桌面三軸數控銑床的設計*

黃佐凱 ，杜 洋 ，袁志成 ，馬思佳 ，楊倩倩 ，姜海翔

（荊楚理工學院通用航空學院，湖北 荊門 448000）

隨著經濟的飛速發展，數控技術應運而生，成為制造業的主流，在國內外的CNC設備中絕大多數都是專用器械，造價高且維修成本昂貴，很大程度上阻礙了數控加工技術的應用和發展[1]。基于市場需求，對桌面級三軸數控銑床進行設計，滿足了教學等方面的需求，同時降低了教學成本和使用危險系數。

1 整體方案

1.1 設計目的

數控機床運用數字化信號對其行進和加工過程進行控制。它是一類具有前沿技術且自動化水平很高的機電一體化加工器械。它綜合了應用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術，是數控技術與機床相結合的產品。應用數控機床加工產品，產品加工質量好，加工精確度和效率都要比普通機床高，尤其在表面不規則、繁雜的曲線或曲面、多工藝復合化加工和高精度要求的產品加工時，這一長處是傳統機床所無法相比的[2]。數控技術在現代機械制造領域中代表了機械設備工業技術水平和加工生產現代化水平，是機械行業新興高端技術發展的基礎。

1）數控技術在教育領域遇到的難題，如圖1所示。

圖1 教育困難分析圖

①買不起：造價昂貴，一臺機器造價就是幾十萬甚至上百萬，大部分學校只能購買幾臺用于教學，有的學校甚至沒有能力購買機器用于教學。很難實現在校生一個班每人一臺機器用于實操。

②養不起：市面上的數控機床都是體積龐大的，需要很大的安裝場地，對安裝場地的濕度、潔凈度都有要求，而且日常需要潤滑油、液壓油和專業的維護人員。所以大部分院校在維護和使用上花銷大。

③用不起：學生在實操學習的時候，耗材、刀具消耗極大，會出現撞刀、誤操作損壞機床等情況。這對于一個學校來說經濟壓力是很大的。

④擔不起：對于初學者，學生在實際操作的時候會出現很多嚴重的失誤，就算是規范作業，但還是避免不了出現嚴重安全事故。對于這種大型機床，一旦出現事故，輕則擦破皮，重則致殘。這無論是對高等院校還是對任課教師來說，都是承擔不起的。

數控銑床廣泛應用于各大領域，但是現代的數控加工銑床的特點就是占地面積大、不易移動位置、安裝難度大，對場地面積和環境的要求都比較高。在這種情況下，很多小型零部件對加工精度要求高的，單件生產在大型現代數控銑床上加工和普通加工工藝上就很難實現，因此課題組提出桌面三軸數控銑床的設計。

桌面數控銑床秉承了現代數控銑床高精度、自動化、可編程的特點，采用G代碼運行機床，可對小部件進行加工，移動方便，而且重量輕，搬運簡單。解決了小型零件加工成本高的難題，可雕刻電路板，銑平面。G代碼控制靈活性高，可銑削、雕刻出隨意圖形的產品，可廣泛應用于學校課堂教學、小型產品開發、個人創作等。

2）與普通工業用數控銑床相比，桌面數控銑床具有以下特點。

①制造成本低：該設備的成本價僅僅幾千元。

②危險指數低：應用24 V直流電供給，不用擔憂漏電防護，主軸功率以及刀具工作范圍都小，本就難以造成較大傷害而且另有護罩阻隔，機器部件也小，基本不會出現傷人情形。

③場地要求低：可置于桌面上，供學習使用。

④維護費用不高、耗材便宜：無需日常維修和保養，耗電不高，可用木板等代替教學，教學成本低[3]。

1.2 系統組成結構

本系統的主控制模塊采用PC+Arduino單片機進行控制，驅動系統采用步進電機和步進電機驅動器的組合。主軸電機驅動方案采用PWM脈寬調制技術，通過改變脈沖序列的占空比來改變輸出電壓，進而控制直流電機的轉速[4]。傳動機構運用高精度的絲桿螺母副。此外，還有雕刻機電源模塊和輔助模塊。控制系統原理圖如圖2所示。

圖2 系統原理圖

2 硬件平臺設計

整體結構剛度是CNC加工精度的根本保證[5]。傳統數控設備傳動多采用滾珠絲桿，機身材料則采用各種鋼材。這種方式雖然整體的剛度非常高，但相應地也導致整體重量大幅提升。本文采用如圖3所示的鋁型材搭建桌面CNC平臺，搭配絲桿和光軸進行傳動和支撐。采用鋁合金的鋁型材強度高、密度低，而加工成特別截面形狀后，又使剛度顯著上升。鋁型材在等體積抑或等重量情況下的抗彎能力更好。更加值得注意的是，鋁型材作為標準件價格低廉還簡便容易獲取，用它構建平臺擁有很高的靈活性。

圖3 結構設計圖

平臺主要以鋁材搭建，X軸、Y軸、Z軸分別由一個受32細分步進電機驅動器驅動的42步進電機驅動。主軸是一個直流電機，由PWM調速器來調速，直流電機安裝手動鉆夾頭，鉆夾頭可以安裝銑刀、鉆頭等，通過G代碼編程可加工出設想的形狀。由絲桿螺母來傳動，可精準定位，傳動穩定[6]。

2.1 驅動配置

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[7]。鋁型材搭建桌面CNC平臺，采用DRV8825驅動器，其主要特點如下：大電流2.5 A，高支持32細分，4層PCB板，散熱效果更好。而且這樣的構造芯片內阻更小，發熱更低，散熱能力也更強。

DRV8825驅動器的主要參數。尺寸：1.5 mm*2 mm；可驅動電流：2.5 A；細分：1，1/2，1/4，1/8，1/16，1/32；制造工藝：SMT貼片機制造，非手工焊接，良品率更高，性能更穩定。

DRV8825驅動器的特點：適合驅動45 V，2.5 A以下的步進電機；只有步進和方向控制接口；六種不同的步進模式，即1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32；可調電位器可以調節大電流輸出；自動電流衰減模式檢測選擇；過熱關閉電路，欠壓鎖定，交叉電流保護；接地短路保護和加載短路保護。

如果設置為32細分后，當控制器給驅動器一個步進脈沖時，電機僅轉過0.056 25°，滿足平臺對其運動精度的要求。DRV8825驅動器體積小，精度高[8]，價格低廉，滿足銑床低成本的要求。

2.2 傳動結構設計

三軸數控桌面銑床的主軸相較于普通機床傳動，加工對象負載小、面積不大，故三軸數控桌面銑床結構更簡單，操作更方便[9]。

傳動機構采用滑動絲杠螺母機構，X軸、Y軸、Z軸分別各采用滑動絲杠螺母機構，滑動絲杠螺母機構結構強度很高，定位精確，利用斜面原理，將轉動變成平動。絲杠轉一圈，螺母位移一個螺距。滑動絲杠螺母機構結構簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能[10]。即使在加工過程中突然斷電，主軸也不會突然掉落下來，這對刀具有很好的保護作用。滑動絲杠螺母機構將轉動轉化為平動，結合步進電機可以非常精確地定位[11]。

3 軟件使用

銑床用的是開源在線編程軟件Grbl control，可以在線用G代碼編程，軟件與Arduino單片機連接后，對機床的零點可在線進行設置，軟件可自動生成簡單的圖形G代碼，可以在軟件內手動編程G代碼，在軟件內可對自己的代碼的刀具運動軌跡進行預覽，從而檢查自己的代碼與預期的差別，并可以及時地修改。當運行軟件時，軟件將一條條G代碼傳入單片機內，機床運行完一條指令，軟件送入下一條指令，直到完成整個任務。

3.1 Grbl control軟件特點

Grbl control作為只針對Arduino單片機的G代碼編譯和活動控制的開源程序，成本低，性能高，以并口運動控制為基礎，將其用于CNC雕鏤鐫刻。只要它配備了Atmega 328型芯片，就可以運行在Vanilla Arduino (Duemillanove/Uno) 。運用AVR芯片實現精準的時序和異步控制的控制器，由C語言為基層代碼。Grbl可以持續輸出超出30 kHz的穩定、無偏差的脈沖，它通過了數個CAM手段的輸出測試，接受標準的G代碼。弧形、圓形和螺旋的運動都可以像其他一些基本G代碼命令一樣輕松實現。Grbl包含完整的加速度控制，以實現平穩的加速和無沖擊的轉彎。

3.2 控制思路

根據想要加工的零件，編寫出G代碼，送入到Grbl control軟件內，軟件計算出脈沖數和寬度，并給定間隙補償量，然后通過USB串口將數據一條條發送到單片機內，單片機控制步進電機驅動器，驅動器驅動步進電機完成加工任務。控制流程圖如圖4所示。

圖4 控制流程圖

3.3 部分G代碼使用說明

編程部分代碼指令如表1所示。

表1 部分代碼說明表

在運用編程軟件進行指令編寫的時候，其指令和華中數控系統是非常類似的，基本上和華中數控系統一樣。根據要加工的圖形，編寫G代碼，導入機床即可完成任務。

4 結語

課題組基于Grbl control開源平臺，應用Arduino單片機等技術設計了一款桌面級CNC加工平臺。該平臺擁有通用化、精度高、成本低和遠程操控等諸多優點，可運用到教學、制作DYI等領域。和通常的大型機床相比，該平臺擁有體積小、重量輕、開源容易、性價比高等優點。與其他機床相比，桌面數控銑床在制作價格、加工精度等方面具有很大的優勢，完美迎合了當前相關領域的市場需求。