實驗用4軸CNC 銑床的開發研究
2020-5-21 來源： 佛山科學技術學院 機電工程系 作者：官 峰
摘要：介紹了一款 4 軸實驗用 CNC 銑床的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 為控制系統主機，獨立設置分度頭為 A 軸，具有 450 mm×450 mm×631 mm 工作空間，能夠實現復雜小微實驗制件的加工。該系統的設計不僅能夠實現 CNC 實驗的目的，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 銑床；4 軸系統；單片機控制
隨著 CNC 技術的出現，不同形式的數控加工設備相繼使用在各個生產行業，例如，CNC 車床、銑床以及 CNC 加工中心等，而且目前 CNC 技術已經向智能化方向發展［1-2］。在這樣的形勢下，CNC 機床的設計與組裝已經成為本科機電專業學生的重要實踐課程。通過設計與組裝，學生不僅可以掌握 CNC 設備的工作原理、系統結構、關鍵零部件及其生產工藝過程［3］，而且可以認知數控系統改造等企業常見技術改造工作的內涵以及數控設備故障排除的過程［4-5］。
目前，很多學校和教學實驗設備企業都開展了實驗教學用 CNC 設備的設計制造，收到了很好的效果。文獻［6］介紹了實驗教學用數控雕銑實驗機的研制，文獻［7］探討了實驗教學用數控銑床與機械手模型的設計與控制，文獻［8］介紹了實驗教學用數控車床的研制與應用，文獻［9］介紹了實驗教學用數控車床的改造。
鑒于不同學校在專業設置的目的和教學內容各有特點，教學實踐的重點各異，一般高校都自行采用根據教學大綱的要求來設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，下面介紹該銑床的基本結構及其設計過程。
1 、機床結構設計
1.1 機床尺寸選定
實驗教學用設備一般都需要考慮減少占用實驗場地的要求。因此本研究采用微型結構，設定床身尺寸（長×寬×高）為 450 mm×450 mm×631 mm。
1.2 機床布局方式
一般情況小型立式數控銑床大多采用平臺移動、升降以及主軸轉動方式，主要有如圖 1 所示的 3種布局方式可以選擇。
圖 1 微型銑床的 3 種立式布局
1.3 機床布局方式選定
經過對 3 種機床布局方式比對，本研究選用圖 1a 的布局方式。4 個運動軸分別為 X、Y、Z 這 3 個方向的運動，外加一個分度頭作為 A 軸。各運動軸的具體參數如下所述。
（1）X 方向行程。X 方向行程為 210 mm。
（2）Y 方向行程。Y 方向行程為 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）工作臺的工作面積。工作臺的工作面積為 220 mm×125 mm。
（6）機床底座面積。機床底座面積為 450 mm×450 mm。
（7）平均切削力。平均切削力為 500 N。
（8）快進進給速度。快進進給速度為 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、 機床總體設計
根據設計要求與參數，確定采用 3 坐標立式結構布局，水平面設置為 X、Y 軸二維工作臺和垂直方向的 Z 軸工作臺，主軸電機固定安裝在 Z 軸上，分度頭安置在 X 軸方向運動機構平臺上。主要部件包括機床底座，橫向溜板，X、Y、Z 方向進給步進電動機，工作臺、機床床身以及分度頭（A 軸）。其中 X-Y-Z運動平臺的機械部分主要包括滾珠絲桿副、直線導軌、聯軸器和工作臺面。關鍵零部件為滾珠絲桿、聯軸器、滾動直線導軌以及步進電動機。機床裝配三維示意如圖 2 所示。
圖 2 裝配體三維示意
實驗教學用 CNC 旨在向學生展示 CNC 的工作與切削原理。因此機床的關鍵零部件及其總成關系必須清晰，并且要能展示實驗教學所需的各個內容。由此可知，機床的主軸、導軌、分度頭以及刀具需要考慮。考慮到實驗教學的特點，控制成本的因素也是很重要的方面。因此宜盡量采用國內一些成熟套件組裝以減少投入及開發周期。
2.1 主軸
機床主軸的轉速和抖動影響決定被加工零件的表面精度及粗糙度。為能滿足工件所需的切削速度，主軸應具有 10 000 r/min 以上的可調轉速。從精度要求考慮，主軸的抖動幅值需要控制在 0.1 μm 以內。機床高速電主軸是主軸機構由內置電動機直接驅動的新技術，取消了以往機床主軸的帶輪傳動和齒輪傳動。這種機床主軸與主軸電動機相結合的傳動結構，使主軸直接成為一個獨立單元。目前的數控機床幾乎都采用電主軸作為主軸系統，因此選擇電主軸是比較合適的。作為實驗教學用 CNC 機床的主軸既能夠反映時代的發展，又能使學生對電主軸增加了解。
2.2 導軌系統
X-Y 工作臺主要靠兩個導軌的縱橫運動形成作業平臺。
（1）考慮到實驗教學應用的特點，工作臺承載的載荷不大，脈沖當量小（δx=δy=0.01 mm/p），移動定位精度適中（vx max f=vy max f=350 mm/min）。根據這些特點，選用雙直線導軌加滾珠絲杠機構。滾珠絲杠副預緊后可消除反向間隙，傳動精度高，并且滾珠絲杠已經系列化，而且選用非常方便，有利于提高開發效率。
（2）滾珠絲桿機構同時選用內循環的形式，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸結構緊湊，軸向剛度高。
（3）由于定位精度要求不高，調隙方式選擇為墊片調隙式，這種調隙方式裝卸方便，剛性好，而且結構簡單。
電機是 CNC 機床工作的核心部件之一，也是控制導軌運動的動力源。導軌的直線運動是通過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 的定位精度并能滿足 0.01 mm 的脈沖當量。考慮到實驗教學用途，選擇混合式步進電機，降低成本，提高性價比。
2.3 聯軸器
聯軸器是用來聯接不同機構中主動軸和從動軸并使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械傳動件。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，該聯軸器具有以下特點。
（1）整體加工而成，質量輕，體積小巧。
（2）順時針和逆時針回轉特性完全相同。
（3）可以吸收振動，補償徑向、角向偏差，具有零回轉特性。
（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）適用于步進馬達、編碼器、機床平臺、點膠機、噴涂設備、電子設備以及微電機等精密產業機械。
該聯軸器的額定扭矩為 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）計算結果表明該選擇是合理的。
2.4 分度頭的設計
2.4.1 分度頭的組成
分度頭是 4 軸 CNC 實驗教學用銑床的一個關鍵部件，圖 3 給出了分度頭的三維模型。通過分度頭的轉動形成 A 軸。將分度頭設計為三爪卡盤形式具有普適性，既可在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
三爪卡盤上 3 個卡爪導向部分的下面，有螺紋與碟形傘齒輪背面的平面螺紋相嚙合，當用扳手通過四方孔轉動小傘齒輪時，碟形齒輪轉動，背面的平面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 個反爪，用來安裝直徑較大的工件。三爪卡盤的自行對中精確度為 0.05~0.15 mm。用三爪卡盤加工件的精度受到卡盤制造精度和使用后磨損情況的影響。三爪自定心卡盤利用 3 個螺釘，通過盤體止口端面上的螺孔，將卡盤緊固在機床法蘭上。將扳手插入任一齒輪方孔中，轉動扳手時，小齒輪帶動盤絲轉動，通過盤絲端面螺紋的轉動，帶動 3 塊卡爪同時趨進或離散。
2.5 刀具
目前市面上適合于作為微型 CNC 銑床的刀具主要是金剛石刀具，如圖 4 所示。此類刀具具有熱傳導好、硬度高、耐磨性好、變形量小以及切削刃鋒利等優點。選擇此類刀具與電子主軸的選型一致，適合裝夾。
圖 3 分度頭的三維模型
圖 4 金剛石銑刀
3 、控制系統設計
控制系統是 CNC 機床的核心技術之一。考慮到讓學生充分認識控制系統的組成和原理并激發學生動手的熱情，采用選用 AT89S51 單片機作為控制系統的主機。AT89S51 具有 4 kb 的 Flash 存儲容量、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 存放控制程序、固定的加工程序和其他數據，另選用一片 6264 RAM（8 kb）存放教學實驗加工件的數控程序及數據。由于進行了系統內存擴展，為使編程地址一致，采用譯碼器 74LS138 完成譯碼，對擴展芯片進行尋址。控制系統的總體設計如圖 5 所示。
圖 5 控制系統作業流程示意
圖 5 中 AT89S51 單片機系統是數控系統的核心，對鍵盤輸入的命令進行識別處理后，發出系列連續脈沖通過環形分配器、光電耦合器和功率放大器，按一定的順序分配給步進電機，控制步進電動機帶動工作臺、分度頭和主軸按照指令運動，從而實現 4 軸運動控制。
4 、系統工作環境
系統設計組裝完成后需要進行測試與調試，主要包括幾何誤差測算、主軸運動精度檢查以及微進給運動調試等，需達到微米級切削精度的要求。經反復測試最后形成可以使用的 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 銑床實物照片
根據實驗教學工作的需要，將系統工作時置于 100 級的超凈間。為了進一步減小環境溫度變化對機床熱變形的影響，室內溫度控制精度為（25±0.5）℃。在此溫度范圍內機床 Z 軸熱伸長量小于 0.1 μm。此外，為了提高系統的加工精度，最大限度地減少環境控制成本，本研究采取了對機床系統進行局部環境控制的措施，即在機床上加裝一個相對封閉的外罩，這樣外罩內的局部小環境可以單獨得到更高精度的控制。對比圖 2 與 6 可知，系統完全符合設計要求。
5、小結
CNC 課程的實驗教學離不開 CNC 設備。雖然大型 CNC 設備是很好的選擇，但對于學校而言是資源耗散型設備。考慮成本因素，結合學生電子技術基礎，自行設計組裝 CNC 系統應用于教學實踐，無疑能綜合提高學生的多種能力，既可激發學生的創作熱情，又能實現實驗教學目的。本研究的小微CNC 數控銑床的開發，就是出于這樣的考慮。
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