教学型桌面式微型五轴联动数控机床的制作方法

本发明涉及数控机床技术领域，具体为教学型桌面式微型五轴联动数控机床。

背景技术：

数控机床经过多年发展，已经被广泛应用于自动化生产线、机械加工、模具、木工、家具、工艺品等行业，相比于传统手工业，数控机床在很大程度上弥补了普通机械加工的短板，不但提高了加工的效率，还降低了风险和加工成本，与传统的三轴数控加工设备不同，五轴数控机床集高精度，高性能计算机控制与伺服加工技术于一体，是一种科技含量高，可以用于复杂曲面加工的先进制造加工设备，其具有生产柔性大，生产周期短，稳定性好等诸多优点，但其高昂的价格，国外的技术垄断，让五轴加工技术的推广和学习受到很大阻碍，因此，本发明研制一台控制系统相对简单，造价低廉但还能最大程度还原五轴机床编程与运行原理的小型五轴机床设备。

针对五轴数控机床的市场需求，本设计提出了一种经济型五轴微型数控机床的设计方案，借助于运行在pc机上的软件，将数控加工代码转化为各轴的输出脉冲数，通过计算机并口输出脉冲信号到步进电机驱动器，来控制步进电机运动，从而实现各轴的运动完成加工。

针对文中所述的五轴数控加工技术的发展瓶颈与广阔的应用前景，本设计首先参照国内外微型数控机床研究与发展现状，分析了数控微型数控机床的系统结构，结合五轴联动的加工特点，提出了一种经济型的五轴微型数控机床的设计方案。

对比市场上动辄上百万的五轴加工设备，本发明设计的五轴数控微型数控机床制造成本只有它们的百分之一，同时相对简单的控制系统不但可以方便地学习五轴加工的相关原理，还有利于设备的维护，有效地解决了五轴加工技术的发展瓶颈，为五轴技术的国产化提供了广阔的发展前景。本设计的五轴数控微型数控机床，可以用于高校的数控教学，机电一体化系统课程设计，创客中心工具平台，同时也是高校科研设计的重要参考，还可以作为大学生实践的研究对象。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供教学型桌面式微型五轴联动数控机床，以解决上述背景技术中提出的市场上的五轴加工设备成本过高，体积过大，移动较为不方便，且现有的控制系统完全使用机器自带的控制模块来进行控制，不便于数据的读取和工作原理的理解，因而不适合教学演示的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：教学型桌面式微型五轴联动数控机床，包括机床主体和龙门支架，所述机床主体上端固连有龙门支架，且龙门支架上设置有x轴机构，所述x轴机构包括滚珠丝杆、螺母、步进电机主体、空心光轴主体和菱形轴承支撑座，所述龙门支架内壁通过轴承活动连接有滚珠丝杆，且滚珠丝杆上螺纹连接有螺母，所述龙门支架一端固连有步进电机座，且步进电机座内设置有步进电机主体，所述步进电机主体通过联轴器与滚珠丝杆连接，所述龙门支架内壁通过轴承活动连接有空心光轴主体，且空心光轴主体外表面滑动连接有光轴滑块，所述空心光轴主体设置有两组，两组所述空心光轴主体关于滚珠丝杆对称设计，所述龙门支架两侧皆设置有与空心光轴主体相互配合的菱形轴承支撑座。

优选的，所述机床主体底端设置有y轴机构，所述y轴机构一端通过螺钉螺孔与x轴连接，所述y轴机构与x轴机构结构相同。

优选的，所述x轴机构前端设置有z轴机构，所述z轴机构包括主轴夹、风冷主轴和直线轴承，所述螺母一端固定连接有固定板，且固定板远离螺母的一端通过主轴夹固连有风冷主轴，所述风冷主轴外表面通过直线轴承与主轴夹固连，所述z轴机构一端设置有另一步进电机座，且另一步进电机座内设置有另一步进电机主体。

优选的，所述机床主体一侧设置有a轴机构，所述a轴机构包括支撑架，所述机床主体一侧工作台上固连有支撑架，所述支撑架为“h”形，所述支撑架由两块竖板和一块横板组成，所述横板一端设置有42步进电机，所述横板另一端设置有同步带轮，所述一侧竖板内侧设置有57步进电机，所述同步带轮轴心固连有另一空心光轴主体，另一所述空心光轴主体贯穿横板并固连有夹持板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.性能高、成本低：与传统的三轴数控加工设备不同，五轴数控机床集高精度，高性能计算机控制与伺服加工技术于一体，是一种科技含量高，可以用于复杂曲面加工的先进制造加工设备，其具有生产柔性大，生产周期短，稳定性好等诸多优点，但其高昂的价格(动辄百万以上)，国外的技术垄断，让五轴联动加工技术的推广和学习受到很大局限。而本发明研制的这款控制系统相对简单，性价比高但仍然可以最大程度还原五轴机床编程与运行原理的小型五轴设备，用在教学方面可以非常有效地调动起学生的学习兴趣，提高教学效果。

2.使用方便，结构简单：针对五轴数控微型数控机床的市场需求，本项目提出了一种经济型五轴数控微型数控机床的设计方案。本发明运用了改进的工业数控操作软件和排版处理软件，将数控加工代码转化为各轴的输出脉冲数，通过计算机并口输出脉冲信号到步进电机驱动器，来控制步进电机运动，从而实现各轴的运动完成加工，可以加工任意曲面和复合工艺的加工演示，稳定可靠，操作变得极为简单，非专业人士亦可很快学会使用，适合应用于简单模具业，印章业、工艺品加工业，适用于小物件的雕刻切割加工，软金属如铜、铝合金的加工，可以用于不同行业的生产制造，也可以应用于制造创客空间，高职院校、写字楼、研究所、实验室、私人工坊等工作场所。

3.性价比高，适用范围广：对比市场上动辄上百万的五轴加工设备，本项目设计的五轴数控微型数控机床制造成本只有他们的百分之一，同时相对简单的控制系统不但可以方便地学习五轴加工的相关原理，还有利于设备的维护，有效地解决了五轴加工技术的发展瓶颈，为五轴技术的国产化提供了广阔的发展前景。本项目设计的五轴微型数控机床，可以用于高校的数控技术、原理教学，同时也是高校科研设计的重要参考，还可以作为大学生创新创业实践的研究对象，大学生创客中心重要科创平台工具，所以本项目未来市场前景广阔。

附图说明

图1为本发明的右侧正视立体结构示意图；

图2为本发明的x轴结构示意图；

图3为本发明的y轴结构示意图；

图4为本发明的z轴结构示意图；

图5为本发明的a/c轴电机与传动机构支架；

图6为本发明的a/c轴结构示意图；

图7为本发明的电源回路设计图；

图8为本发明的控制板i/o接线图；

图9为本发明的传动路线图；

图10为本发明的mach3接口板端口设计；

图11为本发明的电气设计图；

图12为本发明的电器柜接口设计图；

图13为本发明的实物图；

图14为本发明的x轴、y轴、z轴和a/c轴的示意图。

图中：110、机床主体；120、龙门支架；210、滚珠丝杆；220、螺母；230、步进电机主体；231、步进电机座；232、联轴器；240、空心光轴主体；241、光轴滑块；250、菱形轴承支撑座；310、主轴夹；320、风冷主轴；330、直线轴承；410、支撑架；420、42步进电机；430、同步带轮；440、57步进电机；450、夹持板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-14，本发明提供的一种实施例：教学型桌面式微型五轴联动数控机床，包括机床主体110和龙门支架120，机床主体110上端固连有龙门支架120，且龙门支架120上设置有x轴机构，x轴机构包括滚珠丝杆210、螺母220、步进电机主体230、空心光轴主体240和菱形轴承支撑座250，龙门支架120内壁通过轴承活动连接有滚珠丝杆210，且滚珠丝杆210上螺纹连接有螺母220，龙门支架120一端固连有步进电机座231，且步进电机座231内设置有步进电机主体230，步进电机主体230通过联轴器232与滚珠丝杆210连接，龙门支架120内壁通过轴承活动连接有空心光轴主体240，且空心光轴主体240外表面滑动连接有光轴滑块241，空心光轴主体240设置有两组，两组空心光轴主体240关于滚珠丝杆210对称设计，龙门支架120两侧皆设置有与空心光轴主体240相互配合的菱形轴承支撑座250，x轴步进电机采用57步进电机，根据参数范围选用扭矩为1.35n.m的型号为57fh13-03的步进电机，若步进电机需要正常工作，则步进电机驱动器电流需设置为2.0a。当步进电机接收到脉冲时，通过与之相连的联轴器带动滚珠丝杠旋转，最终转变为x轴滑台的运动。设计中选用的是1605滚珠丝杠，其导程为5mm，步进电机步距角为1.8°，则步进电机旋转1周需要360/1.8＝200个脉冲，为了提高控制精度，步进电机需要开启细分功能，在步进电机驱动器中设置为16细分，则需要200＊16＝3200个脉冲，即步进电机通过联轴器带动丝杠运转一周，x轴滑台位移5mm。根据公式1计算，步进电机每接收一个脉冲，x轴滑台位移d为：

机床主体110底端设置有y轴机构，y轴机构一端通过螺钉螺孔与x轴连接，y轴机构与x轴机构结构相同，y轴位于微型数控机床工作台的底部，通过y轴滑台侧边的沉头螺孔与x轴结构相连，在整个结构中起支撑作用。考虑到五轴结构中的ac轴加入，会使得龙门支架加长，为了保证加工时的稳定性，y轴前后面板的高度要设计得尽可能小一些，这样可以机架降低重心，使加工更加稳定，最终选择y轴滑台在上，滑块在下的结构，如图所示。y轴结构与x轴基本相同，由工作台、滚珠丝杆及螺母、光轴及滑块、57步进电机、联轴器、支架、前后面板等组成。y轴的前后面板通过5根长度为450mm的1560铝型材相连接，铝型材中的t型槽，可以用于夹持工件及各种工装夹具的安装。为了减小微型数控机床主轴高速切削时产生的震动，前后面板上设计了脚垫安装孔。

x轴机构前端设置有z轴机构，z轴机构包括主轴夹310、风冷主轴320和直线轴承330，螺母220一端固定连接有固定板，且固定板远离螺母220的一端通过主轴夹310固连有风冷主轴320，风冷主轴320外表面通过直线轴承330与主轴夹310固连，z轴机构一端设置有另一步进电机座231，且另一步进电机座231内设置有另一步进电机主体230，其采用和y轴相同的步进电机，z轴结构的大小，会影响x轴及z轴的有效行程，于是在z轴结构中将xy两轴使用的直线滑块改为直线轴承。同样的，为了节约z轴上面板的空间，将原本在xy轴上使用的菱形支撑座替换为内部攻螺纹的空心光轴，用m8的内六角螺丝固定。这样缩短了z轴滑块的长度和宽度，这样设计出来的z轴结构更加紧凑，能最大化地利用x轴和z轴空间，同时兼具一定的美观程度。最后，因为雕刻时会有大量碎屑及粉末进入z轴结构，导致出现异响，传动效率下降等问题的产生，在z轴结构中加入了风琴式防尘罩可以有效避免此类问题的产生。

机床主体110一侧设置有a轴机构，a轴机构包括支撑架410，机床主体110一侧工作台上固连有支撑架410，支撑架410为“h”形，支撑架410由两块竖板和一块横板组成，横板一端设置有42步进电机420，横板另一端设置有同步带轮430，一侧竖板内侧设置有57步进电机440，同步带轮430轴心固连有另一空心光轴主体240，另一空心光轴主体240贯穿横板并固连有夹持板450，a轴转动时需要承受部分摇篮式五轴结构的质量，因此工作时需要较大的扭矩驱动，所以选择57步进电机作为a轴的动力源。因为电机功率＝扭矩*速度，在输出功率恒定的情况下，速度越慢输出的扭矩就越大，但在在速度恒定的情况下，如果想增大扭矩，只能在额定条件下加大步进电机驱动器输出的电流，根据参数要求，a轴减速结构可以选择行星减速机或同步带减速结构，从实用性角度出发，如果选用行星减速机，其精度和减速比都远好于同步带减速结构，但考虑到经济性和方便制造等因素，设计中a轴选择同步带作为减速机构。同步带综合了带传动，链条传动和齿轮传动的优点，但安装时需要施加一定的预紧力进行预紧，可以采用张紧轮张紧或者将轴间距设计为可调，在设计时，将固定同步带轮的固定板设计为一端固定一端可调的形式，及在固定步进电机φ5通孔的基础上加开四条直槽口，如图7所示，这样只需要调节步进电机位置即可完成同步带轮的安装及张紧。设计中采用的同步带减速比为1∶6。c轴结构安装在a轴上，由同步带轮、步进电机、工作台，光轴等组成。c轴转轴固定在菱形轴承支撑座上，且只需承受工件及其夹具的质量，所以旋转时需要的扭矩很小，c轴只需选用42步进电机作为动力源，这样既可以安装更大的工作台，也可以减小c轴体积。根据参数设计要求，选择型号为42fho2-01的42步进电机，为了使c轴步进电机正常工作，c轴步进电机驱动器电流应设置为1a。与a轴相同，c轴选择的减速机同样是同步带减速，减速比为1∶6。ac轴结构如图6所示。

对于a，c两轴，选用的步进电机步距角为1.8°，此时步进电机旋转一圈，需要接收360/1.8＝200个脉冲，即步进电机每200步旋转一周。转台的减速比i＝6。为了使设置中步进电机得到脉冲后旋转的角度可以整除，步进电机驱动器最好设置为4细分，在软件设置时取小数点后三位。这样控制精度提高了四倍，根据公式2，数控系统每输出一个脉冲a、b两轴所转的角度为：

即步进电机每接收一个脉冲，旋转0.075度。

根据设计要求，电气结构与机械结构相互独立，使用时通过数据线和接头相连接，为了使结构紧凑美观，各种电气元件例如接口板，步进电机驱动单独放置，有序排列在控制箱内。完成这些要求，首先需要进行电气元件规格研究，研究各个电气元器件的工作原理，画出简洁清晰的电气回路图，其次需要设计钣金箱体，将各个元器件根据电气原理进行合理布局。最后按照元件的外观尺寸在箱体上开孔，整理并绘制箱体加工图。

为了提高机床系统的稳定性，电气结构中需要安装两个工作稳定的开关电源，其中24v的开关电源给主控制板上的各类接口和步进电机驱动器提供电压，36v开关电源给主轴电机供电。为了使各类元器件正常工作，通过对各部分系统功率消耗的计算并留出充分裕量，开关电源选用额定电流大于5a的型号。设计完成后的电源回路见图9。

在电气系统设计中，选用的性能比较稳定的通用型mach3接口板作为微型数控机床运动的控制系统。使用mach3控制方式具有如下几个优点：

(1)可以通过计算机控制五个轴联动加工。

(2)集成了继电器输出端口，无需再配套继电器使用。

(3)具有模拟0-10v电压输出端口，可以搭配有模拟端口的主轴控制板一起使用，可使用的并口针脚有17个。

(4)外部电路发生异常时，光电耦合器可以隔离外部电路，使其不会受到损坏，板上集成了对刀，限位，急停等开关接口，并支持在mach3软件中使用vb脚本程序开发。

(5)相比于单片机控制，无需开发程序，使用mach3软件执行g代码即可pc控制。

本设计中驱动步进电机的控制信号是通过pc机的并口传输给步进电机驱动器，从而控制微型数控机床运动，pc机通过并口数据线控制机床运动的原理图如图9所示。

本设计采用独立的步进电机驱动器，虽然结构不如集成在控制卡中简单，也会增加接线的复杂程度，但是优点在于故障出现的时候可以方便地进行更换。步进电机运动需要接收两个信号，其中一个是脉冲信号，另一个是方向信号，脉冲信号控制运动，方向信号控制转向。pc机通过并口驱动步进电机的原理是：pc机输出的脉冲和方向信号，通过功率放大器驱动步进电机，最终使微型数控机床运动。在分配端口与针脚时需考虑到并口信号的特征。因为某些输出口除了能作为脉冲输出外还具有其他特殊功能，为了使五轴数控微型数控机床能够正常运行，在分配端口与针脚时，首先需要确保这些特殊的端口不被占用。经过合理分配，mach3控制板的端口配置如图10所示。

微型数控机床电气控制箱背面应安装电源开关，保险丝，电源指示灯，插座，航空插头，另外还需预留usb和并口的位置，用于控制箱与电脑连接。电气控制箱的正面需要安装主轴调速旋钮，并用一个双联开关切换手动调速和g代码调速，另外还需要安装一个急停按钮，当有危险发生时能够快速有效地控制设备停止。电气控制箱内元器件安排要清晰合理，在保证散热的前提条件下最大化空间的使用。图11为微型数控机床电气控制设计图，电器柜接口设计如图12所示。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

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