桌面微型数控铣床的设计与实现

桌面微型数控铣床的设计与实现

作者：刘强

来源：《中国科技博览》2017年第14期

[摘要]针对学生经常性微小零件的加工，而设计了一款桌面微型数控铣床的机械部分，并以个人计算机为平台，运用网上开放软件及相关驱动构建了其低成本的控制系统，从而开发了一套完整的桌面微型数控铣床。

[关键词]桌面；数控；控制；铣床

中图分类号：U426 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）14-0036-01

在双创思想引导下，大学生创新创业思维异常活跃，一大批大学生需要加工他们的创意。数控铣床由于其高效、操作简单等优点大受学生欢迎，尽管如此，数控铣床仍有成本高、加工范围小，无法为大多数学生所使用等局限性。故低成本桌面微型数控铣床的发展对于数控制造技术和装备的发展是有益的补充。桌面铣床由于体积小、质量小、发热量小，同时具有能耗低、成本低、安全等优点，符合节能、环保的要求。桌面微型数控铣床在结构上简化了进给、传动、变速等，并运用网上开源数控软件，易于学习和掌握，适合进行微小零件的制造，可应用于教育和科研等诸多领域。

1、机械结构设计实现

随着微小化制造的发展，对微小零件高效加工的需求显得愈发迫切。因此，针对性地设计并构建了桌面微型数控铣床。其整体基本结构如图1所示。

本设计的桌面微型数控铣床床身尺寸为350×220×190mm。主要加工对象为PCB板，木头，塑料等。铣床X、Y、Z方向的进给运动是由导轨导向，电机带动丝杆驱动该向部件做直线运动。其中X方向选用长宽尺寸为 350×12mm的滚动导轨和350×Φ12mm 的滚珠丝杠，Y方向选择长宽尺寸为 160×12mm的滚动导轨和160×Φ12mm的滚珠丝杠，Z方向选择长宽尺寸为220×12mm的滚动导轨和220×Φ12mm的滚珠丝杠。选择滚动导轨与滚珠丝杠组合，能够有效减小工作台行走时的摩擦阻力，使走刀通顺，减小了进给驱动电机的负载，有利于整机总体设计。选用的滚动导轨与滚珠丝杠大大提高三轴精度与平稳度，适用于本桌面微型数控铣床的机械结构与电力驱动。主轴的传动设计非常简洁，由电机+联轴器+主轴的模式构成，减少了许多中间传动机构，从而降低了结构的复杂性，提高了整机的可靠性。

2、桌面微型铣床的软件驱动

所设计的桌面数控车床系统软件，以通用式电脑作为数控软件的支撑平台，并通过计算机并口与控制驱动连接通信，简单方便地实现了铣床的控制。采用这种个人计算机式的数控系统主要有以下几个优势：

（1）个人计算机普及度广、成本低。（2）开源软件进一步降低成本，同时网上有大量资料易于学习和掌握其数控操作，也能适用于教学、工业等多种环境，增强其适用性。（3）个人计算机具有很强的通信功能，便于管理。（4）抗干扰和抗恶劣环境的能力强。

3、桌面型数控铣床的控制驱动原理

桌面型数控铣床的控制驱动原理结构框图如图2所示。

根据桌面微型数控铣床加工对象、加工要求、应用环境等方面的不同，其控制方案的选择也随之不同。由于桌面向微型数控铣床的加工对象主要是PCB板，木材，塑料等，所以首先对主轴转速有一定的要求。通过查阅资料并结合市场经验，主轴电机主要有直流伺服电机和高速直流电机两种选择。而根据加工精度和成本的综合考虑，进给轴选择使用步进电机驱动或伺服电机。在优先考虑成本及加工精度的情况下，主轴采用高带直流电机，进给轴使用步进电机驱动的方案。

步进电机的优点有：（1）步距值不受各种干扰因素的影响。如电压的大小，电流的数值、波形、温度的变化等。（2）误差不长期积累。步进电机每走一步所转过的角度与理论步距之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，也总有一定的累积误差，但是，每转一圈的累积误差为零，所以步距的累积误差不是长期的累积下去。（3）控制性能好，启动、停车、翻转都是在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步。所以，步进电机被广泛应用于数控机床上。

4、脱机控制器，采用高性能32位CPU，配备液晶显示器，人性化的窗口式人机界面，存储器采用外接TF卡，存储空间大于2G，工作电压与控制电压采用隔离方式，轻触式操作键盘。具有可靠性高，精度高，噪音小，操作方便等特点。控制器可以三轴联动，应用多微线段前瞻控制算法，实现三轴直线插补与三轴多微多线段连续插补。

控制器可设置与加工、操作有关的各个控制参数，使加工效果达到最佳状态。可实现手动、点动、回程序零、回机械零、坐标清零等操作。可对程序进行新建、删除、修改、读入、保存、自动加工，连续、暂停等功能。可定义多种外部手动功能，以方便使用。控制器最小数据单位0.0001mm，最大数据尺寸±99999.999mm，最高脉冲输出频率50KHz。控制轴数4轴（X，Y，Z，A）联动轴数3轴联动并具有三轴多微多线段前瞻插补控制。

5、结束语

桌面微型数控铣床是未来工厂的重要生产工具和装备。微小化是所有一切产品的发展方向。特别是当今万众创新大众创业的浪潮中更有其一席之地，大学生的创新创意产品通过低成本而又安全可靠的本桌面微型数控铣床得以实现，这是大型复杂的设备所不可比拟的。

参考文献

[1] 唐蔡华，冯广智.车床加工精度控制的创新方法探讨[J].信息系统工程，2011.

[2] 张卫东.数控车床加工精度的工艺处理及优化[J].长春大学学报，2011.