沙春 顾拥军 焦彬 孙健华

摘 要：随着先进制造技术的发展，工件的批量不断减少，结构日趋复杂，加上产品高附加值日趋深化，单一的机械加工方式不能满足实际生产要求，往往需要多工序融合甚至是复合加工。人们把运用两种或两种以上加工方式，同时或有时序地进行完整加工的机床称为多功能机床（或称为复合加工机床）。该文系统地阐述了多功能数控组合机床教学机电气系统总体设计特点，为了达到车削、铣削、磨削的多功能设计，从应用角度出发，分析了电气控制系统的构成，设计了电气控制系统。

关键词：多功能加工电气系统数控系统辅助功能

中图分类号： TG659 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（c）-0036-02

该课题来源于该校与江苏环洋组合机床有限公司、南通海盟罗兰机械有限公司的科研合作项目，属于多功能数控组合机床教学机研发的子课题之一。根据研究计划和初步设想，多功能数控组合机床教学机集车、铣、平面磨和外圆磨四种功能于一体，满足职业学校、中小型或小微企业进行技能训练或小型零件加工的要求，并达到数字化控制的目的。该项目目前初步完成了机械部分的设计，为后续电气设计奠定了基础。

组合机床已成为机床产品的发展趋势之一，作为机床中占有相当比重的车床、铣床、平面磨床和外圆磨床如果能够结合起来，无疑将大大提高机床的加工种类和工作效率，广泛应用于汽车维修、远洋船舶、造纸技术、中小型企业等行业，而现有的组合机床，以继电器方式控制的居多，也有部分稍微高级的机床加入了数字显示功能，经过多年的实践，电气故障频出、维修困难，难以满足各行业生产的要求，一个实用又经济的方法是采用数控系统作为核心控制器的控制方式来控制组合机床。目前，组合机床主要有两个发展趋势：一是由单工位向多工位的过渡，并开始逐步应用于自动化生产线的发展；二是从适合于大批量生产量向适合于中小批量生产发展，同时保证高效率、高精度和通用性好。

该机床（教学机）目前的应用前景很好，可以应用于职业院校作为教学设备，既可以用于机械加工的教学，可以省去单独购买车床、铣床和磨床的费用，复合机床的价格相对三台独立的机床价格要低很多，也可以用于机电一体化方面的课程教学，该组合机床将电气控制技术、液压气动技术、测试技术等置于机床本体外侧，使得学生能够亲眼目睹电气控制、液压气动控制和测试传感控制的具体安装、连接和应用，机电一体化、机械设计制造及其自动化等专业的学生通过学习可以对数控系统有很深的认识；除了应用于教学之外，还可以作为中小型企业、小微企业的生产设备或者应用远洋船舶上的维修车间等等，功能较全，购置成本较低。

1 研究的目标和主要内容

1.1 多功能数控组合机床教学机的结构

多功能数控组合机床的结构如图1所示，为了能够实现车削、铣削、平面磨削和外圆磨削等多种切削加工功能，设备中采用了铣主轴电机、车/外圆磨头主轴电机、平面磨头电机作为机床的主轴电机。

此外还有排屑器电机、液压泵电机、水泵电机、变频器冷却风扇电机、车床系统刀架电机、铣头行走电机、磨头行走电机等辅助电机结构。

为了能使主轴实现无极变速，采用专用变频感应电动机+变频器的变频调速方式，可以使得机械自动化程度大幅提高，提高了生产效率，节约能源，提高产品合格率及产品质量。变频调速已成为主流的调速方案，可广泛应用于各行各业无极变速传动，特别是随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用，变频电机的使用也日益广泛起来。车削/外圆磨主轴电机采用额定电压380 V、功率5.5KW、4极变频电机，变频器采用通用型西门子MM420系列，其强大的通讯功能和开放式的编程平台，使得变频器在工业控制中如造纸、化工、钢铁、机械制造等诸多领域得到广泛的应用。

1.2 进给电机控制

该系统中共采用三套伺服控制系统，分别控制机床的X、Y、Z三轴的进给，为了实现进给动作的高精度运行，在进给系统中设置了双闭环控制系统。如图2所示。

机床工件加工的质量高低，很大部分程度上也取决于机床本身的定位精度。为了能够实现定位精度高要求的特点，通常采用交流永磁伺服控制系统作为执行元件，其转子在定子绕组产生电磁场的作用下高精度转动，同时交流伺服电动机自带的旋转编码器将检测到反馈信号可以反馈给交流伺服驱动器，与交流伺服驱动器预先设置的目标值进行比较，可以根据比较的结果自动调整转子转动的角度。

1.3 数控系统

该系统设计采用台湾新代数控系统SYNTEC 21TA，该系统适用于3/4/5等多轴数控加工中心，同时适用于雕刻机、磨床等系统。

1.4 辅助功能

（1）视频监控系统：为了解决不同实时观测切削过程或磨削过程，增加视频监控系统。

（2）数显功能：为了便于观察和精确控制，在磨头滑板和磨头本体上安装读数头和光栅尺，并与数控显示屏连接，实现实时观测。

（3）温度测量系统：为了解决参数测量的不便，在视频监控支架上安装红外线热像仪，对切削温度和磨削温度进行实时测量。

（4）自动考评系统：该教学机增加了自动考评系统，能实时评分。

2 结语

2015年8月份多功能数控组合机床教学机通过国家机床质量验收标准认证合格；2015年9月25日通过南通市科技局成果鉴定，鉴定委员会认为，项目组开发的“多功能数控加工教学系统”的技术集成度和综合性能居国内领先水平，一致同意通过科技成果鉴定。

参考文献

[1] 谢家瀛.组合机床设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] 曾燕飞，李虎山.基于PLC的三面铣组合机床电气控制系统设计[D].组合机床与自动化加工技术，2010（1）：44-46

[3] 吴立梅.组合机床发展及相关特点分析[J].科技资讯，2010（8）：86.