微型數(shù)控銑床的研發(fā)

宋壯

【摘 要】微型數(shù)控銑床在時代的要求下應運而生，利用小型數(shù)控機床來加工小型的、精密性的零件不僅可以提高空間利用率、降低能耗和加工成本而且可以輕松的提高加工效率，以實現(xiàn)穩(wěn)定的運動控制，從而完成高精度加工制造。在研究國內(nèi)外微型數(shù)控機床發(fā)展的基礎上，根據(jù)機械結(jié)構(gòu)設計的基本原理，通過計算和分析，完成各個部件的設計，使其可以滿足一些較小零件的加工需求，以及滿足學校實驗室的教學工作。

引言

制造業(yè)，作是國民經(jīng)濟的主體，是一個國家強盛的關(guān)鍵所在。為了加快我國科學技術(shù)和制造業(yè)的發(fā)展進程，我國提出了“中國制造2025”的戰(zhàn)略部署，該戰(zhàn)略是中國數(shù)百名站在科技前沿的院士共同制定的。而現(xiàn)在對于制造業(yè)，傳統(tǒng)的制造已經(jīng)逐漸被淘汰，正在向著智能化、綠色、超精密的方向發(fā)展。而正是為了適應是時代的要求，數(shù)控加工技術(shù)應運而生。“中國制造2025”戰(zhàn)略部署也正是提出了對高檔數(shù)控機床的要求。而傳統(tǒng)的大型數(shù)控機床漸漸的也無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。因為現(xiàn)代零件也越來越小型化、精密化。而對于小型零件的加工和制造，使用大型數(shù)控機床有點大材小用。但是采用小型機床則可以解決各種各樣的問題，利用小型數(shù)控機床來加工小型的、精密性的零件不僅可以提高空間利用率、降低能耗和加工成本而且可以輕松的提高加工效率，以實現(xiàn)穩(wěn)定的運動控制，從而完成高精度加工制造。因此，微型機床的研究與開發(fā)越來越被人們廣泛的關(guān)注。在此基礎上，本課題也設計開發(fā)了小型三軸數(shù)控銑床。

1.研究現(xiàn)狀

早在20世紀40年代，美國就在數(shù)控機床的研制中投入了大量的精力，隨著世界上第一臺計算機的誕生，為數(shù)控裝置的發(fā)展奠定了基礎。1948年，美國為了滿足軍方的一些要求，加大了對數(shù)控機床的研制力度，并將當時最新的自動控制技術(shù)和檢測技術(shù)與機床相結(jié)合，終于在1952年成功研制出第一臺通過計算機控制的數(shù)控機床，在對它經(jīng)過數(shù)次的改進，三年后實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)，并開始走向市場。

作為國內(nèi)工科院校實力強大的哈爾濱工業(yè)大學早在2006年也投入了對數(shù)控銑床小型化的研究當中。并于同年，哈爾濱工業(yè)大學成功研發(fā)設計了一臺小型數(shù)控銑床。這臺小型數(shù)控銑床是高精密多軸聯(lián)動的，在當時具有先進的影響意義。這臺數(shù)控銑床配置了自主研發(fā)的一套中文控制系統(tǒng)，采用閉環(huán)控制回路控制各軸的驅(qū)動。哈爾濱工業(yè)大學又繼續(xù)進行了更加深入的研究，并在幾年以后又成功研制了另一臺小型數(shù)控銑床，這臺小型數(shù)控銑床改變原來僅有的三軸聯(lián)動，成功研發(fā)制作出一臺小型五軸聯(lián)動微細銑削機床，而這款小型機床采用了龍門架固定方式，配置方式為雙旋轉(zhuǎn)式，可以復雜的小型零件的加工。

2.微型數(shù)控銑床設計方案

2.1進給系統(tǒng)設計

進給系統(tǒng)的組成主要為進給電機，執(zhí)行部件和它們之間的機械傳動部分。它的功能是接收CNC系統(tǒng)的運動控制信號來驅(qū)動電動機，通過機械傳動機構(gòu)將動力旋轉(zhuǎn)到螺母座的線性運動，從而驅(qū)動數(shù)控銑床工作臺、水平滑動架、主軸支撐等部件實現(xiàn)進給運動。

理論上，驅(qū)動系統(tǒng)的每個部分都應為高精度的部件。但是每一個部件均選擇精度高的零部件會造成生成成本比較高，這會降低整機的經(jīng)濟性。可以考慮零件在結(jié)構(gòu)上的應用和匹配，以使整個系統(tǒng)滿足技術(shù)要求。

根據(jù)加工需求和成本，本設計的小型龍門數(shù)控銑床的進給電機選擇為步進電機。它可以構(gòu)成沒有反饋的簡單實用的數(shù)字伺服系統(tǒng)，已成功應用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。然而，步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)沒有反饋環(huán)節(jié)，這一點是不同于交流伺服電機的閉環(huán)，所以它精度比較差。但是，步進電機的優(yōu)點是相對于交流伺服電機其結(jié)構(gòu)和控制簡單，易于調(diào)整，因此在低速，低精度下具有一定的使用價值。

進給系統(tǒng)的傳動機構(gòu)是指將電機工作產(chǎn)生的動力傳遞到運動機構(gòu)，從而使零件到達工作的指定位置，為加工制造環(huán)節(jié)做準備。傳動機構(gòu)可以通過齒輪進行傳動，也可以采用帶傳動，或者絲杠螺母傳動，傳統(tǒng)機構(gòu)除了這些部件還包括一些支承部件。銑床對傳動系統(tǒng)的要求：提高傳動部分的剛性、減小傳動部分的慣性、減小傳動部分的間隙、降低系統(tǒng)的摩擦阻力。本設計主要采用滾珠絲杠，在Z軸方向、X軸方向、Y軸方向均安裝了滾珠絲杠。用做傳動功能。

2.2微型數(shù)控銑床的建模

對本設計的關(guān)鍵部位零件選型結(jié)束以后，并結(jié)合實際，運用SolidWorks對每一個零件進行了三維建模。并且完成各部件的裝配。所設計的三軸聯(lián)動微型龍門數(shù)控銑床整體尺寸620mm×520mm×750mm，工作臺尺寸306mm×286mm。

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（作者單位：山東理工大學）