龙门刨床

　　龙门刨床（planing machine）主要用于刨削大型工件，也可在工作台上装夹多个零件同时加工，是工业的母机。龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动，空行程速度大于工作行程速度。横梁上一般装有两个垂直刀架，刀架滑座可在垂直面内回转一个角度，并可沿横梁作横向进给运动 ；
　　简介
　　龙门刨床具有门式框架和卧式长床身的刨床。龙门刨床主要用于刨削大型工件，也可在工作台上装夹多个零件同时加工，是工业的母机。龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动，空行程速度大于工作行程速度。横梁上一般装有两个垂直刀架，刀架滑座可在垂直面内回转一个角度，并可沿横梁作横向进给运动 ；刨刀可在刀架上作垂直或斜向进给运动；横梁可在两立柱上作上下调整。一般在两个立柱上还安装可沿立柱上下移动的侧刀架,以扩大加工范围工作台回程时能机动抬刀，以免划伤工件表面。机床工作台的驱动可用发电机－电动机组或用可控硅直流调速方式,调速范围较大,在低速时也能获得较大的驱动力。有的龙门刨床还附有铣头和磨头，变型为龙门刨铣床和龙门刨铣磨床，工作台既可作快速的主运动，也可作慢速的进给运动，主要用于重型工件在一次安装中进行刨削、铣削和磨削平面等加工。
　　国内第一台龙门刨床
　　中国第一台龙门刨床于1953年4月在济南第二机床厂问世。
　　技术性能
　　1、输入电源：三相四线（～380V±10% 50Hz） 　　
　　2、工作环境：温度-10℃～+40℃ 相对湿度<85%(25℃) 海拔<4000m 　　
　　3、装置容量：<1KW 　　
　　4、外形尺寸：1410mm×725mm×1535mm
　　装置的基本装备
　　1、电源控制面板（铝质面板）　　
　　（1）交流电源（带有漏电保护措施）提供市电提供三相交流电源（380V） 　　
　　（2）人身安全保护体系电压型漏电保护器：对线路出现的漏电现象进行保护,使控制屏内接触器跳闸，切断电源。电流型漏电保护装置：控制屏若有漏电现象，漏电流超过一定值，即切断电源。
　　2、主令控制及图示板（铝质面板）面板上安装有机床的所有主令电器及动作指示灯，机床的所有操作都在这块面板上进行，指示灯可以指示机床的相应动作。 　　
　　3、元器件安装板面板上装有断路器、熔断器、接触器、热继电器、变压器等元器件，这些元器件直接安装在面板表面，可以很直观的观看它们的动作情况。 　　
　　4、各种规格的电动机 　　
　　1）三相异步电动机拖动电机扩大机的机组。 　　
　　2）三相异步电动机拖动二只直流发动机的机组。 　　
　　3）直流电动机及共负载的机组 　　
　　4）润滑泵电机一只，电掴风机一个，垂直刀架。右侧刀架、左侧刀架各一个，横梁升降电动机，松紧电动机各一个。 　　
　　5、故障开关箱设有32个开关，用于故障设置 　　
　　6、实验桌实验桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面为防火、防水、耐磨高密度板，结构坚固，形状似长方体结构，造型美观大方；设有两个大抽屉，用于放置工具及资料等。桌面用于安装电源控制屏并提供一个宽敞舒适的工作台面。实验桌底还设有四个方向轮和四个固定调节机构，便于移动和固定，有利于实验室布局。
　　小型龙门刨床进行数控改造
　　1.前言
　　[2]长度较小的非圆柱面，可以采用数控铣床加工，也可以采用线切割加工（单件生产）。但当非圆柱面达到一定长度后，用上面的两种方法就无能为力或加工成本太高了。如系列罗茨真空泵和罗茨鼓风机的转子（图1所示，其截面轮廓线由多段渐开线、外摆线和圆弧组成，长度在300mm以上）、大型水环泵叶轮模型的叶片（截面轮廓线由多段直线和圆弧组成，长度在500mm以上）。为了适应截面轮廓线是复杂曲线的柱面工件的加工，笔者自行研制出了基于IPC的刨床CNC系统，并对某真空泵生产厂家的小型龙门刨床进行了数控改造。  
　　1 小型龙门刨床的机械改造  
　　图2所示是用小型龙门刨床改造而成的数控刨床的示意图。 　　
　　小型龙门刨床数控改造的方法是将手动调节刀架变成由步进电动机驱动的数控刀架，Z步进电动机控制刀架在垂直方向的移动，X步进电动机控制刀架在水平方 向的移动。在滑台底座靠近滑块的部位安装三个接近开关，在滑块上固定一个与三个接近开关平行又在运动过程中与三个开关都能接近的滑块位置标志块（铁块）， 两者共同用于滑块运动方向和位置的检测。另外，在滑台上安装一个简易的对刀装置。经过负载（摩擦力、转动惯量等）计算，驱动刀架上下移动（Z坐标轴）和左 右移动（X坐标轴）的步进电动机分别选用 110BF003型和 130BF003型。这两个坐标移动的脉冲当量均为0.01mm。
　　2 刨床CNC系统硬件结构
　　该数控系统采用PC总线、主频为100MHZ的486CPU工业控制机作主机，具有标准16位数据总线和扩展功能灵活的插板式结构，可根据系统要求， 进行结构最优化配置（图3）。 图 3刨床CNC系统硬件结构 该数控系统利用IO/TIMER（并行输入输出/定时器）接口板上的8255A来控制两个步进电动机的运动，接收滑台回程和位置传感器信号、刀架限位开关 信号、功能选择开关信号，接口板上的8253定时器用于步进电动机中断运行服务程序，时钟频率为2MHz。 
　　3 刨床CNC系统软件
　　刨床CNC系统软件以Windows操作系统为平台，采用模块化、结构化的C语言编程，系统软件的界面采用了中文菜单结构，人机界面友好，操作方便。 具体结构如图4所示。该系统软件主要由三个模块组成：程序编制、刀具位置调整和运行控制，在每一个模块中 又分多个子模块。 　　
　　3．1 程序编制模块 　　
　　一个正确的加工程序编制必须经过以下阶段：程序编制、语法检查、模拟仿真和刀具的干涉、过切检查。在该 CNC软件系统中，加工程序编制可采用多种方式：图形自动编程，手工编程，列表曲线编程。列表曲线文件的数据和加工程序可以通过软驱输人或利用全屏幕编辑 器通过键盘输人，也可以通过串行通讯接口输人。 　　
　　图形编程包括以下步骤： 　　
　　（1）轮廓曲线的编辑输人首先通过交互式图形操作界面，按照曲线的走向输入各段直线、圆弧、曲线输入后可以进行修改、放大、缩小和对称等编辑处理。 　　
　　（2）求偏置曲线对上面编辑好的曲线，按要求的刀尖半径，生成等距曲线，即偏置曲线。
　　（3）自动编程将偏置曲线按照给定的精度要求用直线进行拟合，并转化成G代码加工程序。
　　（4）模拟仿真运行以模拟运行方式运行加工程序，并动态地显示刀尖运动轨迹。假如加工程序正确，模拟显示的轨迹会与前面的偏置曲线相重合。 　　
　　列表曲线的编程也是在图形编程界面下进行。首先读人列表曲线数据文件，按照数据文件中点的顺序，相邻点以直线相连，并显示出来。然后在此基础上进行样条拟合、光顺和偏置处理，再按精度要求离散成小段直线，并自动生成加工程序。 　　
　　交互式图形编程和模拟仿真运行，使得复杂曲线和列表曲线加工程序的编制不仅效率高，而且方便、直观、可靠。 
图 4 刨床CNC系统软件结构 　　
　　3．2 运行控制 　　
　　该CNC系统的运行主要包括以下方式：自动运行、快速空运行、手动运行和点动运行。 　　
　　自动运行是CNC系统运行控制的核心部分，它按加工程序运行。假如正在执行的加工语句的最后一条指令是M32，则刀具根据滑台的往复运动信号作间歇进 给运动；假如是M33，则作连续移动，滑台的往复运动信号对它不起作用，即作快速空运行。加工中假如 滑台停止往复运动，则刀具的进给运动也停止。这一功能可以使工人沿用刨床的操作习惯，通过控制滑台往复运动的启停控制刀架进给运动的启停。 　　
　　自动运行程序由前台和后台两部分组成，后台程序完成并行口 8255A和定时器8253的初始化、指令译码、控制中断服务程序的执行频率（速度调节）、暂停、单段和启动控制、加工轨迹动态跟踪显示和坐标翻转显示； 前台程序是中断服务程序，它主要完成插补运 算、步进电动机运转控制、升降速控制、接受滑台往返和位置传感器的信号。刀具的间歇进给运动是在滑台的返程过程中完成的。滑台一次往返刀具的进给量，可以 通过功能键进行设定或修改，最小值为二个脉冲当量。自动运行程序的另外一个功能是在按下"连续"功能键时，刀具的间歇进给可以变成连续进给；该功能键抬起 时，刀具又可恢复间歇进给。在粗加工毛坯件时，由于加工余量的不均匀，有的地方可能会作空进给，采用此功能可以快速跃过此处，大大提高加工效率。 　　
　　快速空运行也是按照加工程序控制刀具运动的，但它是作连续运行。通过它可以检查刀具和工件毛坯的相对位置关系，从而确定初次加工的刀具高度位置。快速空运行程序也是由前、后台两部分组成，其结构和自动运行程序的结构类似，只是中断服务程序不受滑台往返运动的控制。 　　
　　在选择开关处于自动运行状态下，点动功能只能在滑台的返程中起作用，刀具连续移动最大位移量可以设定。该功能为加工过程中的刀具位置调整带来了方便。如在吃刀太深时，可在不停止加工的情况下提刀。 根据选择，手动运行也可受滑台往返运动的控制，作间歇运动。手动功能可以用于平面加工，而且不用编程。这种方式为平面加工带来了方便。
　　4 结束语
　　笔者用自行研制的刨床CNC系统为某企业的小型龙门刨床进行了数控化改造，成功地实现了系列水环泵叶轮叶片模型的加工和系列罗茨真空泵转子大批量生 产，不仅加工效率高，而且加工质量稳定可靠。经过近几年的不断改进和完善，该CNC系统已具有实时加工控制、图形自动编程、复杂曲线和列表曲线拟合、编 程、刀具磨损补偿、自动对刀、模拟仿真和加工轨迹跟踪显示等功能。该刨床CNC系统，不仅适用于小型龙门刨床的数控化改造，也适用于其它形式的刨床的数控 化改造。