教學型CNC雕銑機的設計與研發

1   引言
目前，我國培養數控加工技術人才主要依賴于職業技術學校，特別是中專和技校。數控加工技術人才的培養分為兩個階段，第一個階段是數控原理和數控編程的學習；第二個階段是數控機床的操作。通常學校在進行這兩個方面的教學時是交互進行的。由于學生人數眾多，學校在進行這兩個方面的教學時往往顯得有些力不從心。其主要原因是由于數控機床的成本很高，投資較大，學校的財力不足，一般情況下每所學校中所擁有的數控機床只有幾臺，甚至有些學校根本就買不起數控機床。在這種情況下，學生在學習數控機床操作時，卻不能進行數控機床的實踐操作，會對數控原理和數控編程的學習帶來很大的影響。
針對這種情況，筆者設計了一款三軸聯動桌面經濟型教學用數控雕銑機，可解決學生沒有機床進行實踐操作的難題。
2   總體方案設計
2.1   工作原理
常用的數控機床按圖 1 所示的原理圖來進行設計。將加工程序輸入到數控系統后，數控系統對數據進行運算和處理，向主軸箱內的驅動電機和控制各進給軸的伺服系統裝置發出指令。伺服裝置接受指令后向控制三個方向的進給伺服（步進）電機發出脈沖信號。主軸驅動電機帶動刀具旋轉，進給伺服（步進）電機帶動絲杠使機床的工作臺沿 X、Y、Z 軸移動，刀具對工件進行切削。
通常，數控系統一般由輸入裝置、存儲器、控制器、運算器和輸出裝置組成。由于計算機本身含有運算器、控制器等單元，因此，這里的數控系統由帶有相關軟件的計算機來執行。
伺服系統的作用是把來自數控裝置的脈沖信號轉換為機床移動部件的運動，使工作臺精確定位或按規定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符合圖紙要求的零件。筆者設計的三軸聯動桌面經濟型教學用數控雕銑機擬采用 PLC 控制器控制步進電機來完成相關的動作。
機床主體主要是機械的執行部分，實現刀具對工件的切削。因此，三軸聯動桌面經濟型教學用數控雕銑機的原理圖可用圖 2 來表達。
2.2   機床主體的設計
雕銑機要實現刀具對工件的切削運動，其機床主體通常由床身、運動部件、傳導裝置和運動源等部分組成。
（1）床身。大體可以分為焊接型和鑄鐵型兩種。焊接型床身靈活多變，工藝較為簡單價格適中。缺點是去除應力工藝較為繁瑣。鑄鐵床身一次鑄造成型不易變形，但因為鑄造工藝的繁瑣及鑄造行業的特有性質其價格較高。
（2）運動部件。也就是俗話說的龍門。龍門的優劣關鍵在于材料的選擇和工件精度?，F有雕刻機龍門材料主要有鐵質和鋁質兩種。鐵質龍門價格低，但是因其重量過大而不被大多數廠家選用。鋁制龍門質量輕、強度大，是現在的主導產品。為什么要質量輕的材質呢？因為摩擦力和壓力成正比，所以質量越輕，摩擦力越小，對運動傳導裝置的損害越小，對步進電機電機的阻力越小，運動速度也就越快。
（3）運動傳導裝置。運動傳導裝置可以分為運動方式轉換及直線約束兩部分組成。運動方式轉換是將步進電機的圓周運動轉化為直線運動，在雕刻機上由有滾珠絲杠或齒條來完成。絲杠單位距離內運行精度高，但由于其結構原因，不可避免地存在累計誤差。齒條的單位距離內運行精度低，但其往復運行的結構使其不會因運行距離而產生累計誤差。直線約束裝置俗稱導軌，有圓形和方形兩種，一般情況下絲桿和圓軌組合，這就是我們常說的絲桿機，方軌和齒條組合就是齒條機。質量的優劣除導軌的耐磨程度及摩擦系數外，最需要注意的一點就是其硬度及抗彎強度。對于導軌，滾珠絲杠建議選用進口產品，因為其與機器的壽命及性能密切相關。

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結論
本文所設計的雕銑機的機床其行程由絲桿決定（X 軸的行程為 500mm，Y 軸的行程為 500mm，Z 軸的行程為50mm）。整體外形尺寸約為 550mm×550mm×100mm，適合采用單人工移動的方式搬動到教室中進行現場教學示范使用。經實踐驗證，投入的設備成本較低，教學效果良好，有較大的推廣使用空間。若采用長度尺寸更小的絲桿，可進一步減小整體外形尺寸，更適合作為教具隨身攜帶進入理論課堂使用。

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