实验用4轴CNC铣床的开发研究

官 峰

（佛山科学技术学院机电工程系，广东佛山528000）

随着CNC技术的出现，不同形式的数控加工设备相继使用在各个生产行业，例如，CNC车床、铣床以及CNC加工中心等，而且目前CNC技术已经向智能化方向发展［1-2］。在这样的形势下，CNC机床的设计与组装已经成为本科机电专业学生的重要实践课程。通过设计与组装，学生不仅可以掌握CNC设备的工作原理、系统结构、关键零部件及其生产工艺过程［3］，而且可以认知数控系统改造等企业常见技术改造工作的内涵以及数控设备故障排除的过程［4-5］。

目前，很多学校和教学实验设备企业都开展了实验教学用CNC设备的设计制造，收到了很好的效果。文献［6］介绍了实验教学用数控雕铣实验机的研制，文献［7］探讨了实验教学用数控铣床与机械手模型的设计与控制，文献［8］介绍了实验教学用数控车床的研制与应用，文献［9］介绍了实验教学用数控车床的改造。

鉴于不同学校在专业设置的目的和教学内容各有特点，教学实践的重点各异，一般高校都自行采用根据教学大纲的要求来设计的相应教学实践设备配置［10］。本研究开发一款实验教学用4轴CNC铣床，下面介绍该铣床的基本结构及其设计过程。

1 机床结构设计

1.1 机床尺寸选定

实验教学用设备一般都需要考虑减少占用实验场地的要求。因此本研究采用微型结构，设定床身尺寸（长×宽×高）为450 mm×450 mm×631 mm。

1.2 机床布局方式

一般情况小型立式数控铣床大多采用平台移动、升降以及主轴转动方式，主要有如图1所示的3种布局方式可以选择。

1.3 机床布局方式选定

经过对3种机床布局方式比对，本研究选用图1a的布局方式。4个运动轴分别为X、Y、Z这3个方向的运动，外加一个分度头作为A轴。

各运动轴的具体参数如下所述。

（1）X方向行程。X方向行程为210 mm。

（2）Y方向行程。Y方向行程为210 mm。

（3）Z方向行程。Z方向行程为110 mm。

（4）分度头A轴转角。分度头A轴转角为0～360°。

（5）工作台的工作面积。工作台的工作面积为220 mm×125 mm。

（6）机床底座面积。机床底座面积为450 mm×450 mm。

（7）平均切削力。平均切削力为500 N。

（8）快进进给速度。快进进给速度为50 mm/s。

（9）主轴最高转速。最高转速为10 000 r/min。

（10）定位精度。定位精度为0.2 μm。

2 机床总体设计

根据设计要求与参数，确定采用3坐标立式结构布局，水平面设置为X、Y轴二维工作台和垂直方向的Z轴工作台，主轴电机固定安装在Z轴上，分度头安置在X轴方向运动机构平台上。主要部件包括机床底座，横向溜板，X、Y、Z方向进给步进电动机，工作台、机床床身以及分度头（A轴）。其中X-Y-Z运动平台的机械部分主要包括滚珠丝杆副、直线导轨、联轴器和工作台面。关键零部件为滚珠丝杆、联轴器、滚动直线导轨以及步进电动机。机床装配三维示意如图2所示。

图1 微型铣床的3种立式布局

图2 装配体三维示意

实验教学用CNC旨在向学生展示CNC的工作与切削原理。因此机床的关键零部件及其总成关系必须清晰，并且要能展示实验教学所需的各个内容。由此可知，机床的主轴、导轨、分度头以及刀具需要考虑。考虑到实验教学的特点，控制成本的因素也是很重要的方面。因此宜尽量采用国内一些成熟套件组装以减少投入及开发周期。

2.1 主轴

机床主轴的转速和抖动影响决定被加工零件的表面精度及粗糙度。为能满足工件所需的切削速度，主轴应具有10 000 r/min以上的可调转速。从精度要求考虑，主轴的抖动幅值需要控制在0.1 μm以内。机床高速电主轴是主轴机构由内置电动机直接驱动的新技术，取消了以往机床主轴的带轮传动和齿轮传动。这种机床主轴与主轴电动机相结合的传动结构，使主轴直接成为一个独立单元。目前的数控机床几乎都采用电主轴作为主轴系统，因此选择电主轴是比较合适的。作为实验教学用CNC机床的主轴既能够反映时代的发展，又能使学生对电主轴增加了解。

2.2 导轨系统

X-Y工作台主要靠两个导轨的纵横运动形成作业平台。

（1）考虑到实验教学应用的特点，工作台承载的载荷不大，脉冲当量小（δx=δy=0.01 mm/p），移动定位精度适中（vxmaxf=vymaxf=350 mm/min）。根据这些特点，选用双直线导轨加滚珠丝杠机构。滚珠丝杠副预紧后可消除反向间隙，传动精度高，并且滚珠丝杠已经系列化，而且选用非常方便，有利于提高开发效率。

（2）滚珠丝杆机构同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。

（3）由于定位精度要求不高，调隙方式选择为垫片调隙式，这种调隙方式装卸方便，刚性好，而且结构简单。

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电机是CNC机床工作的核心部件之一，也是控制导轨运动的动力源。导轨的直线运动是通过丝杠及螺母副把电机的旋转运动转换而来，电机和滚珠丝杠副配合机构需要满足±0.01 mm的定位精度并能满足0.01 mm的脉冲当量。考虑到实验教学用途，选择混合式步进电机，降低成本，提高性价比。

2.3 联轴器

联轴器是用来联接不同机构中主动轴和从动轴并使之共同旋转以传递扭矩的机械传动件。目前有多种联轴器可以供选择。考虑到CNC的实验教学功能，本研究选用双螺纹线联轴器ML4-C28-1012，该联轴器具有以下特点。

（1）整体加工而成，质量轻，体积小巧。

（2）顺时针和逆时针回转特性完全相同。

（3）可以吸收振动，补偿径向、角向偏差，具有零回转特性。

（4）免维修，具有抗油和耐腐蚀特性。

（5）具有较高的扭矩和弹性的特性。

其中，KA为工作情况系数，考虑到载荷问题，这里取KA=1.5；P为输出功率，单位为kw；T为理论转矩，单位为N·m；Tc为计算转矩，单位为N·m；n为工作转速，单位为r/min。

于是可得出联轴器的转矩为

式（2）计算结果表明该选择是合理的。

2.4 分度头的设计

2.4.1 分度头的组成

分度头是4轴CNC实验教学用铣床的一个关键部件，图3给出了分度头的三维模型。通过分度头的转动形成A轴。将分度头设计为三爪卡盘形式具有普适性，既可在加工时对旋转工件进行夹紧又可实现第4轴的运动功能。分度头的基本结构三爪卡盘由卡盘体、活动卡爪和卡爪以及驱动机构组成。

2.4.2 分度头的装夹原理

三爪卡盘上3个卡爪导向部分的下面，有螺纹与碟形伞齿轮背面的平面螺纹相啮合，当用扳手通过四方孔转动小伞齿轮时，碟形齿轮转动，背面的平面螺纹同时带动三个卡爪向中心靠近或退出，用以夹紧不同直径的工件。将3个卡爪换上3个反爪，用来安装直径较大的工件。三爪卡盘的自行对中精确度为0.05～0.15 mm。用三爪卡盘加工件的精度受到卡盘制造精度和使用后磨损情况的影响。三爪自定心卡盘利用3个螺钉，通过盘体止口端面上的螺孔，将卡盘紧固在机床法兰上。将扳手插入任一齿轮方孔中，转动扳手时，小齿轮带动盘丝转动，通过盘丝端面螺纹的转动，带动3块卡爪同时趋进或离散。

2.5 刀具

目前市面上适合于作为微型CNC铣床的刀具主要是金刚石刀具，如图4所示。此类刀具具有热传导好、硬度高、耐磨性好、变形量小以及切削刃锋利等优点。选择此类刀具与电子主轴的选型一致，适合装夹。

图3 分度头的三维模型

图4 金刚石铣刀

3 控制系统设计

控制系统是CNC机床的核心技术之一。考虑到让学生充分认识控制系统的组成和原理并激发学生动手的热情，采用选用AT89S51单片机作为控制系统的主机。AT89S51具有4 kb的Flash存储容量、2个16位定时器、6个中断源、128 b的RAM、一个14位的计数器WDT和32个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数据，另选用一片6264 RAM（8 kb）存放教学实验加工件的数控程序及数据。由于进行了系统内存扩展，为使编程地址一致，采用译码器74LS138完成译码，对扩展芯片进行寻址。控制系统的总体设计如图5所示。

图5中AT89S51单片机系统是数控系统的核心，对键盘输入的命令进行识别处理后，发出系列连续脉冲通过环形分配器、光电耦合器和功率放大器，按一定的顺序分配给步进电机，控制步进电动机带动工作台、分度头和主轴按照指令运动，从而实现4轴运动控制。

4 系统工作环境

系统设计组装完成后需要进行测试与调试，主要包括几何误差测算、主轴运动精度检查以及微进给运动调试等，需达到微米级切削精度的要求。经反复测试最后形成可以使用的CNC铣床。铣床的实物照片如图6所示。

根据实验教学工作的需要，将系统工作时置于100级的超净间。为了进一步减小环境温度变化对机床热变形的影响，室内温度控制精度为（25±0.5）℃。在此温度范围内机床Z轴热伸长量小于0.1 μm。此外，为了提高系统的加工精度，最大限度地减少环境控制成本，本研究采取了对机床系统进行局部环境控制的措施，即在机床上加装一个相对封闭的外罩，这样外罩内的局部小环境可以单独得到更高精度的控制。

对比图2与6可知，系统完全符合设计要求。

图5 控制系统作业流程示意

图6 实验教学用4轴CNC铣床实物照片

5 小结

CNC课程的实验教学离不开CNC设备。虽然大型CNC设备是很好的选择，但对于学校而言是资源耗散型设备。考虑成本因素，结合学生电子技术基础，自行设计组装CNC系统应用于教学实践，无疑能综合提高学生的多种能力，既可激发学生的创作热情，又能实现实验教学目的。本研究的小微CNC数控铣床的开发，就是出于这样的考虑。