【模塊系列化多功能數控機床】
1 研制背景及意義
作為機械及其相關專業的學生，必然要接觸數控機床，而且機械加工制造以及機械制圖等是必不可少的課程，金工實習更是不可或缺。但是由于數控機床昂貴且占地面積大，大部分高校沒有足夠的經費和場所來置辦足夠學生使用的數控機床。因此學生實習時看得多做得少，很少有親自動手的機會。這就導致學生對于數控車床、銑床等機床沒有清楚的認識，對一些基本的操作技能更是生疏。在現在的高校環境下讓每個同學都能真正的操作并熟悉數控機床根本不可能。但數控機床是制造業的加工母機和國民經濟的重要基礎，傳統機床落后效率低下，我國數控機床產業起步較晚處于發展中階段，因此急缺數控機床方面的人才，這對高校提出了更高的要求。鑒于目前市場上沒有這種小型廉價的供學生學習的小型數控車銑教具設備，我們研發了這一款模塊化多功能數控機床教具，它是一款很好的入門級教具。該教具具備了數控車床、數控銑床、車銑復合和五軸加工的功能，是一個一機多用、性價比極其高的機電教具。
2工作原理
數控機床教具包括三個直線運動坐標軸和兩個旋轉運動坐標軸，分別是X軸、Y軸、Z軸以及A軸(車床主軸)和B軸，x、y、z軸分別由聯軸器通過滾珠絲杠由步進電機控制;A軸(車床主軸)由一個步進電機連接的2個帶輪通過同步帶傳動實現控制;B軸通過步進電機控制蝸輪蝸桿的運動實現旋轉盤上車刀和銑刀的轉換以及刀具的不同旋轉角度。本裝置的傳動原理如圖1所示。
控制部分采用上位機(電腦)通過一個25針的并口傳給下位機(128細分驅動器)脈沖信號，進而傳給步進電機來控制步進電機的旋轉，從而控制滾珠絲杠、同步帶、蝸輪蝸桿的運動或旋轉。
3 設計方案
3.1總體方案設計
在方案設計階段，以鋁作為主要材料，這樣質量輕便又保證了足夠的加工強度。用價格低量、能實現準確控制的步進電機控制機床運動。為了實現結構的簡單以及功能的多樣化，我們將各個部分模塊化，主要包括x軸、y軸、z軸、A軸(車床主軸)及繞y軸旋轉的B軸。作為一種教具，一方面可在教室實現演示功能，另一方面可使學生在實驗室自主設計、編程、加工物品;或自主拆卸安裝。
3.2各軸設計簡介
XYZ三軸為直線坐標軸，主要由滾珠絲杠、光滑導軌、直線滑塊、軸承等各部分組成。滾珠絲杠保證了重復定位的精度，最高可達0.05mm。A軸和B軸為旋轉坐標軸。A軸在此處也稱為車床主軸，它主要由同步皮帶輪、同步皮帶、三爪卡盤組成。同步皮帶保證了準確恒定的傳動比，而且具有效率高、緩沖減震的特點。此處我們用的傳動比為1.6。B軸起到刀庫的作用，車刀和銑刀安裝在旋轉盤上。我們用傳動比為1:30的精密蝸輪蝸桿代替了A軸的同步帶，因為精密渦輪蝸桿具有自鎖性，且能夠保持精密分度，以實現刀具的精確旋轉角度。
3.3控制部分
制部分我們主要采用步進電機和Mach軟件進行控制各個軸的運動，而這僅需一臺普通電腦即可，在實驗室和教室都是具有一臺電腦的，因此控制非常容易實現。為了便于攜帶，我們做了一個專門的控制箱。Mach軟件是一款開放性的基于Windows平臺的數控軟件，采用國際通用的G代碼，與市面上流行的西門子等機床所用代碼相同，最多可以控制六軸聯動。具體控制細節就是上位機(電腦)通過一個25針的并口傳給下位機(128細分驅動器)脈沖信號，進而傳給步進電機來控制步進電機的旋轉，從而控制滾珠絲杠、同步帶、蝸輪蝸桿的運動或旋轉。這是我們B軸刀具旋轉一度所需脈沖數的計算過程： 200×128x30÷360×1=2133.333333
200為步進電機旋轉一周所需的脈沖數
128為此處所使用的脈沖細分數
30為蝸輪蝸桿的傳動比
3.4功能簡介
該教具能實現數控車床、數控銑床、車銑復合和五軸加工四種不同的功能。第一：數控車床，車床主軸的旋轉作為主運動，以車刀和A軸組合成車床，能實現車外圓、端面和螺紋等。第二：數控銑床，以主軸電機旋轉作為主運動，以銑刀作為刀具加工在卡盤上或在臺鉗夾具上的工件，能實現加工孔、鍵槽、平面等。第三：車銑復合，一次裝夾工件，通過一次編程，先后實現車和銑的操作，能保持工序集中、消除(或減少)工件重新安裝定位誤差，提高加工精度。第四：五軸加工，通過Mach軟件控制五個軸的協調運動以加工復雜曲面。
表1列出了該教具所具備的4中基本功能。
表1功能介紹
功能功能簡介實物圖或模型圖
數控車床通過卡盤將加工的工件裝卡在主軸上，由步進電機在Mach軟件的控制下，驅動主軸做回轉運動，同時夾具做直線運動，通過計算機進行編程，便可實現數控車床的功能。
數控銑床通過夾具將工件夾持住，由絲杠帶動可以做直線運動，銑刀在電機的驅動下做旋轉運動，2個運動相互配合，通過計算機編程，從而實現數控銑床的功能。
五軸加工將A軸的刀具旋轉不同的角度，與x軸、y軸、z軸和A軸組成五軸加工，通過計算機編程，實現對復雜曲面的五軸加工。
車銑復合以B軸的旋轉盤帶動 車刀和銑刀的轉換，通過一次裝夾、一次編程便可以形成車銑復合。達到一次裝夾先后完成車銑的運動。
4 主要創新點及特點
4.1主要創新點
1.該機床實現四種不同的功能，結構簡單，一機多用，性價比極其高。
2.實現了功能模塊化和教學模塊化。因為實現了不同的功能，可以適用于不同層次學生和不同教學計劃的使用要求。低年級可以進行簡單的車銑操作，高年級學生可以學習多軸數控編程。
4.2 主要特點
1.該教具以機械設計為主，涉及機電控，復合現代機床的發展方向。同時符合機床的復合化和多軸化的發展趨勢。2 .控制部分采用MACH軟件，只要一臺普通的計算機便可實現數控車床、銑床、車銑復合和五軸加工的編程操作，價格低廉，操作靈活。3.應用范圍廣。機械及其相關專業都可以使用，因此在高校有非常廣的應用前景。
4.增加了攝像頭。有利于課堂教學，使學生清晰看到機床的運動結構。
5.研究意義及應用前景
5.1研究意義
1.使學生理論與實踐完美結合。通過我們的機床，學生可以把他大學期間所學的課程全部聯系起來，從畫圖設計的CAD、Pro/e、SolidWorkers到編程的MasterCam，到制造技術中的機械制造技術基礎，到出零件的機原機設等，因此我們機床可以應用于很多大學課程。
2.在金工實習中還可讓學生自己編程加工自己想要的東西，這樣大大提高了他們學習機械的興趣。
3.讓學生自己測繪制作該機床或拆卸組裝，提高他們的動手和裝配能力。
5.2應用前景
1.主要應用就是向高校推廣，應用于課堂教學和金工實習中，減少經費開支和占地面積，提高學生工程素質。
2.繼續升級為六軸。
完成單位：天津工業大學 工程實訓中心
作品名稱：模塊系列化多功能數控機床
