桌面級(jí)CNC加工平臺(tái)設(shè)計(jì)*

李勁松

(上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心，上海 200240)

隨著創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)浪潮的不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)客對(duì)于小型、個(gè)性化產(chǎn)品的加工需求量加大，對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)這類(lèi)加工設(shè)備的需求不斷上升[1-2]。上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心是學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)踐活動(dòng)的重要場(chǎng)所，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放過(guò)程中，學(xué)生除了對(duì)3D打印、激光切割等設(shè)備具有使用需求外[3-4]，對(duì)于數(shù)控(CNC)機(jī)床也有著相當(dāng)大的加工使用需求[5-7]。傳統(tǒng)的大型車(chē)間CNC機(jī)床，對(duì)于學(xué)生開(kāi)放性使用缺乏靈活性，同時(shí)存在一定安全隱患[8-9]。依托上海交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)專(zhuān)項(xiàng)課題，本文設(shè)計(jì)搭建了一款面向?qū)嶒?yàn)室環(huán)境、桌面級(jí)、小型CNC加工平臺(tái)。在傳承常規(guī)大型CNC的主要優(yōu)點(diǎn)前提下[10-12]，其體積縮小到桌面級(jí)，重量縮減到能夠較為方便地單人搬運(yùn)，精度及性?xún)r(jià)比足夠高，同時(shí)易于維護(hù)保養(yǎng)，使得在普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)、科研服務(wù)、學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目等CNC加工成為可能。

1 系統(tǒng)主要功能及整體框架

1.1 桌面級(jí)CNC機(jī)床主要功能

(1)具備傳統(tǒng)機(jī)床的鉆銑削功能，同時(shí)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(guī)范，同時(shí)具備開(kāi)源特性；

(3)能夠接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具備較高的集成性和智能化特點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。用戶(hù)通過(guò)操作端輸入控制指令或查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；通過(guò)服務(wù)器構(gòu)建云平臺(tái)并進(jìn)行計(jì)算分析；CNC控制模塊通過(guò)云平臺(tái)和遠(yuǎn)程操作端進(jìn)行交互；X、Y、Z三軸電機(jī)以及激光雕刻器根據(jù)CNC控制指令完成相應(yīng)的動(dòng)作。反饋傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銑削、雕刻過(guò)程并將數(shù)據(jù)返回CNC控制器及云平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償以提高加工精度。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及搭建

平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖2所示。該桌面級(jí)CNC平臺(tái)由8個(gè)部分組成，其中包括：主體框架1；加工平臺(tái)2；平行于工作平面的小輪同步帶平動(dòng)機(jī)構(gòu)3；平行于工作平面位于機(jī)構(gòu)3上并與機(jī)構(gòu)3垂直的小輪同步帶平動(dòng)機(jī)構(gòu)4；垂直于工作平面的滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)5；控制系統(tǒng)6；激光雕刻器7和反饋傳感器8。

2.1 支撐及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)剛度是CNC加工精度的根本保證[13]。傳統(tǒng)的大型CNC機(jī)床多采用燕尾槽加滾珠絲桿結(jié)構(gòu)，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(shí)也導(dǎo)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(tái)，并搭配小車(chē)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐和傳動(dòng)。鋁型材本身采用的鋁合金具有高強(qiáng)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(jià)且簡(jiǎn)便易得的標(biāo)準(zhǔn)件，用其構(gòu)建平臺(tái)具有非常大的靈活性。

該方案與傳統(tǒng)的光桿加直線軸承結(jié)構(gòu)相比，具有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)由于配合間隙的存在，直線軸承結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)換向的情況下會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)問(wèn)題，而鋁型材滑輪結(jié)構(gòu)由于是小車(chē)式往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)合理調(diào)校滾輪，可有效解決擺動(dòng)問(wèn)題。

(2)在大載荷下，直線軸承結(jié)構(gòu)的配合間隙會(huì)快速增大，并且配合間隙沿徑向的分布是不均勻的，這又會(huì)導(dǎo)致磨損進(jìn)一步加劇，縮短整體使用壽命。而小車(chē)式結(jié)構(gòu)，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(duì)一致，這樣導(dǎo)致的結(jié)果是被支承結(jié)構(gòu)的整體偏移，便于補(bǔ)償調(diào)整，從而能夠有效延長(zhǎng)使用壽命。

同時(shí)，給每一個(gè)滑輪配備了偏心軸套結(jié)構(gòu)，用于微調(diào)每個(gè)滑輪的位置，在細(xì)節(jié)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在裝配階段，可以通過(guò)精調(diào)每一個(gè)滑輪相對(duì)鋁型材的壓緊力來(lái)減少往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用以后，即使各組滑輪磨損不平衡，也可以通過(guò)微調(diào)偏心軸套重新配平。

2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要配合良好的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方能實(shí)現(xiàn)高精度的定位[14]。這要求電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的定位性能以及盡可能小的運(yùn)動(dòng)回隙，以保證整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。因此，該平臺(tái)采用了如圖4所示的步進(jìn)電機(jī)配合同步帶與同步輪的驅(qū)動(dòng)方案，很好地解決了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合問(wèn)題。

電機(jī)選用了兩相四線步進(jìn)電機(jī)，步距角是1.8°，即一個(gè)整步是1.8°。此類(lèi)型的電機(jī)應(yīng)用廣泛，尺寸樣式多，易于采購(gòu)且支持的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)也較多。考慮到Z軸(豎直)方向上并不需要較大運(yùn)動(dòng)力矩，Z軸上采用了42步進(jìn)電機(jī)；X和Y軸上則采用了57步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)，采用DRV8825驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器最高可以做到32細(xì)分，也就是說(shuō)，當(dāng)控制器給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)步進(jìn)脈沖時(shí)，電機(jī)僅轉(zhuǎn)過(guò)1.8°/32=0.056 25°，滿足了平臺(tái)對(duì)其運(yùn)動(dòng)精度的要求。DRV8825驅(qū)動(dòng)器可以達(dá)到2.5 A輸出電流，能滿足57步進(jìn)電機(jī)的電流需求。同時(shí)DRV8825價(jià)格低廉，具有編程簡(jiǎn)單、體積小、內(nèi)置錯(cuò)誤檢測(cè)電路及保護(hù)功能完善等優(yōu)勢(shì)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及搭建

3.1 整體控制流程

平臺(tái)整體控制流程如圖5所示。主要包括遠(yuǎn)程操作端(個(gè)人計(jì)算機(jī))、計(jì)算分析端(云平臺(tái))和本地執(zhí)行端(云端設(shè)備-CNC機(jī)床)。在遠(yuǎn)程操作端，用戶(hù)將所要加工的3D模型、圖片或者PCB設(shè)計(jì)文件通過(guò)ArtCAM[15]等軟件轉(zhuǎn)化生成G代碼序列文件。然后通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器構(gòu)建的操作界面將G代碼文件通過(guò)云平臺(tái)分發(fā)至云端設(shè)備。通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器，用戶(hù)可以方便地構(gòu)建遠(yuǎn)程控制界面和狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CNC機(jī)床的加工過(guò)程，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。采用商用云服務(wù)搭建云平臺(tái)，在保證平臺(tái)穩(wěn)定性和便捷性的同時(shí)，有效降低維護(hù)成本。

云端設(shè)備通過(guò)樹(shù)莓派[16]接受云平臺(tái)發(fā)送的信息，將接受到的G代碼通過(guò)USB傳輸方式，傳送到CNC機(jī)床AVR單片機(jī)中，由單片機(jī)具體控制各軸電機(jī)以及激光雕刻器以達(dá)到加工的目的。樹(shù)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和本地控制。

3.2 AVR單片機(jī)控制流程

AVR單片機(jī)控制流程如圖6所示。單片機(jī)通過(guò)CH340(USB轉(zhuǎn)串口)接受G代碼，并判斷代碼的有效性，有效的代碼將進(jìn)入緩存隊(duì)列進(jìn)行緩存。隨后，根據(jù)緩存隊(duì)列中未來(lái)的路徑并結(jié)合加減速控制、回隙補(bǔ)償，計(jì)算出最優(yōu)化的步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)脈沖長(zhǎng)度和間隔，將計(jì)算結(jié)果保存進(jìn)緩存隊(duì)列中。同時(shí)，單片機(jī)也會(huì)計(jì)算控制主軸所需的PWM參數(shù)值并進(jìn)行緩存。最后，利用片上定時(shí)器根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)精確生成控制信號(hào)，分別控制各電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。位移編碼器則會(huì)將信號(hào)返回到AVR中，通過(guò)定時(shí)器實(shí)時(shí)捕捉，計(jì)算位移量用于補(bǔ)償步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差。同時(shí)，將計(jì)算的位移量進(jìn)行G代碼編碼，發(fā)送至遠(yuǎn)程控制端，實(shí)時(shí)顯示加工過(guò)程中的誤差。

4 系統(tǒng)調(diào)試與應(yīng)用

本文所設(shè)計(jì)搭建的CNC平臺(tái)實(shí)物樣機(jī)，已作為交大學(xué)生創(chuàng)新中心開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的加工平臺(tái)，學(xué)生使用興趣濃厚。分別用于實(shí)踐教學(xué)(CNC使用流程實(shí)踐課程)、科研服務(wù)(電路板銑制)、學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目加工(大創(chuàng)、PRP、競(jìng)賽)等實(shí)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(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐需求。實(shí)際加工結(jié)果表明，該平臺(tái)具有小型化、精度高、成本低、可遠(yuǎn)程操控等特點(diǎn)。下面通過(guò)兩個(gè)案例來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的CNC加工平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

(1)疫情期間遠(yuǎn)程加工

學(xué)生的創(chuàng)新PRP項(xiàng)目需要采用亞克力板雕刻一個(gè)卡通人物。因校園管控，學(xué)生無(wú)法返校，于是利用CNC平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制方式實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程。首先，在遠(yuǎn)程操作端將卡通人物的照片生成相應(yīng)的G代碼序列，然后將序列通過(guò)云平臺(tái)傳送至CNC機(jī)床進(jìn)行加工，再將加工完成的作品快遞給學(xué)生。遠(yuǎn)程操作控制界面如圖7所示，相應(yīng)的加工結(jié)果如圖8所示。可見(jiàn)，加工的實(shí)物線條清晰，逼真形象，具備較高的分辨率。

(2)科研加工服務(wù)

某教師在進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)時(shí)需要加工TDA2822電路板，采用本文所設(shè)計(jì)的CNC加工平臺(tái)進(jìn)行銑制。首先，將PCB導(dǎo)出用于規(guī)劃線路走向的Gerber文件，再將Gerber文件導(dǎo)入CopperCAM以設(shè)置刀具及切割參數(shù)，得到相應(yīng)的G代碼，通過(guò)G代碼控制CNC機(jī)床使用銑刀加工表層線路，得到成品電路板如圖9所示。經(jīng)過(guò)后期處理，電路板能夠滿足用戶(hù)需求。

經(jīng)測(cè)試，該桌面CNC系統(tǒng)X-Y方向制造面積達(dá)到250 mm×300 mm，X-Y方向加工精度達(dá)到0.04 mm。平臺(tái)具有便捷的操作流程和較高的穩(wěn)定性，能夠滿足開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室的加工需求。本文所設(shè)計(jì)的CNC平臺(tái)樣機(jī)參數(shù)表1。

表1 樣機(jī)參數(shù)表

5 技術(shù)特性及突破情況

本文所設(shè)計(jì)的CNC平臺(tái)需具備以下技術(shù)特性：

(1)開(kāi)放性使用環(huán)境決定了平臺(tái)很難得到頻繁的精密維護(hù)及保養(yǎng)。因此，平臺(tái)需要具有較長(zhǎng)的免維護(hù)使用壽命，同時(shí)維護(hù)保養(yǎng)的流程也需要盡可能簡(jiǎn)單易行。

(2)目標(biāo)應(yīng)用對(duì)象是對(duì)成本相對(duì)敏感的，因此需要在有限的成本內(nèi)最大化平臺(tái)精度等性能指標(biāo)。同時(shí)需要嚴(yán)格控制重量和體積，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室桌面級(jí)應(yīng)用。

(3)專(zhuān)業(yè)的CNC設(shè)備操控界面較為復(fù)雜，無(wú)專(zhuān)業(yè)背景的人員上手較難。平臺(tái)面向的是師生及創(chuàng)客等無(wú)專(zhuān)業(yè)背景的人員，因此需要一個(gè)簡(jiǎn)單易用又兼容既有G代碼規(guī)范的交互界面。同時(shí)，平臺(tái)應(yīng)具備遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控功能。

基于以上技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采取了以下解決方案：

(1)摒棄了傳統(tǒng)的直線軸承及導(dǎo)軌方案，采用標(biāo)準(zhǔn)化、易于采購(gòu)的鋁型材進(jìn)行構(gòu)建，并配合滑輪組成小車(chē)式結(jié)構(gòu)。同時(shí)，創(chuàng)新性地引入偏心軸套結(jié)構(gòu)，使得平臺(tái)可以獲得較高的校準(zhǔn)后精度。并且在日常維護(hù)中，可以很方便地進(jìn)行校準(zhǔn)，補(bǔ)償因磨損帶來(lái)的誤差。

(2)同步帶使用兩端固定的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，由于同步帶長(zhǎng)度減半，相比于傳統(tǒng)的閉環(huán)式同步帶結(jié)構(gòu)，可以有效減小回隙，提高精度。

(3)設(shè)計(jì)了Arduino兼容硬件控制主板，配合基于樹(shù)莓派的Web控制服務(wù)端。移植了開(kāi)源G代碼解析器和Web控制軟件，界面簡(jiǎn)單易用，用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)操作和監(jiān)控。此外，由于樹(shù)莓派和Arduino的開(kāi)源特性，高級(jí)用戶(hù)可以在底層固件層面進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。該平臺(tái)不僅是一臺(tái)性能良好的CNC加工設(shè)備，其本身更可以作為研究開(kāi)發(fā)之用。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于云平臺(tái)、樹(shù)莓派、AVR單片機(jī)等技術(shù)設(shè)計(jì)了一款桌面級(jí)CNC加工平臺(tái)。實(shí)際加工結(jié)果表明，該平臺(tái)具有小型化、精度高、成本低、可遠(yuǎn)程操控等特點(diǎn)。該桌面級(jí)CNC平臺(tái)實(shí)物樣機(jī)已經(jīng)成為交大學(xué)生創(chuàng)新中心開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的教具及加工設(shè)備。在同等加工精度條件下，與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品相比，該平臺(tái)具有體積小、重量輕、開(kāi)源性好，性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，有效填補(bǔ)相關(guān)領(lǐng)域空白，已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。經(jīng)過(guò)后續(xù)功能升級(jí)優(yōu)化，不僅能夠滿足高校師生的小型個(gè)性化實(shí)驗(yàn)室加工需求，還具備產(chǎn)品化推廣、輻射社區(qū)(中小學(xué)、創(chuàng)新園區(qū)、創(chuàng)客空間)的廣闊市場(chǎng)應(yīng)用前景。

平臺(tái)的后續(xù)優(yōu)化研發(fā)方向：

(1)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前平臺(tái)的三軸結(jié)構(gòu)總成耦合度過(guò)高，在拆卸Z軸時(shí)，必須先拆卸X、Y軸總成。后期可以加以改進(jìn)，使得每一軸的總成都可以被快速獨(dú)立拆卸。

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