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實驗用4軸CNC 銑床的開發研究

2020-5-21 來源：佛山（shān）科學技術學院機電工程係作者：官峰

摘（zhāi）要：介紹了一款 4 軸實驗用 CNC 銑床的（de）設計思想和開發過程。該設計開發的 4 軸 CNC 銑床采用單片機AT89S51 為（wéi）控製（zhì）係（xì）統主機，獨立設置分度頭為 A 軸，具有 450 mm×450 mm×631 mm 工（gōng）作空間，能夠實現複雜小微實（shí）驗製件的加工。該係統（tǒng）的設計不僅能夠實現 CNC 實驗的（de）目的，而且能讓學生廣泛參與實踐，從而激發其創造活力。

關鍵詞：CNC 銑（xǐ）床；4 軸係統；單片機控製

隨著 CNC 技術的出現，不同形（xíng）式的數控加工設備相繼使用在各個（gè）生產行業，例如，CNC 車床、銑床以及 CNC 加工中心（xīn）等（děng），而且目前 CNC 技術已經向智能化方向發展［1-2］。在這樣（yàng）的（de）形勢下（xià），CNC 機床的設計與組裝已經成為本科機電專（zhuān）業學生的重要實踐課程。通過設計與組裝，學生不僅可以掌（zhǎng）握 CNC 設備的（de）工作原理、係統結構、關鍵零（líng）部件及其（qí）生產（chǎn）工藝過程［3］，而且可以認知數控係統改造等企業常見技術（shù）改造工作的內涵以（yǐ）及數（shù）控（kòng）設備故障排除的過（guò）程［4-5］。

目（mù）前，很多學校和教學（xué）實驗設備（bèi）企業都開展了實驗（yàn）教學用 CNC 設備（bèi）的設計製造，收（shōu）到（dào）了很好的（de）效果（guǒ）。文獻［6］介紹了實驗教學（xué）用數控雕銑實驗（yàn）機的研製，文（wén）獻（xiàn）［7］探討了實驗教（jiāo）學用數控銑床與（yǔ）機械手模型的設計與控製，文獻［8］介紹了實驗教學用數控車床的研製與應（yīng）用，文獻［9］介紹了實驗教學用數控車床的（de）改造。

鑒（jiàn）於不同學校（xiào）在專業設置（zhì）的目的和教學內容各有特點，教學實踐的重點（diǎn）各（gè）異，一般高校都自行采用根據教學（xué）大綱的要求來設（shè）計的相應教學實踐設備配置［10］。本研究開發一款實驗教學用 4 軸 CNC 銑床，下麵介紹該銑床的基本結構及其設計過程。

1 、機床結構設計（jì）

1.1 機床尺寸選定

實驗教（jiāo）學用設備一般（bān）都需要考慮減少（shǎo）占用實（shí）驗場地的要求（qiú）。因此本研究采用微型結構，設定床（chuáng）身尺寸（長×寬×高）為 450 mm×450 mm×631 mm。

1.2 機床布局方式

一般情況小（xiǎo）型立式數（shù）控銑床大多采用平（píng）台移動、升降以及主軸轉動方式，主要（yào）有（yǒu）如圖 1 所示（shì）的 3種布局方式可以選（xuǎn）擇。

圖 1 微型銑床的 3 種立式布局

1.3 機床布（bù）局方式選定

經過對 3 種機床布局方（fāng）式比對，本研究選用圖 1a 的布局方式。4 個（gè）運動軸（zhóu）分別為 X、Y、Z 這 3 個方向的運動，外（wài）加一個分度頭作（zuò）為（wéi） A 軸。各運動軸的具體參數如下所述。

（1）X 方（fāng）向行程。X 方向行程為 210 mm。

（2）Y 方向行程。Y 方（fāng）向行程（chéng）為 210 mm。

（3）Z 方向行程。Z 方向行程為 110 mm。

（4）分度頭 A 軸轉角。分度頭 A 軸轉角為 0~360°。

（5）工作台的工作麵積。工作台的工作麵積為 220 mm×125 mm。

（6）機床底座麵積。機床底座麵（miàn）積為 450 mm×450 mm。

（7）平（píng）均切削（xuē）力。平均（jun1）切削力為（wéi） 500 N。

（8）快進進給速度。快進（jìn）進（jìn）給速度（dù）為 50 mm/s。

（9）主軸最高轉速。最高轉速為 10 000 r/min。

（10）定位精度。定位精度為 0.2 μm。

2、機床總（zǒng）體設計

根據設計要求與參（cān）數，確（què）定采用 3 坐標立式結（jié）構布局，水平（píng）麵設置為 X、Y 軸二維工作台和垂直方向的 Z 軸工作台，主軸電機固定安裝在 Z 軸上（shàng），分度（dù）頭安置（zhì）在 X 軸方向運動機構平（píng）台上。主要部件包括（kuò）機床底座，橫向溜板，X、Y、Z 方向進給步進電動機（jī），工作台、機床床身以及分度頭（A 軸）。其（qí）中 X-Y-Z運（yùn）動平台的（de）機械部分主要（yào）包括滾珠絲（sī）杆副、直線導軌、聯（lián）軸器和工作台麵。關鍵零部件為滾珠絲杆、聯軸器、滾動直線（xiàn）導軌以及步進電（diàn）動機。機床裝配（pèi）三維示意如圖 2 所示。

圖 2 裝配體三維示意

實驗教學用 CNC 旨在（zài）向學生展示 CNC 的（de）工作與切削原理。因此機床的關鍵零部件及其總成關係必須（xū）清晰，並且要能展示實驗教（jiāo）學所需的（de）各個內容。由此可知，機床的主軸、導軌、分度頭以及刀具需要考慮。考（kǎo）慮到（dào）實驗教學的特（tè）點，控製成本的（de）因素也是很重要的方麵（miàn）。因此（cǐ）宜盡量采用國內一些成（chéng）熟套件組裝（zhuāng）以減少（shǎo）投入及開發周期。

2.1 主軸

機床主軸的轉速和抖動影響決定被加工零（líng）件的表麵精度及粗糙度。為能滿足（zú）工件（jiàn）所需的切削速度，主軸應具有（yǒu） 10 000 r/min 以上的可調轉速。從精度要求考（kǎo）慮，主軸的抖動幅值需要控製在 0.1 μm 以內。機床高速電主（zhǔ）軸是主軸機構由內置電動機直接驅動的新（xīn）技術，取消了（le）以往機床主軸的帶輪（lún）傳動和齒輪傳動（dòng）。這種機（jī）床主軸與主軸（zhóu）電動機相結合的傳動結構，使主軸直接成為一個獨立單元。目前的數控機床（chuáng）幾乎都采用電主軸作為主軸係統，因此選擇電主軸是比較合適的。作為實驗教學用 CNC 機床的主軸既（jì）能夠反映時代的發展，又（yòu）能使學生對電主軸增加了解。

2.2 導軌係統

X-Y 工作台主要（yào）靠兩個導軌的縱橫運動形成作業平台。

（1）考慮到實驗教（jiāo）學應用的特點（diǎn），工作台承載的載荷不大，脈衝當量（liàng）小（δx=δy=0.01 mm/p），移動定位精度適中（vx max f=vy max f=350 mm/min）。根據這些特（tè）點，選用雙（shuāng）直線導軌加滾珠絲杠（gàng）機構。滾珠絲杠副預緊後（hòu）可消除反向間隙，傳動精度高（gāo），並且滾珠絲杠已經係列化，而且選用非常方便，有利於提高開（kāi）發效率。

（2）滾珠絲杆機構同時選用內循環的形式，因（yīn）為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸結構緊湊，軸向剛度高。

（3）由於定位精度要求不高，調隙方式選擇為墊（diàn）片調隙式，這（zhè）種調隙方式（shì）裝卸方便，剛性好，而且結構簡（jiǎn）單。

電機是 CNC 機床工作的核心部件之（zhī）一（yī），也是控製導（dǎo）軌運動的動力源。導（dǎo）軌的直線運動是通過（guò）絲杠及螺母副把電機的旋轉運動轉換而來，電機和滾珠絲杠副配合機構需要滿足±0.01 mm 的定位精度並能滿足（zú） 0.01 mm 的脈衝當量。考慮（lǜ）到實驗教學用途，選擇混合式步進電機，降低成本，提高性（xìng）價比。

2.3 聯軸器

聯軸器是用來聯接不同機構（gòu）中主動（dòng）軸和從動軸並使之共（gòng）同（tóng）旋轉以傳遞扭矩的（de）機械傳動件。目前有多種聯軸器可以供選擇。考慮到 CNC 的實驗教學功能，本研究選用雙螺紋線聯軸器 ML4-C28-1012，該聯（lián）軸器具有以下特點。

（1）整體加工而成，質量輕（qīng），體積小巧。

（2）順時針和逆（nì）時針回轉特性完全相（xiàng）同。

（3）可以吸收振動，補償徑向、角向偏差，具有（yǒu）零回轉特性。

（4）免維修，具有抗油和耐腐蝕特性。

（5）具有較高的扭矩和彈性的特性。

（6）適用於步進馬達、編碼器（qì）、機床平台、點膠機、噴塗設備、電子設備以（yǐ）及微電機等精密產業機械。

該聯軸器的額定扭矩（jǔ）為 3.5 N·m，最大扭矩為 7.0 N·m。聯軸器的轉矩計算公式為:

式（2）計算結（jié）果表明（míng）該選擇是合理的（de）。

2.4 分度頭的設計

2.4.1 分度頭的組成

分度頭是 4 軸 CNC 實驗（yàn）教學用銑床的一個關鍵部件，圖 3 給出了分度頭的三維（wéi）模型。通過分度頭的轉動形成 A 軸。將分度頭設計為三（sān）爪卡盤形式具有普適性，既可在（zài）加工時對旋轉工件進行夾緊又可實現第 4 軸的運動功能。分度頭的基本結構三（sān）爪卡盤由卡盤體、活動卡爪和卡爪以及驅動機構組成。

2.4.2 分度頭的裝夾原理

三爪（zhǎo）卡盤上 3 個卡爪導向部分的下麵，有螺紋與碟形傘齒輪背麵的平麵螺紋相齧合，當用（yòng）扳手通過四方孔轉動小傘齒輪時，碟（dié）形齒輪轉動，背麵的平麵螺紋同時帶動三個卡爪向中心靠近或退出，用以夾緊不同直徑的工件。將 3 個卡爪換上 3 個（gè）反爪，用來安裝直徑較大（dà）的工件。三爪卡盤的自（zì）行對中精（jīng）確（què）度為 0.05~0.15 mm。用三爪卡盤（pán）加工件的精度受到卡盤製造精度和使（shǐ）用後磨損情況的影響。三爪自定心卡盤利用 3 個（gè）螺釘（dìng），通過（guò）盤體止口端麵上的螺孔，將卡盤緊固在機床法蘭上（shàng）。將扳手插入任一齒輪方孔中，轉動（dòng）扳手時，小齒輪帶動盤絲轉動，通過盤絲端麵螺紋的轉動，帶動 3 塊（kuài）卡爪同時趨進或離散。

2.5 刀具

目前市（shì）麵上適合於作為微型 CNC 銑床的刀具主要是（shì）金剛石刀具，如圖 4 所示（shì）。此類刀具（jù）具有熱傳導好、硬度（dù）高（gāo）、耐磨性好、變形（xíng）量小以及切削刃鋒利等優點（diǎn）。選擇此類（lèi）刀具與電子主軸的選型一致，適合裝（zhuāng）夾。

圖 3 分度（dù）頭的三維模型

圖 4 金剛石銑刀

3 、控製係統設計

控（kòng）製係統是 CNC 機床的核心技術之一。考（kǎo）慮到讓學生充分認識控（kòng）製係統的組成和原理並激發學（xué）生動手的熱情，采用選（xuǎn）用 AT89S51 單片機作為控製係統的主（zhǔ）機。AT89S51 具有 4 kb 的 Flash 存儲容量（liàng）、2 個 16 位定時器、6 個中斷源、128 b 的 RAM、一個 14 位的計數器 WDT 和 32 個 I/O 口。外置的一片EPROM 存（cún）放控製程（chéng）序、固定的加工程序和（hé）其他（tā）數據，另選用一片 6264 RAM（8 kb）存放教學（xué）實驗加工件的數控程序及數據。由於進行了係統內存擴展，為使編程地址一致，采用譯碼器 74LS138 完成譯碼，對擴展芯片（piàn）進行尋址。控製係統的總體設計如圖 5 所示。

圖 5 控製係統作業（yè）流程示意

圖 5 中 AT89S51 單片機係統是數控係統的核心，對鍵盤輸入的命令進行識別（bié）處理（lǐ）後，發出係列連續脈衝（chōng）通過環形分配器、光電耦合（hé）器和功率放大器（qì），按一定的順序分配給步進電機，控製步進電動機帶動工作台、分度頭和主軸按照指令運動，從而實現 4 軸運動控製。

4 、係統工（gōng）作（zuò）環境

係統設計組裝完成後需要進行測試與調（diào）試，主要包括幾（jǐ）何誤（wù）差測算（suàn）、主軸運動精度檢查以及（jí）微進給運動調試等，需達到微（wēi）米級切削精度的要求。經反複測試最後形成可以使用的（de） CNC 銑床。銑床的實物照片如圖 6 所示。

圖 6 實驗教學用 4 軸 CNC 銑床實物照（zhào）片

根據實驗教學工作的需要，將係統工作時置於 100 級的超（chāo）淨間。為了進一步減小環境溫度變化對機床熱變形的影響，室內溫度控製精度為（25±0.5）℃。在（zài）此溫度範圍內機床 Z 軸熱伸長量小於 0.1 μm。此外，為了提高係統的（de）加工精度（dù），最大限（xiàn）度地減少環境控製成本，本研究采取了對機床係統進行局部環境控製的措施，即在機床上加裝（zhuāng）一個相對封閉（bì）的外罩，這樣外罩內的局部小環（huán）境可以單獨（dú）得到更高精度的控（kòng）製（zhì）。對比圖 2 與 6 可知，係統完全（quán）符合設計要求（qiú）。

5、小結

CNC 課程（chéng）的實（shí）驗（yàn）教學離不開 CNC 設備。雖然大型 CNC 設備是很好的（de）選擇（zé），但對於學校（xiào）而言是資源耗散型設備。考慮成本因素，結合學生（shēng）電子技術（shù）基礎，自行設計組裝 CNC 係統應用於教學實（shí）踐，無疑能綜合提（tí）高學生的多種能力，既可激（jī）發學生的（de）創作熱情（qíng），又能實現實驗教學目的。本研究的小微（wēi）CNC 數控銑床的開發，就是出於這樣的考慮。

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