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数控车床创新设计探讨

摘要:数控车床在机械行业的应用非常广泛,是目前国内使用量最大,覆盖面最广的一种数控机床,其特点及应用范围随着科技的发展也在不断地增长扩大。通过对经济型CK6140数控车床刀架的分析,由于该数控车床只能对零件进行内外圆柱、圆锥、螺纹、孔的车削,而无法实现轴上平面和槽的加工,然后应用TRIZ理论中的技术冲突矩阵来进行创新,通过冲突矩阵的39个工程参数和40个发明原理的分析,证实并得出了一个带有铣削功能的数控车床,通过独立电动机带动动力铣头来进行铣削加工,加工原理是让主轴停止转动即零件静止不动,电动机带动铣刀进行旋转进给铣削,从而实现轴上平面或槽的加工。

关键词:数控车床;创新设计;TRIZ理论

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,当数控车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。

作者:孙玉生 单位:佛山市顺德区胡宝星职业技术学校

参考文献:

[1]陈婵娟.数控车床设计[M].化学工业出版社,2006(03).

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