桌面級CNC加工平臺設計*

李勁松

(上海交通大學學生創新中心，上海 200240)

隨著創新創業浪潮的不斷發展，實驗室和創客對于小型、個性化產品的加工需求量加大，對于能夠實現這類加工設備的需求不斷上升[1-2]。上海交通大學學生創新中心是學生進行創新性實踐活動的重要場所，在實驗室開放過程中，學生除了對3D打印、激光切割等設備具有使用需求外[3-4]，對于數控(CNC)機床也有著相當大的加工使用需求[5-7]。傳統的大型車間CNC機床，對于學生開放性使用缺乏靈活性，同時存在一定安全隱患[8-9]。依托上海交通大學實驗技術專項課題，本文設計搭建了一款面向實驗室環境、桌面級、小型CNC加工平臺。在傳承常規大型CNC的主要優點前提下[10-12]，其體積縮小到桌面級，重量縮減到能夠較為方便地單人搬運，精度及性價比足夠高，同時易于維護保養，使得在普通實驗室環境下進行實踐教學、科研服務、學生創新項目等CNC加工成為可能。

1 系統主要功能及整體框架

1.1 桌面級CNC機床主要功能

(1)具備傳統機床的鉆銑削功能，同時添加激光器，使其具備激光雕刻、切割功能；

(2)全面兼容G代碼規范，同時具備開源特性；

(3)能夠接入網絡，實現遠程控制以及實時監測，具備較高的集成性和智能化特點。

1.2 系統整體框架

系統整體框圖如圖1所示。用戶通過操作端輸入控制指令或查看實時數據；通過服務器構建云平臺并進行計算分析；CNC控制模塊通過云平臺和遠程操作端進行交互；X、Y、Z三軸電機以及激光雕刻器根據CNC控制指令完成相應的動作。反饋傳感器實時監測銑削、雕刻過程并將數據返回CNC控制器及云平臺進行實時補償以提高加工精度。

2 硬件系統設計及搭建

平臺的主要結構示意圖和實物圖如圖2所示。該桌面級CNC平臺由8個部分組成，其中包括：主體框架1；加工平臺2；平行于工作平面的小輪同步帶平動機構3；平行于工作平面位于機構3上并與機構3垂直的小輪同步帶平動機構4；垂直于工作平面的滾珠絲杠傳動機構5；控制系統6；激光雕刻器7和反饋傳感器8。

2.1 支撐及傳動結構

整體結構剛度是CNC加工精度的根本保證[13]。傳統的大型CNC機床多采用燕尾槽加滾珠絲桿結構，材料則采用各種鋼材。這種方式具有非常高的整體剛度，但同時也導致整體重量大幅上升。本文采用如圖3所示的鋁型材搭建桌面CNC平臺，并搭配小車式結構進行支撐和傳動。鋁型材本身采用的鋁合金具有高強度和低密度的特性，并加工成特殊截面形狀，使其剛度有了很大提升。在相同體積或重量下，鋁型材比光軸有著更好的抗彎能力。更重要的是，鋁型材是一種較為廉價且簡便易得的標準件，用其構建平臺具有非常大的靈活性。

該方案與傳統的光桿加直線軸承結構相比，具有以下兩點優勢：

(1)由于配合間隙的存在，直線軸承結構在運動換向的情況下會出現擺動問題，而鋁型材滑輪結構由于是小車式往復運動，通過合理調校滾輪，可有效解決擺動問題。

(2)在大載荷下，直線軸承結構的配合間隙會快速增大，并且配合間隙沿徑向的分布是不均勻的，這又會導致磨損進一步加劇，縮短整體使用壽命。而小車式結構，每一組滑輪的磨損沿徑向是均勻分布的，并且各組滑輪間磨損相對一致，這樣導致的結果是被支承結構的整體偏移，便于補償調整，從而能夠有效延長使用壽命。

同時，給每一個滑輪配備了偏心軸套結構，用于微調每個滑輪的位置，在細節上進行了優化設計。在裝配階段，可以通過精調每一個滑輪相對鋁型材的壓緊力來減少往復運動時的擺動。經過長時間使用以后，即使各組滑輪磨損不平衡，也可以通過微調偏心軸套重新配平。

2.2 驅動機構

運動機構需要配合良好的驅動機構方能實現高精度的定位[14]。這要求電機與傳動系統具有良好的定位性能以及盡可能小的運動回隙，以保證整個系統工作狀態下的穩定性。因此，該平臺采用了如圖4所示的步進電機配合同步帶與同步輪的驅動方案，很好地解決了驅動機構與運動機構的配合問題。

電機選用了兩相四線步進電機，步距角是1.8°，即一個整步是1.8°。此類型的電機應用廣泛，尺寸樣式多，易于采購且支持的驅動器型號也較多。考慮到Z軸(豎直)方向上并不需要較大運動力矩，Z軸上采用了42步進電機；X和Y軸上則采用了57步進電機。同時，采用DRV8825驅動器，該驅動器最高可以做到32細分，也就是說，當控制器給驅動器一個步進脈沖時，電機僅轉過1.8°/32=0.056 25°，滿足了平臺對其運動精度的要求。DRV8825驅動器可以達到2.5 A輸出電流，能滿足57步進電機的電流需求。同時DRV8825價格低廉，具有編程簡單、體積小、內置錯誤檢測電路及保護功能完善等優勢。

3 軟件系統設計及搭建

3.1 整體控制流程

平臺整體控制流程如圖5所示。主要包括遠程操作端(個人計算機)、計算分析端(云平臺)和本地執行端(云端設備-CNC機床)。在遠程操作端，用戶將所要加工的3D模型、圖片或者PCB設計文件通過ArtCAM[15]等軟件轉化生成G代碼序列文件。然后通過網頁瀏覽器構建的操作界面將G代碼文件通過云平臺分發至云端設備。通過網頁瀏覽器，用戶可以方便地構建遠程控制界面和狀態監測界面，實時監測CNC機床的加工過程，并可進行遠程手動控制。采用商用云服務搭建云平臺，在保證平臺穩定性和便捷性的同時，有效降低維護成本。

云端設備通過樹莓派[16]接受云平臺發送的信息，將接受到的G代碼通過USB傳輸方式，傳送到CNC機床AVR單片機中，由單片機具體控制各軸電機以及激光雕刻器以達到加工的目的。樹莓派擁有本地控制界面、基于QT控制軟件和Web操作界面等3種操作方式，可以方便地實現遠程和本地控制。

3.2 AVR單片機控制流程

AVR單片機控制流程如圖6所示。單片機通過CH340(USB轉串口)接受G代碼，并判斷代碼的有效性，有效的代碼將進入緩存隊列進行緩存。隨后，根據緩存隊列中未來的路徑并結合加減速控制、回隙補償，計算出最優化的步進電機控制信號脈沖長度和間隔，將計算結果保存進緩存隊列中。同時，單片機也會計算控制主軸所需的PWM參數值并進行緩存。最后，利用片上定時器根據計算的數據精確生成控制信號，分別控制各電機驅動器。位移編碼器則會將信號返回到AVR中，通過定時器實時捕捉，計算位移量用于補償步進電機運動誤差。同時，將計算的位移量進行G代碼編碼，發送至遠程控制端，實時顯示加工過程中的誤差。

4 系統調試與應用

本文所設計搭建的CNC平臺實物樣機，已作為交大學生創新中心開放實驗室的加工平臺，學生使用興趣濃厚。分別用于實踐教學(CNC使用流程實踐課程)、科研服務(電路板銑制)、學生創新項目加工(大創、PRP、競賽)等實際用途。加工范圍涉及亞克力板、鋁材、覆銅PCB、木材、硬紙板等，可滿足學生創新實踐需求。實際加工結果表明，該平臺具有小型化、精度高、成本低、可遠程操控等特點。下面通過兩個案例來進一步驗證所設計的CNC加工平臺的優勢和特點。

(1)疫情期間遠程加工

學生的創新PRP項目需要采用亞克力板雕刻一個卡通人物。因校園管控，學生無法返校，于是利用CNC平臺的遠程控制方式實現加工過程。首先，在遠程操作端將卡通人物的照片生成相應的G代碼序列，然后將序列通過云平臺傳送至CNC機床進行加工，再將加工完成的作品快遞給學生。遠程操作控制界面如圖7所示，相應的加工結果如圖8所示。可見，加工的實物線條清晰，逼真形象，具備較高的分辨率。

(2)科研加工服務

某教師在進行相關產品研發時需要加工TDA2822電路板，采用本文所設計的CNC加工平臺進行銑制。首先，將PCB導出用于規劃線路走向的Gerber文件，再將Gerber文件導入CopperCAM以設置刀具及切割參數，得到相應的G代碼，通過G代碼控制CNC機床使用銑刀加工表層線路，得到成品電路板如圖9所示。經過后期處理，電路板能夠滿足用戶需求。

經測試，該桌面CNC系統X-Y方向制造面積達到250 mm×300 mm，X-Y方向加工精度達到0.04 mm。平臺具有便捷的操作流程和較高的穩定性，能夠滿足開放性實驗室的加工需求。本文所設計的CNC平臺樣機參數表1。

表1 樣機參數表

5 技術特性及突破情況

本文所設計的CNC平臺需具備以下技術特性：

(1)開放性使用環境決定了平臺很難得到頻繁的精密維護及保養。因此，平臺需要具有較長的免維護使用壽命，同時維護保養的流程也需要盡可能簡單易行。

(2)目標應用對象是對成本相對敏感的，因此需要在有限的成本內最大化平臺精度等性能指標。同時需要嚴格控制重量和體積，實現實驗室桌面級應用。

(3)專業的CNC設備操控界面較為復雜，無專業背景的人員上手較難。平臺面向的是師生及創客等無專業背景的人員，因此需要一個簡單易用又兼容既有G代碼規范的交互界面。同時，平臺應具備遠程操作和監控功能。

基于以上技術特點，設計中采取了以下解決方案：

(1)摒棄了傳統的直線軸承及導軌方案，采用標準化、易于采購的鋁型材進行構建，并配合滑輪組成小車式結構。同時，創新性地引入偏心軸套結構，使得平臺可以獲得較高的校準后精度。并且在日常維護中，可以很方便地進行校準，補償因磨損帶來的誤差。

(2)同步帶使用兩端固定的開放式結構，由于同步帶長度減半，相比于傳統的閉環式同步帶結構，可以有效減小回隙，提高精度。

(3)設計了Arduino兼容硬件控制主板，配合基于樹莓派的Web控制服務端。移植了開源G代碼解析器和Web控制軟件，界面簡單易用，用戶通過網頁瀏覽器即可實現平臺操作和監控。此外，由于樹莓派和Arduino的開源特性，高級用戶可以在底層固件層面進行二次開發。該平臺不僅是一臺性能良好的CNC加工設備，其本身更可以作為研究開發之用。

6 結語

本文基于云平臺、樹莓派、AVR單片機等技術設計了一款桌面級CNC加工平臺。實際加工結果表明，該平臺具有小型化、精度高、成本低、可遠程操控等特點。該桌面級CNC平臺實物樣機已經成為交大學生創新中心開放實驗室的教具及加工設備。在同等加工精度條件下，與國內外同類產品相比，該平臺具有體積小、重量輕、開源性好，性價比高等優點，有效填補相關領域空白，已申請國家發明專利。經過后續功能升級優化，不僅能夠滿足高校師生的小型個性化實驗室加工需求，還具備產品化推廣、輻射社區(中小學、創新園區、創客空間)的廣闊市場應用前景。

平臺的后續優化研發方向：

(1)整體結構優化設計。目前平臺的三軸結構總成耦合度過高，在拆卸Z軸時，必須先拆卸X、Y軸總成。后期可以加以改進，使得每一軸的總成都可以被快速獨立拆卸。

(2)控制主板的集成定制設計。采用高性能計算模塊，將所有控制功能集成于一塊主板之上，進一步壓縮設備體積和成本。