教学式微型数控铣床的研制与应用

王 鹏，潘俊兵，赵 熹，徐家忠

(1.陕西国防工业职业技术学院智能制造学院，陕西 西安 710300) (2.陕西国防工业职业技术学院汽车工程学院，陕西 西安 710300)

数控机床的出现，加快了现代机械加工技术的发展步伐[1-2]。20世纪以来，数控设备广泛应用于工业生产，数控机床的先进程度已是评价一个国家制造业水平的重要标志[3-4]。目前，我国工业发展迅猛，传统数控铣床及微型数控铣床的数量逐年增加[5]，对机床维护与维修人员的素质要求也进一步提高。工业数控铣床结构复杂[6-8]，系统开放性差，价格昂贵，增加了企业和学校对相关专业技术人员的培养成本，制约了数控铣床的进一步发展。另外，现有的微型数控铣床多用于精密加工[9-11]，成本较高，制约了机床的民用化推广。因此，亟待设计一种结构简单、成本低、便于拆装学习及民用化推广的微型数控铣床。

为了解决上述问题，本文以国内现有数控铣床及前人研究成果为研究基础，设计了一种集成度高、成本低、搬运方便、结构简单、灵活度高的教学式微型数控铣床，以期为我国数控铣床专业人才的培训作出贡献，同时满足雕刻加工的要求，从而降低数控技术人才的培养成本。

1 机床结构的设计

1.1 机床结构

该机床为三轴数控铣床，与工业数控铣床的结构基本相同，主要由X，Y，Z三轴及传动系统、工作台、导轨、立柱、底座、控制系统等构成，如图1所示，相关参数见表1。

1—Y轴电机；2—Y轴传动带轮；3—工作台；4—Z轴刀具安装装置；5—Z轴电机；6—主轴移动电机；7—立柱；8—导轨；9—X轴电机；10—底座

1.2工作原理

该教学式微型数控铣床为电机驱动X轴、Y轴、Z轴运行，即电机驱动工作台的前、后、左、右位移及刀具的升降和旋转运动。工作时，首先将工件固定在工作台上，完成刀具装夹及加工程序传输等准备工作。然后按照工业数控铣床的对刀方法，寻找刀具相对工件的原点。最后通过手动操作或数控系统驱动X，Y，Z3轴运行，完成工件的加工过程。

表1 教学式微型数控铣床相关参数

数控系统可完成三轴(X，Y，Z)位置的精确控制，同时可以精确控制Z轴(刀具所在的轴)转速。该数控铣床控制系统使用的代码为国际通用的G、M代码。

2 控制系统

该教学式微型数控铣床采用XC09MC型数控系统，可控制机床实现铣、攻、镗、钻等加工工艺，系统界面如图2所示。该数控系统使用32位高性能微处理器，可实现实时多任务控制技术和硬件插补技术，插补精度可达0.001 mm。此外，该系统还具有以下优点：

图2 控制系统面板图

1)简洁的操作界面，配备了5个快捷功能键(F1～F5)，操作简单；

2)可识别国际通用的G、M程序指令，兼容FANUC系统指令，适应性强，便于学习；

3)可通过USB接口传输程序文件，极大提高了机床使用效率；

4)操作界面中、英文双语显示，给初学者降低了门槛；

5)支持多级操作权限，方便设备管理，能够实现限时系统锁定，提高了系统安全性；

6)兼容性好，支持第三方软件编译的加工代码文件。

3 机架有限元设计

运用SolidWorks软件建立机架模型，如图3所示。机架材料为Q235，对该模型进行网格划分，并添加作用力，Z轴装置和配重装置均为简化图，重力分别为500 N和300 N。底座下端固定在水平地面上，在SolidWorks的Simulation模块中进行仿真，结果如图4所示。

1—底座；2—立柱；3—Z轴装置；4—配重装置

图4 应力云图

由图4可知，机架屈服力为2.76×108N，当实际应力超过屈服应力时，机架产生较大形变，该形变可达0.21 mm，降低了机床精度。最大变形位置出现在立柱和底座的交接处左右两侧。在配重装置的作用下，机架未出现较大形变，因此该机架结构设置合理，能够满足微型数控铣床的工作要求。若考虑超载，可在立柱和底座的连接位置增加加强筋，以提高该处刚度。

4 试验研究

为检验该教学式微型数控铣床的工作性能，2020年3月25日于陕西国防工业职业技术学院实训中心进行了样机试验，试验现场如图5所示。该试验以陕西国防工业职业技术学院校徽作为加工案例，如图6所示。由于该图案较为复杂，为了提高编程效率和准确性，试验前，通过UG软件将该图案的数字化模型建立在 100 mm×100 mm的方块上，如图7所示。运用UG数控加工模块，选择1 mm的雕刻刀具，主轴转速设为3 000 r/min，为了减小刀具切削阻力，进给率设为 300 mm/min，生成了加工该图案的三轴机床刀具轨迹，并仿真验证，验证后的刀具轨迹经后处理得到对应的加工程序，如图8所示。用U盘将该程序输入数控机床控制系统，完成加工前期程序准备工作。

图5 试验现场

图6 加工图案

图7 数字化模型

图8 加工程序

进入装夹阶段后，将100 mm×100 mm×30 mm的工件固定在工作台上，通过SOE-20S型光电寻边器完成刀具对刀操作，建立机床加工坐标系。切换到自动模式运行程序，完成工件加工，成品如图9所示。完成加工后，用CONTURA G2型三坐标测量仪检测被加工图案的形状及尺寸误差，测得误差集中在0.6～0.8 mm，能够清晰地反映被加工物体的结构，可满足学员对数控机床结构及工作原理的基础学习要求，也可满足雕刻加工的要求。

图9 加工样件

5 结束语

本文提出了一种教学式微型数控铣床，并对该数控铣床进行了加工试验。试验结果表明，主轴转速为3 000 r/min，进给率为300 mm/min，用1 mm的雕刻刀加工时，该教学式微型数控铣床加工误差为0.6～0.8 mm。试验表明，该微型数控铣床加工质量良好，结构稳定。若在大专院校、企业培训单位和科研院所能够代替工业数控铣床作为教学培训设备，可极大降低教学成本，培养更多数控人才。