經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

孫玉生

摘 要：數(shù)控車床在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，是目前國(guó)內(nèi)使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機(jī)床，其特點(diǎn)及應(yīng)用范圍隨著科技的發(fā)展也在不斷地增長(zhǎng)擴(kuò)大。通過對(duì)經(jīng)濟(jì)型CK6140數(shù)控車床刀架的分析，由于該數(shù)控車床只能對(duì)零件進(jìn)行內(nèi)外圓柱、圓錐、螺紋、孔的車削，而無法實(shí)現(xiàn)軸上平面和槽的加工，然后應(yīng)用TRIZ理論中的技術(shù)沖突矩陣來進(jìn)行創(chuàng)新，通過沖突矩陣的39個(gè)工程參數(shù)和40個(gè)發(fā)明原理的分析，證實(shí)并得出了一個(gè)帶有銑削功能的數(shù)控車床，通過獨(dú)立電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)動(dòng)力銑頭來進(jìn)行銑削加工，加工原理是讓主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)即零件靜止不動(dòng)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)銑刀進(jìn)行旋轉(zhuǎn)進(jìn)給銑削，從而實(shí)現(xiàn)軸上平面或槽的加工。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；TRIZ理論

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.040

1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床

數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，制造成本低并且技術(shù)容易掌握，通過用微機(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來執(zhí)行本身的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)是由進(jìn)給傳動(dòng)鏈最短出發(fā)，讓步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出端配置減速器并與進(jìn)給系統(tǒng)的絲杠連接，來實(shí)現(xiàn)X、Z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；采用可控電動(dòng)尾座來實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的頂尖頂緊工作；安裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，通過數(shù)控系統(tǒng)傳遞信號(hào)來實(shí)現(xiàn)刀具的旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給加工；并采用開環(huán)控制系統(tǒng)，加工精度由執(zhí)行元件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度來保證，雖然這種數(shù)控車床的定位精度較低，但是該數(shù)控車床的投資少，安裝調(diào)試方便，適用于精度要求不高的零件加工，也是目前機(jī)械制造業(yè)應(yīng)用最普遍的一種。

2 沖突分析

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床采用的是螺旋轉(zhuǎn)位刀架，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)，我們了解到，對(duì)于內(nèi)孔的加工，只能借住車床尾座通過手動(dòng)操作來打中心孔和鉆孔從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔的加工，還有就是這種類型的刀架只能加工出內(nèi)外圓柱、圓錐、螺紋、孔等，而達(dá)不到在零件側(cè)面進(jìn)行平面、腔的加工，在這里應(yīng)用TRIZ理論來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型CK6140數(shù)控車床的刀架的創(chuàng)新。

工程沖突包括技術(shù)、物理和數(shù)學(xué)這三種沖突，它的主要內(nèi)容也是TRIZ研究的內(nèi)容。物理沖突就是為了實(shí)現(xiàn)某種功能而表現(xiàn)出一個(gè)子系統(tǒng)或元件有一種特性，并且出現(xiàn)與此特性相反的特性。情況分析如下：當(dāng)一個(gè)子系統(tǒng)的有用功增強(qiáng)時(shí)也使其系統(tǒng)的有害功增強(qiáng)；當(dāng)一個(gè)子系統(tǒng)的有害功降低也會(huì)使其有害功降低。

3 利用TRIZ理論解決沖突

應(yīng)用技術(shù)沖突解決的原理又稱發(fā)明原理，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，TRIZ團(tuán)體通過對(duì)250萬專利的精心研究，總結(jié)出了39條工程參數(shù)，所有的沖突問題都可以在工程參數(shù)表中查到，同時(shí)又提出了解決技術(shù)沖突的40條發(fā)明原理。

經(jīng)濟(jì)型CK6140數(shù)控車床刀架改造技術(shù)沖突：數(shù)控車床實(shí)現(xiàn)零件軸上平面、腔的加工，若采用車銑復(fù)合裝置的轉(zhuǎn)塔刀架和機(jī)械手，提高了加工效率，但是制造成本較高，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較麻煩，不易于制造和維修。

從39個(gè)工程參數(shù)中選擇技術(shù)沖突的一對(duì)特征參數(shù)，由此確定標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)如下：1）希望改進(jìn)的特征：速度、生產(chǎn)率；2）惡化的特征：可制造性、可維修性；3）從沖突矩陣表中可查出發(fā)明原理。

4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

主要設(shè)計(jì)是在刀架上加上一個(gè)動(dòng)力銑頭，動(dòng)力銑頭的主軸軸線與數(shù)控車床中心線相垂直，動(dòng)力銑頭由單獨(dú)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。若孔或腔的加工在同一母線上，可以把主軸電機(jī)上加個(gè)剎車即可實(shí)現(xiàn)。其螺旋轉(zhuǎn)位四工位刀架需要改，選用中拖板絲杠的行程，而所選用的動(dòng)力銑頭要盡量靠近中拖板的后端，使得銑頭和刀架之間的距離最大化。

經(jīng)過創(chuàng)新之后經(jīng)濟(jì)型CK6140數(shù)控車床在進(jìn)行車削的加工同時(shí)，可以通過Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)動(dòng)力銑頭進(jìn)行銑削加工，實(shí)現(xiàn)軸上平面和槽的加工。具體的設(shè)計(jì)是把M33（車削）和M34（銑削）指令加入到PLC控制程序中，當(dāng)數(shù)控車床開機(jī)時(shí)默認(rèn)為車削加工狀態(tài)，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)內(nèi)取消對(duì)Y軸電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控和銑頭電動(dòng)機(jī)的控制指令輸出，對(duì)外輸出信號(hào)切斷Y軸電動(dòng)機(jī)的強(qiáng)電，這時(shí)只有X軸、Z軸參與聯(lián)動(dòng)工作。當(dāng)需要對(duì)零件進(jìn)行銑削加工時(shí)，只需在加工程序的編程中輸入M34指令，就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)內(nèi)恢復(fù)對(duì)Y軸電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控和銑頭電動(dòng)機(jī)的控制指令輸出，對(duì)外輸出信號(hào)接通Y軸電動(dòng)機(jī)的強(qiáng)電，這時(shí)數(shù)控車床就可以實(shí)現(xiàn)銑削功能，讓主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即工件不動(dòng)，銑刀旋轉(zhuǎn)進(jìn)給銑削。和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床一樣，電動(dòng)刀架上可以安裝4把車刀，銑頭主軸上可安裝一把銑刀，加工時(shí)通常是先進(jìn)行車削加工，此時(shí)滑板上的電動(dòng)刀架靠近工件進(jìn)行車削加工，車削完成后，滑板后退，車削刀架遠(yuǎn)離工件，銑削主軸靠近工件，Y軸按加工需要?jiǎng)幼?，銑頭電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行銑削加工，如需更換銑刀，要停機(jī)手動(dòng)換刀再繼續(xù)加工，從而完成軸的平面、槽的加工。

通過對(duì)數(shù)控車床總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果為：

（1）提出刀架需要改進(jìn)的地方，對(duì)其不足之處進(jìn)行分析確定沖突類型屬于技術(shù)沖突，介紹了TRIZ理論中的39個(gè)工程參數(shù)和40條發(fā)明原理，主要運(yùn)用TRIZ理論中的矛盾沖突矩陣，根據(jù)在刀架的設(shè)計(jì)中遇到的問題，然后在沖突矩陣表格中選取提供的39個(gè)工程參數(shù)中的改善條件與惡化條件的關(guān)系，來初步確定可能應(yīng)用到的40條發(fā)明原理中的其中一些原理，根據(jù)原理來設(shè)計(jì)預(yù)期的符合要求的刀架結(jié)構(gòu)，在刀架上加上一個(gè)動(dòng)力銑頭，動(dòng)力銑頭的主軸軸線與數(shù)控車床中心線相垂直，動(dòng)力銑頭由單獨(dú)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

（2）對(duì)設(shè)計(jì)的刀架進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證它的工作原理，實(shí)現(xiàn)了在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床上進(jìn)行軸上平面和槽的加工，一般操作過程是先進(jìn)行車削，此時(shí)切斷Y軸電動(dòng)機(jī)和動(dòng)力銑頭電動(dòng)機(jī)，當(dāng)進(jìn)行銑削時(shí)，在程序中輸入M34，恢復(fù)Y軸電動(dòng)機(jī)和動(dòng)力銑頭電動(dòng)機(jī)的工作，從而進(jìn)行平面和槽的加工，工作原理是車床主軸不動(dòng)即工件不動(dòng)，讓銑刀旋轉(zhuǎn)進(jìn)給進(jìn)行銑削，到達(dá)加工的目的。

5 小結(jié)

運(yùn)用TRIZ理論對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的刀架進(jìn)行結(jié)構(gòu)和原理上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，理論上具有很強(qiáng)的可行性，此次對(duì)刀架具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并沒有進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和布局，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠理想，需要進(jìn)一步完善該機(jī)構(gòu)，才能更好地改善經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳嬋娟.數(shù)控車床設(shè)計(jì)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006（03）.