多功能微型数控机床的研制.docx
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多功能微型数控机床的研制
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多功能微型数控机床的研制
多功能微型数控机床的研制
摘要：
数控机床对提高机器制造业的实力起重大作用。
本文着重论述了小型数控机床的特点。
根据DIY飞机模型具体需要，本人研制出多功能微型数控机床，结构简单，操作灵活，功能多样，尤其适用于复杂结构直升机的配件的加工。
1、前言
机床，是制造汽车、飞机等各种机器的复杂生产工具。
而数控机床，是人利用各种先进科技对机床的创新成果，为机器制造业开辟了崭新的中小批、多品种、柔性生产自动化新时代。
进入21世纪，世界工业国都在进一步加强具有基础性、创造性、战略性的机床工业，加速发展先进的数控机床，竞争异常激烈。
要切实提高整个制造业的实力，只有认真总结自己过去的经验教训，借鉴海外经验，明确战略战术，加速国产数控机床的发展。
数控机床不同于以往传统机床，有其独特的特点：
（1）是世界上最早采用数字控制原理的机电产品。
灵活善变，调整方便，可实现多坐标联动，加工任意曲面，特适于近代增多的复杂件、曲面件、特殊件之制造，具有攻坚性、高效性、战略性；
（2）在加工工艺上，改变过去分散工序为集中工序原则，不断提高加工精度、效率和自动化程度。
在机床结构上，简化机械部分，充分运用电液气光新技术。
由于高速、强力工作，对主机之刚性、热变形、振动，要求特别严格；（3）机床由主机、功能部件、数控系统等构成，并与先进刀具配合工作，能实现自动化、智能化、集成化，对可靠性、稳定性、耐用性有特严要求。
所有这些特点，随科技发展而发展。
而数控机床的发展，社会要求是动力、科技水平是基础、人员素质是根本。
如没有高素质的人，就没有高的科技水平，也就不可能满足职业技术教育的要求，为使学生能系统地掌握数控机床的基本结构和简单的实践操作来满中社会的高需要。
因而，需要简单、方便、灵活、价格低廉的数控机床来满足多元化的需求。
根据目前模型发以的要求，我设计研制出了一种多功能微型数控机床，它精化了目前机床的一些进给、传动、变速等结构。
借鉴了数控机床的原理，结合精密制造技术与现代微电子、计算机技术和专用的CNC控制软件通过细分功放板来控制由步进电机驱动各个方向的运动，结构简单、功能多样。
从实践上来看，满足了模型制DIY的需要。
同时，可作为小型复杂零部件的、铣削和精雕加工，甚至可进行简单模具的加工，如可用于加工小型模具电极。
2、进给机构工作原理及结构特点
机床的结构原理如图1所示。
由三个步进电机带动三个方向的运动，三个运动方向分别为X、Y、Z，X轴步进电机驱动大拖板在机床底座上作X方向移动，最大距离为40cm，而Z轴步进电机安装在Z轴拖板上，驱动小拖板作Z方向移动，最大移动距离为15cm；在工作台上按装的Y轴步进电机控制Y轴拖板作Y方向上的移动。
按照不同要求，还可以在工作台上按装C轴步进电机控制第4轴C轴的转动亦可安装工件实现四轴连动的小数控铣。
图1微型机床的结构原理
拖板在X、Y、Z方向的运动是由三个线性导轨导向的，这种线性导轨轨身为8.5CM*6CM的U形钢集成了螺距为10MM的滚珠丝杠和2个滚道的导轨滑块，滚珠丝杠的精度非常高经实际测量反向间隙不超过0.005MM导轨与滑块的配合精度也非常高，做小机床非常适用。
经实际工作，刚性很好完全符合加工需要。
根据需要还可以加装第4轴。
第4轴是转动轴，由步进电机带动蜗轮蜗杆机械转动并加装除隙装置。
这样，即降低了步进电机每个脉冲使刀具旋转的角度，提高步进电机到旋转工作台的保持力距又提高了回转精度。
3、动力部分
该机床的另一优点是：
机床动力箱部分与机床进给部分为可拆分结构，亦可重新组合。
根据需要可把主轴头更换成24000转的高速电主轴，实现精雕功能。
更换成激光头，实现激光雕刻。
如果更换成电脉冲头就可实现电火花加工。
根据加工对象要求，可灵活选择,上图机床使用了一只1800W220V变频电主轴，转速最高达24000转/分。
4、控制系统部分
图2控制原理图
控制系统原理如图2所示，如设计要求为学生服务，由于此类加工通常进给量较小，故本系统采用开环伺服控制方式。
所采用步进电机为永磁式Sn-Syn型，具有高效率、高速度和好的阻尼性。
对于复杂零件的轮廓（如用于加工小型电器），需要较高精度加工。
本机4个功放电路板都具有细分调节功能，并可在PC机按丝杠螺距和细分数调整坐标位置的增量改善脉冲数。
如有需要，可采用闭环伺服控制方式，但价格要高一些。
控制程序中有用手点动发出脉冲，使某步进电机独立运行。
5、控制软件的调试与应用
本机床较好的利用了家用PC的COM口，在WINDOSXP操作系统下安装控制软件就可以方便的实现机床的自动化控制。
机床控制界面
机床速度调整界面
计算机与机床端口设定界面
由于该控制软件是采用XP系统支持，所以使的整个控制系统的调整十分顺利避免了自已写控制系统出现的中断控制带来的干扰。
整个控制软件的调试采有脱机调试，保证最小限度地用正确的加工程式进行联机调试，使软件调试中可能带来的硬件损坏降到最低限度。
5﹒1控制体系结构
控制软件
实时加工数据显示
5﹒2主控软件与控制接口板的连接
对于4轴驱动的加工控制，由一个专门有汇编语言设计高的模块实现。
该模块根据主控软件送来的4组数据进行控制，该模块根据这组数据进行细分运算并驱动步4组步进电机运动，实现4轴连动。
较好地满足职业技术学院的学生生产实习需要。
5﹒3该机床结构简单，控制灵活，适合于小型零件的粗精加工，由于对数控机床作了很大的简化，成本低廉，原理清晰，对目前职业技术教育的学生实习起了很大的作用，预计有很大的市场空间。
5﹒4实际应用
结合我们新开设的MASTERCAM这门课程，我们用MASTERCAM造型软件
1、绘制了一只吸尘器风扇如下图2、生成刀具路径图
3、导入NC文件到机床4、加工好零件照片
6结语
1、实践证明，该机床各项指标都达到了设计要求。
2、本文是是根据小型数控铣床加工过程实践情况撰写，供一些有兴趣设计者和爱好DIY小型数控机床的读者参考。
3、本人能力有限如有不对之处还请各位专家朋友指正
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