仿真、加工工時統計分析，仿真平臺是虛擬數控機牀的核心技術。操作者可以在虛擬的環境中進行機牀運動和切削過程等的仿真，從中獲得相關的加工數據。如進給軸的位移量、換刀狀態、主軸轉速、加速度、進給量、加工時間等。通過加工過程的仿真，瞭解所設計工件的可加工性，驗證NC代碼的正確性以及評價和優化加工過程，並通過在線修改NC代碼來優化NC代碼。

⑤計算平臺 計算平臺用來完成虛擬數控機牀中各種計算，如根據NC代碼計算加工零件新的幾何形狀，根據刀具的材料、運行時間、零件的材料性質和潤滑介質的性質計算刀具的補償量和熱補償量。這些計算結果是虛擬數控機牀在應用於虛擬製造過程中的加工方案評價以及可製造性分

析所必須的。

⑥設計開發平臺 虛擬數控機牀的設計平臺是一個面向對象的數控軟件庫及其開發環境。通過對數控軟件的標準化、規範化研究和其它CAD／CAM軟件的數據交換，並對典型的零件進行封裝，設計成具有穩定、通用接口的可重用的軟件。

⑦操作運行平臺和監控平臺 在虛擬環境中完全實現真實機牀的操作，讓使用者完全感受到真實機牀的運行特性。在這些基礎上的監控硬件和軟件，用來控制簡易機牀．增加虛擬數控機牀的真實感．並且可以進行典型零件的實驗性試切加工，讓使用者有一種身臨其盡的感覺。尤其是在數控教學和培訓過程中，初學數控編程者需要大量的編程練習，並進行實際調試。用試切法來檢驗數控加工程序顯然不合理，而且也難於實現。如果利用仿真技術，這些問題可以輕鬆得到解決，從而避免編程時人爲出錯或工藝不合理造成工件報廢。

　　4 總結

鑑於虛擬數控機牀具備的功能，針對目前我單位數控教學課程和參加數控實習學生人數的增多，及數控設備較爲精密、昂貴的特點。把數控加工仿真軟件引入教學之中，用於數控機牀操作與編程培訓，這樣既可以避免因誤操作造成價格昂貴的數控機牀的損壞，又可以使操作人員在對仿真數控機牀操作過程中產生臨場感和真實感。而且能夠讓同學們更快地熟悉和了解數控加工的工作過程，並且掌握每種數控機牀的基本操作。更大的好處是在實現了同樣效果的情況下將加工出錯及事故發生率降低到了最小程度。

我單位目前的硬件設施基本具備，包括微機房、局域網和各類數控機牀等。不久的將來在校園網接通之後，這種教學方式確實很有可能成爲現實。尤其是在北航工程訓練中心開設遠程教育課程之後，相信這種教學方式必將成爲一種必要的教學手段。

　　參 考 文 獻：

1．曾小惠，吳明華，潘鐵虹．在線數控加工仿真教學系統的實現，1998

2．餘勤科，嶽應娟，劉宏．虛擬數控機牀技術及其應用，2000

3．王曉楠，王仲海．虛擬現實技術及其應用，2002