数控机床的设计篇1
【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SolidworksCoSmoSXpress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）.
数控机床的设计篇2
关键词数控机床；控制系统；设计
中图分类号tG659文献标识码a文章编号1674-6708（2012）80-0194-02
数控机床是一种以数字量作为指令信息形式，通过数字逻辑电路或计算机控制的机床。涉及机械、微电子、自动控制、传感测试、电力电子技术、计算机、通信等多种现代技术，是一种典型的机电一体化产品。数控系统是数控机床的核心。
1数控机床控制系统的组成
数控机床的控制系统由输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置、位置检测装置等部分构成。数控机床开始工作时必须编制相应的加工程序，加工程序被通过控制介质存储，常用的控制介质有穿孔带、磁带和磁盘等。数控装置运用逻辑电路或系统软件，对从内部存储器中读取出或从输入装置接收到的一段或几段数控加工程序进行一系列的编译、运算和逻辑处理，并输出所形成的各种控制信息和指令，以指导控制机床各部分按照程序所规定的指令进行有序运动和动作。伺服驱动装置作为数控机床的执行机构，将从数控装置部分接收指令信息，再经功率放大后，驱动数控机床的运动机构，以加工出符合指令要求的零件。伺服驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构。其中，执行机构大都为直流或交流伺服电动机。检测装置用来检测数控机床各坐标轴的实际位移量，经反馈系统输入到机床的数控中心。数控中心接收到数据后，将其与原设定值进行比较，并根据比较结果进行相应的修正，以确保机床的运动系统能够按指令完成数控加工任务。辅助控制装置则是在接收到数控中心的指令信号后，驱动相应的电器去带动包括主轴运动机构、刀具、冷却装置、机床夹持机构和分度工作台等在内的辅助装置，以完成指令所规定的动作。从机床本体来看，数控机床与传统机床极为相似，但其内在的控制原理、结构布局、传动系统等方面都有很大的不同。
2控制系统的设计
2.1系统总体方案选择
基于pC的开放式数控系统使用十分便利，使用者可以充分利用计算机的软、硬件资源，运用通用的高级计算机语言编制程序，还可以将数控系统与外部网络连接起来。这一开放式数控系统大致可以分为以下四类，即pC连接型CnC、pC嵌入型CnC、nC嵌入型pC（nC嵌入pC型）、全软件型nC。
考虑实际被控对象的要求以及对上述四种方案利弊的比较，nC嵌入型开放式数控系统方案的可行性较高。nC嵌入型开放式数控系统方案，即数控系统由开放体系结构运动控制卡+pC机两部分构成。开放体系结构运动控制卡通常以高速DSp作为CpU或以专用的运动控制芯片作为核心，其运动控制控制和pLC能力较强。采用nC嵌入型开放式数控系统方案的优势是，数控机床的软、硬件两方面都具有开放性：软件方面，其所有的开放性函数库能够为用户在windows平台下自行开发所需的控制系统提供强大支持，而各种软件资源和开发工具又十分丰富，极大地降低并缩短了系统软件设计的难度和周期；硬件方面，数控核心（nCK）与硬件驱动程序都预留有标准的接口，支持系统升级。当有硬件修改要求时，只需改动硬件驱动程序。目前，很多硬件供应商在提供硬件的同时也会为客户提供相应的驱动程序，大大降低了系统升级和功能拓展时的工作量，提高了系统开发效率。nC嵌入pC型数控系统则主要由工控机（ipC）、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机及各种外部设备等组成。
2.2伺服驱动方案选择
伺服驱动装置是CnC装置和机床的联系环节。CnC装置发出的控制信息，通过伺服驱动装置，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服驱动装置应具有信号放大控制能力，根据装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。
主轴伺服驱动方案选择交流变频调速方案。由于将直流电逆变成交流电的环节可操控性较强，且在频率的调节范围以及改善变频后，电动机的特性在各个方面都具有明显的优势。因此，在机床主轴驱动中，交流电动机凭借绝对优势成为开放式数控系统的主要选择。
伺服进给和主轴驱动是决定数控机床技术的性能和加工精度的主要因素。因此，数控机床对进给伺服电机、伺服系统的位置和速度控制以及机械传动等方面都有很高的要求。为满足数控加工精度的要求，伺服系统应具有优良的静态与动态负载特性。这样，即便在伺服系统的负载或切削条件发生变化时，仍能保持恒定的进给速度。在加工过程中，机床工作台在随机状态下，要能够根据加工轨迹的要求，随时实现正向或反向运动。在方向发生改变时，也不可以出现反向间隙和运动损失。另外，在不同的加工条件下，如，加工零件的材质、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等不同，数控机床的进给速度应在很宽的范围内实现无级变化。
3数控机床控制系统性价比分析
经济型数控机床的数控系统采用单片机为核心控制器，伺服进给系统采用步进电机构成开环系统，显示采用数码管，结构简单，操作方便，成本低，但控制精度不高、功能不强，主要用于线切割机床或旧机床的改造。
中、高档数控机床的数控系统采用pLC、工控机等为核心控制器，伺服进给系统采用半闭环的交流伺服系统，联动轴数3～5轴，显示采用彩色CRt或液晶显示器，具有三维图形显示、图形编程、人机对话及自诊断的功能，同时还具有RS232或直接数控接口，加工精度较高，应用范围广泛。
在开放式体系结构中，数控系统的硬件、软件和总线规范都呈现出开放式状态，为数控制造商和用户进行系统集成时提供了丰富的软、硬件资源，也为用户对数控机床进行二次开发创造了一定条件，推动了数控系统多档次、多品种的开发和更为广泛地应用，开发周期大大缩短。
采用nC嵌入pC型开放式结构和全数字伺服交流系统的数控机床控制系统，具有较好的通用性、柔性、适应性、扩展性，虽然硬件系统成本略高，但由于系统是开放的，修改软件就可以应用于不同功能要求的系统，节省开发资源和人力，因而性能价格比较高。
参考文献
数控机床的设计篇3
【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.
数控机床的设计篇4
1.pLC发展历程
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。pLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。在可预见的将来，pLC在工业自动化控制特别是顺序控制中将占据主导地位。
2.pLC的总体外部接线设计
本系统的辅助电气控制系统的系统有两个输入，两个报警输出；冷却系统也有两个输入，两个报警输出；照明和信号灯系统有一个输入，四个输出。
3.与冷却控制系统设计
机床和冷却系统的较好设计，是非常重要的。对于各种机械设施的保养、维修、使用都有着十分重要的作用。但是在与冷却系统的电气控制方面，依然存在一些问题：一是和冷却系统的工作状态监控，这方面也是很重要的；二是设置的与冷却的循环和补给容易造成浪费，所以我们要较好地设计，这样才能达到节约资源，不浪费的目的，一方面为自己的企业，另一方面也为了国家的能源。与冷却系统的电气控制原理分为两部分：电机控制和pLC控制。当系统准备好之后，计算机数字控制（CnC）系统发出信号，使得系统开始工作，首次15s后，电机停止工作。当压力开关接通时，开始计时25min，计时完成后，压力开关断开，冷却电机在此工作15s，并循环工作。同时设定X7为电机过载，X10为冷却电机过载，X9为油不足，X11为冷却液不足开关信号。当这些信号有效时则系统会发出报警信号。工作过程可以这样描述：首先通过两个相互作用的时间继电器t，实现冷却的工作时的间隙工作；再使用pLC准备好信号，使特殊继电器m8001为1，开始首次冷却；首次冷却结束后，当压力开关闭合时，中间继电器m1开始工作，使得系统再次工作；15s后使得时间继电器t2为1，当压力开关断开时，中间继电器t3为1，m1停止工作，延时25min后，再次运转。由此完成系统的周期动作。然后再通过X7，X8，X10，X11实现冷却系统的报警和手动控制。
4.照明与信号灯系统设计
数控机床要求照明系统在开机的时候立即打开，并且在控制柜里面的照明系统是在打开控制柜的时候开启，关上电柜箱门的时候关闭。而信号指示灯主要是开机时亮黄灯（表示系统准备好），系统紧急停止，或者报警的时候亮红灯，而系统正常运行的时候是亮绿灯。
5.总结
数控机床的设计篇5
机床外观造型必须要结合机床的功能:在工业产品设计方面,特别是数控机床产品,结合功能是十分重要的一个方面。要知道,机床零件的用途决定它的形态,并且将机床整件或者局部的功能给有效的体现出来。机床产品在设计造型的时候,需要遵循基本的外观要求,如果要将一个特殊的结构加入进去,就需要及时的改变外观。一般情况下,如果外观是将功能表达出来,那么就有着比较长的生命周期;如果外观只是要表现风格,那么通常只有较短的生命周期。如果没有对产品的外形进行特殊的要求,那么只需要将最单纯的外观应用到功能设计上即可。数控机床造型设计要充分的适应环境:目前,在机床外观设计方面,很少有独立存在的,大多都是由一些环境因素在进行辅助。设计师首先需要考虑的问题就是有效的处理零件之间的内部联系,密切的配合环境等等。要知道,人们视觉环境中十分重要的一个部分就是机床工业产品,需要依据相应的要求来决定外观显示的清晰程度。在机床产品的设计方面,除了操作控制部分,一般都是将一些不鲜明的色彩和外观应用到其他部分。通过研究表明,十分鲜艳的产品外观,很容易让人产生厌烦的感觉;但是,也有一些时候是例外的,如果场合对视觉有着特殊的要求,那么就需要使用比较鲜明的色彩,比如在一些机床展览会上,产品既要在满足基本功能需求的基础上,还要将感染力充分的体现出来。
美国的机床产品就有着十分独特夸张的外观造型和颜色,采用的色彩有着比较高的明度和纯度,并且经常运用曲线,这样可以紧密的连接到商业利益,非常适合展销。数控机床造型设计要将安全因素充分的纳入考虑的范围:在机床工业设计中,需要将安全结构的塑造作为一个重点,认真的进行研究和推敲。在设计的时候,需要充分的考虑使用者对机器用途的熟悉和掌握的难易程度,这样可以有效的避免发生一些事故。比如,为了避免对操作者造成伤害,机床工作台的形状往往是十分平滑的。此外,在产品设计中,还尽量需要添加一些外观保护,比如机床上设计的防护罩,控制操作板以及急停装置等等。为了使机床产品结构达到简练和安全的目的,就需要做好形状与平衡的外观设计工作。数控机床外观设计的自我检验:要想保证外观设计的质量,就需要采用自我检查的形式来对各个程序中的质量进行检验,从而在机床造型设计中对各个因素进行全面综合的考虑。
人体工程学的相关要求会对三维空间设计产生一定程度的制约作用,所服务的机器则决定着适应的程度。简单的机器外观,就有着很小的控制范围;在这种情况下,外观也可以变得很美,只需要合理的设置色彩即可。数控机床的外观会在很大程度上受到产品设计用材的影响,如果选用的是不当的材料,那么就会对产品最终外观的质量产生极大的影响。如果外观设计的很好,但是机床板焊件的强度和平整度达不到要求,那么只是无用功而已。
在对工业外观造型设计的时候,需要坚持以人为本的设计理念,创造美的产品外观,让人类工作和生活的环境变得更加的舒适和美好,从而适应时展和市场经济的需求;工业设计的发展走向,就是要遵循人性化和外化多元化的相关要求,工业设计师要紧跟时展的潮流,不断的更新设计观念,设计出更好的作品。本文简要分析了工业设计理论在数控机床外观造型设计中的实践,希望可以提供一些有价值的参考意见。
作者：颜啸单位：中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限公司
数控机床的设计篇6
关键词：无线手轮；无线射频；nRF24L01；数控机床
中图分类号：tn911.7?34文献标识码：a文章编号：1004?373X（2013）07?0163?03
手轮，即手摇脉冲发生器。在数控系统中，刀具微动、工件对刀、工作台的随动、机床原点的修正等这些功能通常是通过手作来实现的[1]。手轮主要由光电编码器、坐标轴选择开关和增量倍率选择开关组成，用于手摇方式控制数控机床相应坐标轴的移动。但传统的有线手轮的连接线的接头处容易断裂，使用时间长了容易出现连接不可靠的问题，同时因为受到连接线的影响，用户无法围绕机床自由移动。如今无线通信技术越来越成熟，无线产品也越来越多，由此可见，可以基于无线技术研发一种新型无线手轮来改善现有手轮的性能。本次设计了一种基于工业级内置硬件链路层协议的低成本无线芯片nRF24L01的无线手轮。手轮使用无线传输后，杜绝了连线断裂的问题，能提高手轮的使用寿命。摆脱有线连接的束缚，使用者可以移动自由，操作方便，能提高工作效率。
1设计原理
本次设计的无线手轮，由手持发射端和机床接收端两部分构成，工作原理如图1所示。发射端由单片机控制器采集手轮产生的差分信号和按键产生的控制信号，经过编码后通过无线方式发送出去。接收端则由单片机控制nRF24L01接收由手持发送端发过来的信号。经过解码后还原成差分脉冲信号和按键控制信号并输出用于控制机床移动。
原理框图
2硬件设计
2.1控制信号的采集
信号的采集由atmel公司的atmega16单片机来完成。atmega16单片机采用Harvard结构，内置wDt，具有高速、低功耗，可直接驱动LeD、SSR或继电器等特点[2]，具有很高的性价比，故选用该单片机。发送端需要采集的信号有4路差分脉冲信号和按键控制信号。当手轮上的光电编码器转动时，将会产生4路脉冲信号（a+，a-，B+，B-），其中a+和a-、B+和B-分别是极性相反两路信号。在手持端，使用四重差分线接收器am26C32将这四路脉冲信号转变成两路差分脉冲信号（a，B），从而方便mCU对信号进行处理。脉冲a和脉冲B不仅能反映光电编码器转动的格数，同时还能反映光电编码器转动的方向[3]。当光电编码器正转时，a相超前B相90°，反转时，B相超前a相90°。图2给出正转时脉冲a、B的波形图。
正转时差分脉冲波形图
2.2nRF24L01无线收发
无线收发部分的核心芯片采用nRF24L01芯片。nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用iSm频段的单片无线收发器芯片。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过Spi接口进行设置。具有极低的电流消耗。该芯片支持多点间通信，最高传输速率达2mb/s。该器件采用GFSK调制，128个频点可供选择，片内自己生成报头和CRC校验码，具有出错自动重发功能[4]。这些特性使得由nRF24L01构建的无线设备具有成本低、速率高、传输可靠等优点。由于nRF24L01工作在2.4GHz这个国际规定的免费频段，不需要向国际相关组织缴纳任何费用，这就为2.4GHz技术可发展性提供了有利条件[5]。
nRF24L01支持多点间通信，最高传输速率达2mb/s。嵌入的链路层控制减少了mCU的复杂性和成本，并且提高了数据传输的可靠性，它采用SoC方法设计只需要少量的元件便可组成射频收发[6]。nRF24L01及电路原理图如图3所示。
nRF24L01及电路
通过Spi接口，mCU可以很方便地控制nRF24L01无线模块。Spi接口是一种同步串行通信接口，CSn是芯片选择管脚，当该管脚为低电平时，Spi接口可以通信，反之不能通信。moSi和miSo为数据传输管脚，moSi用于数据输入，miSo用于数据输出。SCK为同步时钟，在时钟的上升沿或下降沿数字数据被写入或读出[7?8]。atmega16内部有一个可工作于主机/从机模式的硬件Spi串行接口[9]，但由于atmega16的工作电压为5V，而nRF24L01的工作电压为1.9～3.6V，因此atmega16的Spi接口与nRF24L01的Spi接口间应串接一个2kΩ左右的限流电阻，以免烧毁芯片。
2.3控制信号的还原
机床接收端收到由手持端发送过来的信号后，需要将其还原成相应的控制信号。接收到的两路差分脉冲信号只需要经过差分信号输出器am26C31便可还原成4路脉冲信号。而坐标轴选择信号和增量倍率选择信号的逻辑高电平为24V，因此需要将控制信号的电平进行转换，本次设计中通过光耦来实现。为了增强驱动能力，将控制信号经过大功率达林顿管后再输出。该部分电路原理图如图4所示。
控制信号电平转换电路
3软件设计
3.1手持发送端软件设计
发送端控制器完成初始化后，把nRF24L01配置成ptX工作模式。然后不断检测按键是否按下，若有按键按下，则执行相应的操作。同时启动定时器，每隔一段时间读取一次差分信号状态并向机床接收端发送一次数据，将手持端的状态发送给接收端。发送端软件流程图如图5所示。
手持发送端软件流程图
nRF24L01的数据传输模式有ShockBurst和enhancedShockBurst两种数据包。后者比前者多了一个确认数据传输的信号，保证数据传输的可靠性。现按后一种模式初始化，nRF24L01发送数据包后，自动切换到接收模式以接收返回的确认信号，当收到确认信号后，iRQ引脚产生中断信号，如果没收到返回信号，则自动重新发送，如果重新发送的次数超过在设定值时，也会在iRQ引脚产生中断信号，mCU通过查询StatUS寄存器的值，即可判断是发送完成中断，还是重发次数超限中断。
3.2机床接收端软件设计
机床接收端软件流程图如图6所示。接收端控制器完成初始化后，把nRF24L01配置成pRX工作模式。接收到数据包后，由硬件解析地址数据和信息数据，当接收到有效信息数据后，在iRQ引脚产生中断通知处理器读取数据[10]。控制器首先核对数据中识别码部分是否有效，若有效则将控制信号还原。否则，丢弃该数据包。
机床接收端软件流程图
4设备对码
由于2.4GHz频段没有使用授权限制，目前家用电器、手机、无线网络都集中在此频段，干扰问题难以避免。为了避开干扰，采用了设备对码技术。在发送端和接收端同时按下对码键后，发送端随机生成一个8位的识别码发送给接收端，机床接收端收到后发送确认对码成功信号给手持发送端，并将该识别码保存在e2pRom中。在正常工作状态下，发送端在发送数据时将识别码作为数据的一部分，一起发送。接收端在接收到信号时核对识别码，若相同则进行相应处理，否则不作出响应。这样做可以在很大程度上减少干扰。
5结语
本文介绍了基于nRF24L01的数控机床无线手轮的硬软件设计要点。由于考虑到工控场合的特殊性，在设计时着重考虑了系统的稳定性。本次设计的无线手轮在其正常工作距离内能够稳定的将手持端产生的差分脉冲信号和按键控制信号发送给接收端，从而正常控制机床的移动。在信号传输不稳定时也不会造成机床误操作。手轮的最大工作距离主要取决于天线在选择。经测试，使用pCB板载天线，空旷直线传播距离在15m左右，而在有障碍物的环境下，其传输距离也可达5～10m。如果使用功放和外置天线，传输距离可达几百米。
参考文献
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数控机床的设计篇7
关键词:数控机床；可靠性技术；设计；应用；
中图分类号：S611文献标识码：a
前言
目前，数控机床可靠性技术能够体现机械制造业的发展水平，也在一定程度上反映国家的现代化水平。尤其是随着我国现代制造业技术的快速发展，数控机床在现代工业中的应用也越来越广泛，因而数控机床可靠性技术在现代工业中的作用也更加明显。自上个世纪后期以来，我国加强了对数控机床可靠性技术的基础性研究工作，进而使我国的数控技术取得了较大的发展。但是，随着国外大量的数控设备进入到我国市场，我国国内的数控机床市场受到很大的冲击。因此，为了与国外的数控设备进行竞争，有必要提高数控机床可靠性技术的设计。
一、可靠性指标
可靠性是指在一定的条件和时间内，完成某些任务的能力。数控机床的可靠性是指数控机床能够在一定是时间和条件下完成机械制造的能力。但是，数控机床的可靠性不能通过单一的指标进行衡量，因而衡量数控机床的可靠性一般很难。目前，数控机床的可靠性都是采用定量的数据来表示。因此，在设计数控机床的可靠性时，需要采取很多方法对数控机床的可靠性进行估计，当数控机床应用于某种机械设备的制造后，还需要对制造出来的机械设备进行可靠性检验。
二、可靠性分析
2.1应力分析
一般情况下，数控机床的零件在运行的过程中所承受的载力主要包括非正常载荷和工作载荷两种。其中，非正常载荷是由于数控机床设计人员设计的不当或者是由于数控机床制造人员不到位而造成的，而工资载荷是数控机床正常运行所必须的。因此，需要通过数控机床的结构设计尽量减少数控机床的非正常载荷，以达到应力分析的目的。
2.2故障树分析
故障树是一种描述设备故障因果关系的一种方法，也是数控机床可靠性分析的常用方法之一。但是，数控机床在运行的过程中出现故障是很常见的现象，因而采取故障树分析数控机床潜在的故障显得至关重要。同时，由于故障树方法分析数控机床存在的故障还具有简单和形象的优点，因而故障树分析受到了广泛的应用。
2.3故障模式影响与危害性分析
故障模式影响与危害性分析是对数控机床故障影响分析和危害性分析的综合，其目的是为了分析数控机床存在的故障和解决故障。但是，这种分析数控机床故障的技术是对数控机床的各个组成部分存在的故障进行逐一分析，进而对数控机床设计中存在的故障环节进行全面改进，为数控机床的可靠性设计提供有效的信息。因此，加强对数控机床的故障模式影响与危害性分析显得很关键。
三、可靠性设计
3.1可靠性预计
数控机床的可靠性预计一般是根据人们对数控机床的故障数据、技术水平和零部件的可靠性等进行预计，从而预计数控机床实际的可靠性程度。为了进一步提高数控机床的可靠性，首先应该对数控机床进行可靠性预计，最后根据对数控机床可靠性预计的结果改进数控机床原有的设计方案。因此，对数控机床的可靠性进行预计是提高其可靠性的重要环节。
3.2可靠性分配
数控机床是指将数控机床的可靠性指标按照一定的原则分配到不同的组成部分，从而使得数控机床的设计要求能够到达其可靠性需要。通过对数控机床进行可靠性分配，进一步提高数控机床可靠性设计方案，尤其是对数控机床中不满足可靠性要求的零部件进行分析和分配，以提高数控机床的可靠性。
四、数控机床可靠性试验技术
目前，数控机床的可靠性试验技术一般包括可靠性设计和应用两个方面。由于数控机床的可靠性试验是确保数控机床使用性能的重要手段，通过对数控机床的可靠性试验，才能进一步了解数控机床的可靠性指标。同时，数控机床可靠性试验是对数控机床进行分析和评价的重要方面。这也是对数控机床可靠性设计过程中各个环节的可靠性进行分析，从而提高数控机床的可靠性。因此，数控机床可靠性试验技术是提高其可靠性的重要环节，因而加强对数控机床的可靠性试验显得很关键。
五、总结
总而言之，数控机床的可靠性技术的设计已经发展成为一个合理的理论和方法，因而数控机床的可靠性不能离开其可靠性技术的设计。只有通过对数控机床的可靠性进行分析，才能有效地提高数控机床的可靠性。同时，数控机床设计企业应该从数控机床的设计选型、零部件设计和故障数据分析等多个方面进行分析和研究，并及时对数控机床的可靠性进行改进，从而提高数控机床的整体性能。因此，现阶段研究数控机床可靠性技术的设计和应用具有非常重大的现实意义。
参考文献
[1]杨兆军，陈传海，陈菲.数控机床可靠性技术的研究进展[J].机械工程学报，2013，49（20）：130-138.
数控机床的设计篇8
【关键词】数控机床自动换到pLC控制
1换刀工作过程
在现有数控刀架装置中机床已经广泛使用的刀架形式主要有装有加工轴类零件时所使用的有四把刀具的四方刀架装置和加工盘类零件时所使用的装有六把刀具的六角刀架。而不论采用的是那种刀架，都要求其回转刀架能够保证良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力；同时也要保证回转刀架在每次转位过程中能够保证重复定位的精度。不论使用哪种回转刀架，换刀动作一般都由4个步骤完成：
1.1换刀准备
当数控指令发出换刀指令后，主轴准停并退至换刀点，实现定位功能，准备换刀。
1.2刀架转位
当刀架抬起后，pLC发信号至电机控制器，驱动电机转位，并由限位开关控制。
1.3刀架压紧
刀架转位之后，刀库停止转动，pLC发信号至机械手开始取刀并压紧。
1.4刀架复位
刀架压紧之后，定位开关发信号至pLC，表明换刀过程结束。
2pLC自动换刀控制装置设计
对于pLC自动换刀控制装置来说，其控制的重点与难点是处理好t指令，即能够正确接受来自数控系统的换刀t指令，并将接收的指令与当前所在的刀位与t指令进行比较当此时刀具编号与指令号不一致时则开始进行换刀操作，当此时刀具编号与指令号一致时则不执行换刀操作，并直接向系统发送换刀结束信号，具体pLC控制系统的i/o地址分配及换刀流程图分别见表1和图2.
基于pLC的自动换刀装置将充分发挥现有数控设备潜力，节约人工换刀过程中所需要的工作时间，提高设备的生产效率与利用水平，同时能够实现一次装夹完成多道工序，大大缩短生产准备时间。今后结合通信技术与计算机网络技术可实现对设备的远程联网操作，实现一人多机的控制方案。
参考文献
[1]李佳.数控机床及应用[m].北京：清华大学出版社，2002.
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[4]罗宇航.流行pLC实用程序及设计（西门子S7-200系列）.[m].西安：西安电子科技大学出版社，2006.
作者简介
张雪琴（1975-），女，新疆克拉玛依市人。克拉玛依职业技术学院电子电气工程系，硕士，讲师，主要从事生产过程自动化、通讯方面研究。
数控机床的设计篇9
【关键词】数控机床铣削细长工件夹具
1实用数控铣床专用夹具设计的必要性分析
随着数控设备的发展，这种技术与时俱进，不管是加工的精度还是在装夹定位上都越来越优异。一般情况下，要进行工件装夹定位需要一定的时间，对相应的位置进行调校。如果施工过程中，定位工作没有很好的完成，将会使得整个加工难以进行下去，情况严重的，还会使得工件出现报废。如果加工的方式是批量加工，这种问题将会更加严重。在机械制造工业当中，如果要使得产品质量提升，同时还能够不断增加劳动生产率，除了要保证机床等设备运行良好之外，还应配合使用各种不同的工艺设备，比如夹具、模具等，此时需要运用数控机床，对夹具进行加工。
在实际生产过程中，要对专用夹具的使用灵活掌握，才能够将具体难题予以解决。同时还应当保证零件工艺上的进步，以及质量上的要求，此外，还应当不断提高工作中效率，能够最大程度上减少生产时间。在本文中介绍的铣削加工则不太需要较为复杂的夹具，只要能够完成定位和夹紧工作就行。如下图一所示。
为选用玻璃架的相关支架团图案，选用玻璃架的材料是铝合金。所选取的数量有3000件，在该工序当中，主要任务集中于数控铣床，在其上进行钻孔。此工件结构较为简单，但是在实际加工过程中工件比较长，假如知识利用普通工具进行装夹，在加工过程中，则会使得x轴方向发生超程现象。同时由于在批量加工过程中，一次装夹只能一条，使得效率十分低。为应付这种情况，应当使用专用的夹具。在装夹过程中，会遇到各种问题。所以在设计机床夹具时，需要按照零件的形状进行设计，同时还要对夹具进行合理设计，使得生产出的零件嫩巩固满足质量和技术要求，节省成本，为企业经营带来可观的经济利益，也为以后的技术发展提供借鉴。
以上工件设计的要求，需要使用专用夹具。选用夹具时，一般情况下，需要对产品的批量、效率以及质量等予以考虑。设计专用夹具时，可以根据产品的多少采用专用夹具，在选用时，应当本着简单为上的原则，只要能够达到迅速定位的目的即可。当然在此基础上，应当尽量满足生产率以及操作时间。并且要使得夹紧机构元件和加工面之间保持有一定的距离。但是若夹紧机构元件在设计过程中并未按照能低则低的原则进行设计，则会使得夹具与铣床主轴套筒等发生碰撞。本文所研究的夹具中，主要任务是在数铣床钻通孔与方槽以及沉孔，通孔为6mm、方槽为12mm、沉孔为14mm。碍于工件较长的原因，长度尺寸定位1330mm，宽为33mm，厚为14mm。在实践当中，应当构造出一种能够细长件铣削夹具，该种夹具能够以槽和定位销定位，不仅能够达到工件夹紧定位的目的，同时还能够提高工作效率，使得工件较长的问题得到解决。同时在设计过程中，还要考虑加工过程中，因夹紧点的频繁更换，而导致定位精度的变化。
2细长件铣削夹具结构组成和定位原理
2.1细长件铣削夹具组成
由图二所示为细长件铣削夹具的夹具体、压板以及六角螺栓。每次使用夹具体时，可以一次性放入4个工件。这种工艺的制作流程较为简单，经历的周期也比较短，同时需要的成本也较低。只需要在工件中安排有四个方槽、三个螺栓槽，同时在夹具两端分别加工生成四个销孔。制作过程中，所采用的材料类型为45号钢。
2.2细长件铣削夹具工件定位原理
夹具体中较为明显的特征为有四条方槽，而在槽的两端则分别设有四个销孔。销孔已经加工好，并且同时位处工件的两端与中间。在装夹的过程中，夹具体的槽中可以安装工件。对槽侧面可以对y轴进行限制，然后通过销孔对工件x轴自由度进行定位。再通过紧固螺旋的方式将夹具体、压板以及长条形工件进行压实，其目的在于使得z轴不能够随便移动。如图三所示。
3细长工件铣削夹具的夹紧方式
工件在加工过程中，如果铣削力不当，会使得工件变形。为了应付这种情况，可以加工方槽和沉孔。通过以上方式能够实现定位，使得整个装夹工作变得十分轻松可靠。
在加工的过程中，应当处理好工件的超程问题。在加工过程中，可以通过分段加工的方式进行，在分段加工的基础之上，可以先采用夹具进行装夹，待到过程完成之后，从定位销中的退出。当螺栓被松开，将没有进行加工的那一段挪过来，加上定位销。将螺栓拧紧，再开始加工。此时，工件太长的问题便迎刃而解。
而从材料力学的理论来看，物件受力总会产生变形，作用力f与其作用下产生的变形量y称为物体刚度。从另一个角度来说，物体的刚度便是使得工件变形的力。如下公式：
y=（fyl2）＼（48ei）
从该公式中可以看出，工件的变形位移则意味着工件的加工尺寸将受到影响，变形尺寸越大，变动越大。因此，在加工过程中，控制切削的径向进给量十分重要。
4加工工件安装程序
首先，在夹具的长槽中将工件安装，对定位销进行安装，将压板对夹具压好，对螺栓进行拧紧。其次，在对数控机床进行操作过程中，要对数控程序进行编制，然后进行挖槽，然后钻孔工作正常进行。最后，上述步骤完成之后，将螺栓松开，将定位销退出来，选择工件没有加工的一端，在特定的位置进行安装。将螺栓拧紧之后，再将上述程序重复进行。将夹具进行加工后，通过实践，能够达到很好的效果，使得加工效率不断提高。加工时，不管是槽的精度还是孔的精度，能够达到技术要求，而钻孔的误差也比较小，得到了很多客户的欢迎。
5效果评价
生产过程中，可以应用这种夹具，使得整个加工精度能够得到保证。同时能够在很大程度上对装夹的速度得以提高，使得生产效率能够提高。此时，将夹具改进之前和改进之后的效果变化进行对比，选取的零件有3000个。可以表现为以下几个方面，第一，按照以前的加工方法，一次只能装夹一件，而一天只能生产七八件工件；加工工件比较长，容易出现超程问题，此时需要重新拆装才能够完成该工件；加工的比较长，以3000个工件为例，则需要加工十个月以上。第二，改进之后的夹具，装夹工件一次性可以达到4个，达到生产总数达到40件；加工过程可以分段进行。工件通过较快的速度进行定位，这种定位方法能够使得超长工件的超程问题得以解决。
6结语
在生产实践过程中，批量加工这种情况也更为突出。处理批量生产零件时，由于零件的形状不同，在装夹过程中，会遇到各种问题。所以在设计机床夹具时，需要按照零件的形状进行设计，同时还要对夹具进行合理设计，使得生产出的零件嫩巩固满足质量和技术要求，使得生产成本能够不断降低。
参考文献：
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数控机床的设计篇10
关键词：三维软件；数控机床；方案设计；应力分析
中图文分类号：tp39文献标识码：a
随着计算机的不断发展，三维软件的应用也越来越普及，目前，三维软件的使用已经贯穿于数控机床的设计与制造的始终，具体体现在利用三维软件进行方案设计、零件与部件的绘制、模拟装配、加工仿真、运动仿真、动画演示、应力分析、逆向工程。数控机床的设计与制造业常用的三维软件有pro/engineer、Catia、Solidworks、UG、CaXa等，各类软件虽然存在着一定的差异，但都能达到数控机床辅助设计与制造的目的。三维软件的应用为加强企业的竞争实力提供了有力的帮助。
1利用三维软件进行数控机床的方案设计
数控机床的生产制造企业根据客户的要求进行方案设计，传统的方案设计方法采用的是平面绘图的方法，即设计人员根据客户对数控机床加工功能及加工精度进行设计，满足要求的方案不止一种，在利用平面图形与客户沟通时真实感较差，会使设计者与客户的沟通存在一定的困难。采用三维软件设计方案则比较直观、快捷、易修改，且具有可视化。可以预见及避免因设计者设计时考虑不周而出现的问题。此外，能够使方案设计得更加具体化、形象化。
2根据设计方案细画零件并进行模拟装配
以机械设计手册为依据，利用传统的机械设计方法确定零件的尺寸后，在三维软件绘图环境中绘制零件的立体图形，根据零件间的相对位置与尺寸关系进行模拟装配，利用三维软件进行设计能够较直观的看到整机的三维效果，能够检测各零件之间在设计时所产生的干涉问题，设计者据此进行改进，利用三维软件还可以对数控机床的运动进行模拟，这样能够减少设计时的失误，降低试制的成本。用三维软件对零件进行的模拟装配如出现问题可以及时的对零件进行修正，直接修改草图即可，而如果是采用二维绘图必须得同时更改三个视图。用三维软件绘制的三维零件图形可以直接生成工程图，并保存成二维图形文件的扩展名，二维软件绘制的二维图形也可以作为三维绘图中的草图，因此三维软件可以与二维设计软件进行交互使用。
3对零件进行仿真加工节省时间降低加工成本
数控仿真是应用计算机技术为数控加工操作过程进行模拟仿真的技术，在三维软件中选择毛坯、刀具、切削参数，确定走刀路线，通过生成的刀具路径可以直观地看到零件加工的动态过程。而且能够进行后置处理，自动生成数控加工程序，通过适当修改后的程序可以进行数控加工。这就节省了编制数控加工程序的时间，而且也能减小加工出现的危险性。
4三维软件应用于数控机床零件的应力分析
4.1利用三维软件进行应力分析的可行性依据
数控机床设计时首先要考虑结构是否合理，能不能满足功能要求，其次是要对零件进行受力分析，使产品设计的更为合理，传统的分析方法采用的是根据计算公式手工进行计算的方法，手工计算应力虽然准确，但需要很长的时间，费时费力，居于这种情况，三维软件应运而生，经过验证得出结论，利用三维软件计算的结果与用手工计算的结果基本上是一致的。所以，当前三维软件已经完全取代了手工分析应力。
4.2利用三维软件进行应力分析的必要性与使用价值
现代数控机床设计时所采用的最普遍的方法就是类比法，根据客户提出的切削用量确定机床的技术参数，数控机床的本体结构基本相似，只是附加的功能会有细微的差别，采用类比法设计的数控机床虽然说设计周期短，但成本会有所增加，因为在机械结构件的设计过程中会为了保险而增大支撑部件的壁厚，假如同类产品的立柱壁厚为20mm，如采用类比法时壁厚就有可能设计为25mm或者更厚，这种设计方法虽然能够保证立柱的强度，但也增加了立柱本身的重量，从而增加了生产成本。如果能够对数控机床的大型结构件进行应力分析，就会得到较为合理的壁厚，在没有延长生产周期的前提下，为数控机床的生产厂家节约了制造成本。
5逆向工程中三维软件的应用
数控机床的常规设计过程，是设计人员根据经验首先构思产品的形状、相关性能和大致的技术参数，确定设计方案，并进行三维绘图与模拟装配，再利用三维软件生成工程图进行投产，这个过程是研发的正向设计过程。逆向工程则是先有产品，后进行反向推出产品的设计数据的过程，即在产品上扫描多个点转到三维软件中，根据这些点进行绘制产品的立体图形。这一技术也被广泛的应用于汽车与船舶的制造行业中。
6三维软件在数控机床装配中应用的探究
目前，数控机床的制造企业中的装配工人仍然使用二维的平面装配图纸进行装配，对工人的技术水平要求相对较高，必须读懂三视图，如因一时疏忽很可能造成装配失误，如果工人能够直接用三维图形进行装配，那就会取得事半功倍的效果，随着机械制造业的设计制造水平的不断提高，数控机床的装配方法也会不断更新，希望无纸化的设计与制造工艺能够极早得到应用。
结语
数控机床的设计与制造中，三维设计取代了人工的设计与制造，采用三维软件可以缩短新产品的设计研发周期，有利于产品的改型，能够提高产品的质量，不断提高设计人员的工作效率，同时也降低了生产成本，增强产品的市场竞争力。三维软件在数控机床及至机械制造业中的应用还有待于不断的探索。
参考文献
[1]刘彤晏，刘文华.nVentoR.软件在机床方案设计中的应用[J].组合机床与自动化加工技术，2005（9）.