宋壯

【摘 要】微型數(shù)控銑床在時(shí)代的要求下應(yīng)運(yùn)而生，利用小型數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制，從而完成高精度加工制造。在研究國內(nèi)外微型數(shù)控機(jī)床發(fā)展的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理，通過計(jì)算和分析，完成各個(gè)部件的設(shè)計(jì)，使其可以滿足一些較小零件的加工需求，以及滿足學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)工作。

引言

制造業(yè)，作是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是一個(gè)國家強(qiáng)盛的關(guān)鍵所在。為了加快我國科學(xué)技術(shù)和制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，我國提出了“中國制造2025”的戰(zhàn)略部署，該戰(zhàn)略是中國數(shù)百名站在科技前沿的院士共同制定的。而現(xiàn)在對于制造業(yè)，傳統(tǒng)的制造已經(jīng)逐漸被淘汰，正在向著智能化、綠色、超精密的方向發(fā)展。而正是為了適應(yīng)是時(shí)代的要求，數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?！爸袊圃?025”戰(zhàn)略部署也正是提出了對高檔數(shù)控機(jī)床的要求。而傳統(tǒng)的大型數(shù)控機(jī)床漸漸的也無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。因?yàn)楝F(xiàn)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(shù)控機(jī)床有點(diǎn)大材小用。但是采用小型機(jī)床則可以解決各種各樣的問題，利用小型數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制，從而完成高精度加工制造。因此，微型機(jī)床的研究與開發(fā)越來越被人們廣泛的關(guān)注。在此基礎(chǔ)上，本課題也設(shè)計(jì)開發(fā)了小型三軸數(shù)控銑床。

1.研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)40年代，美國就在數(shù)控機(jī)床的研制中投入了大量的精力，隨著世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的誕生，為數(shù)控裝置的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1948年，美國為了滿足軍方的一些要求，加大了對數(shù)控機(jī)床的研制力度，并將當(dāng)時(shí)最新的自動(dòng)控制技術(shù)和檢測技術(shù)與機(jī)床相結(jié)合，終于在1952年成功研制出第一臺(tái)通過計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床，在對它經(jīng)過數(shù)次的改進(jìn)，三年后實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)，并開始走向市場。

作為國內(nèi)工科院校實(shí)力強(qiáng)大的哈爾濱工業(yè)大學(xué)早在2006年也投入了對數(shù)控銑床小型化的研究當(dāng)中。并于同年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功研發(fā)設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型數(shù)控銑床。這臺(tái)小型數(shù)控銑床是高精密多軸聯(lián)動(dòng)的，在當(dāng)時(shí)具有先進(jìn)的影響意義。這臺(tái)數(shù)控銑床配置了自主研發(fā)的一套中文控制系統(tǒng)，采用閉環(huán)控制回路控制各軸的驅(qū)動(dòng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)又繼續(xù)進(jìn)行了更加深入的研究，并在幾年以后又成功研制了另一臺(tái)小型數(shù)控銑床，這臺(tái)小型數(shù)控銑床改變原來僅有的三軸聯(lián)動(dòng)，成功研發(fā)制作出一臺(tái)小型五軸聯(lián)動(dòng)微細(xì)銑削機(jī)床，而這款小型機(jī)床采用了龍門架固定方式，配置方式為雙旋轉(zhuǎn)式，可以復(fù)雜的小型零件的加工。

2.微型數(shù)控銑床設(shè)計(jì)方案

2.1進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)給系統(tǒng)的組成主要為進(jìn)給電機(jī)，執(zhí)行部件和它們之間的機(jī)械傳動(dòng)部分。它的功能是接收CNC系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力旋轉(zhuǎn)到螺母座的線性運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)數(shù)控銑床工作臺(tái)、水平滑動(dòng)架、主軸支撐等部件實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

理論上，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的每個(gè)部分都應(yīng)為高精度的部件。但是每一個(gè)部件均選擇精度高的零部件會(huì)造成生成成本比較高，這會(huì)降低整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性?？梢钥紤]零件在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用和匹配，以使整個(gè)系統(tǒng)滿足技術(shù)要求。

根據(jù)加工需求和成本，本設(shè)計(jì)的小型龍門數(shù)控銑床的進(jìn)給電機(jī)選擇為步進(jìn)電機(jī)。它可以構(gòu)成沒有反饋的簡單實(shí)用的數(shù)字伺服系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。然而，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沒有反饋環(huán)節(jié)，這一點(diǎn)是不同于交流伺服電機(jī)的閉環(huán)，所以它精度比較差。但是，步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是相對于交流伺服電機(jī)其結(jié)構(gòu)和控制簡單，易于調(diào)整，因此在低速，低精度下具有一定的使用價(jià)值。

進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是指將電機(jī)工作產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而使零件到達(dá)工作的指定位置，為加工制造環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，也可以采用帶傳動(dòng)，或者絲杠螺母傳動(dòng)，傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)除了這些部件還包括一些支承部件。銑床對傳動(dòng)系統(tǒng)的要求：提高傳動(dòng)部分的剛性、減小傳動(dòng)部分的慣性、減小傳動(dòng)部分的間隙、降低系統(tǒng)的摩擦阻力。本設(shè)計(jì)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(dòng)功能。

2.2微型數(shù)控銑床的建模

對本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位零件選型結(jié)束以后，并結(jié)合實(shí)際，運(yùn)用SolidWorks對每一個(gè)零件進(jìn)行了三維建模。并且完成各部件的裝配。所設(shè)計(jì)的三軸聯(lián)動(dòng)微型龍門數(shù)控銑床整體尺寸620mm×520mm×750mm，工作臺(tái)尺寸306mm×286mm。

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（作者單位：山東理工大學(xué)）