微型數控銑床的研發

宋壯

【摘 要】微型數控銑床在時代的要求下應運而生，利用小型數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，以實現穩定的運動控制，從而完成高精度加工制造。在研究國內外微型數控機床發展的基礎上，根據機械結構設計的基本原理，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，作是國民經濟的主體，是一個國家強盛的關鍵所在。為了加快我國科學技術和制造業的發展進程，我國提出了“中國制造2025”的戰略部署，該戰略是中國數百名站在科技前沿的院士共同制定的。而現在對于制造業，傳統的制造已經逐漸被淘汰，正在向著智能化、綠色、超精密的方向發展。而正是為了適應是時代的要求，數控加工技術應運而生。“中國制造2025”戰略部署也正是提出了對高檔數控機床的要求。而傳統的大型數控機床漸漸的也無法滿足現代制造業的發展現狀。因為現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，以實現穩定的運動控制，從而完成高精度加工制造。因此，微型機床的研究與開發越來越被人們廣泛的關注。在此基礎上，本課題也設計開發了小型三軸數控銑床。

1.研究現狀

早在20世紀40年代，美國就在數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，為數控裝置的發展奠定了基礎。1948年，美國為了滿足軍方的一些要求，加大了對數控機床的研制力度，并將當時最新的自動控制技術和檢測技術與機床相結合，終于在1952年成功研制出第一臺通過計算機控制的數控機床，在對它經過數次的改進，三年后實現了產業生產，并開始走向市場。

作為國內工科院校實力強大的哈爾濱工業大學早在2006年也投入了對數控銑床小型化的研究當中。并于同年，哈爾濱工業大學成功研發設計了一臺小型數控銑床。這臺小型數控銑床是高精密多軸聯動的，在當時具有先進的影響意義。這臺數控銑床配置了自主研發的一套中文控制系統，采用閉環控制回路控制各軸的驅動。哈爾濱工業大學又繼續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控銑床，這臺小型數控銑床改變原來僅有的三軸聯動，成功研發制作出一臺小型五軸聯動微細銑削機床，而這款小型機床采用了龍門架固定方式，配置方式為雙旋轉式，可以復雜的小型零件的加工。

2.微型數控銑床設計方案

2.1進給系統設計

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

理論上，驅動系統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，這會降低整機的經濟性。可以考慮零件在結構上的應用和匹配，以使整個系統滿足技術要求。

根據加工需求和成本，本設計的小型龍門數控銑床的進給電機選擇為步進電機。它可以構成沒有反饋的簡單實用的數字伺服系統，已成功應用于開環數控系統。然而，步進電機的驅動系統沒有反饋環節，這一點是不同于交流伺服電機的閉環，所以它精度比較差。但是，步進電機的優點是相對于交流伺服電機其結構和控制簡單，易于調整，因此在低速，低精度下具有一定的使用價值。

進給系統的傳動機構是指將電機工作產生的動力傳遞到運動機構，從而使零件到達工作的指定位置，為加工制造環節做準備。傳動機構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，傳統機構除了這些部件還包括一些支承部件。銑床對傳動系統的要求：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微型數控銑床的建模

對本設計的關鍵部位零件選型結束以后，并結合實際，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。所設計的三軸聯動微型龍門數控銑床整體尺寸620mm×520mm×750mm，工作臺尺寸306mm×286mm。

參考文獻：

[1]機械設計手冊，北京：機械工業出版社，2004

[2]李慶余、孟廣耀主編，機械制造裝備設計，機械工業出版社，2008.7

[3]張新義編著，經濟型數控機床系統設計，北京：機械工業出版社，1994.1

[4]盧飛，微型移動龍門數控銑床結構設計與優化，重慶交通大學，2009

[5]陳哲，小型三軸數控銑床結構優化設計，長春理工大學，2018

[6]王泉霖. 龍門銑床結構分析及優化設計研究[D].長春工業大學，2012.3

[7]于亞婷，杜平安，王振偉.有限元法的應用現狀研究[J].機械設計，2005.22

[8]陳嬋娟編著，數控車床設計，化學工業出版社，2006

[9]邱宣懷，機械設計（第四版），高等教育出版社，1995.

（作者單位：山東理工大學）