桌面三軸數(shù)控銑床的設(shè)計*

黃佐凱 ，杜 洋 ，袁志成 ，馬思佳 ，楊倩倩 ，姜海翔

（荊楚理工學院通用航空學院，湖北 荊門 448000）

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)應(yīng)運而生，成為制造業(yè)的主流，在國內(nèi)外的CNC設(shè)備中絕大多數(shù)都是專用器械，造價高且維修成本昂貴，很大程度上阻礙了數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[1]?；谑袌鲂枨?，對桌面級三軸數(shù)控銑床進行設(shè)計，滿足了教學等方面的需求，同時降低了教學成本和使用危險系數(shù)。

1 整體方案

1.1 設(shè)計目的

數(shù)控機床運用數(shù)字化信號對其行進和加工過程進行控制。它是一類具有前沿技術(shù)且自動化水平很高的機電一體化加工器械。它綜合了應(yīng)用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術(shù)，是數(shù)控技術(shù)與機床相結(jié)合的產(chǎn)品。應(yīng)用數(shù)控機床加工產(chǎn)品，產(chǎn)品加工質(zhì)量好，加工精確度和效率都要比普通機床高，尤其在表面不規(guī)則、繁雜的曲線或曲面、多工藝復合化加工和高精度要求的產(chǎn)品加工時，這一長處是傳統(tǒng)機床所無法相比的[2]。數(shù)控技術(shù)在現(xiàn)代機械制造領(lǐng)域中代表了機械設(shè)備工業(yè)技術(shù)水平和加工生產(chǎn)現(xiàn)代化水平，是機械行業(yè)新興高端技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

1）數(shù)控技術(shù)在教育領(lǐng)域遇到的難題，如圖1所示。

圖1 教育困難分析圖

①買不起：造價昂貴，一臺機器造價就是幾十萬甚至上百萬，大部分學校只能購買幾臺用于教學，有的學校甚至沒有能力購買機器用于教學。很難實現(xiàn)在校生一個班每人一臺機器用于實操。

②養(yǎng)不起：市面上的數(shù)控機床都是體積龐大的，需要很大的安裝場地，對安裝場地的濕度、潔凈度都有要求，而且日常需要潤滑油、液壓油和專業(yè)的維護人員。所以大部分院校在維護和使用上花銷大。

③用不起：學生在實操學習的時候，耗材、刀具消耗極大，會出現(xiàn)撞刀、誤操作損壞機床等情況。這對于一個學校來說經(jīng)濟壓力是很大的。

④擔不起：對于初學者，學生在實際操作的時候會出現(xiàn)很多嚴重的失誤，就算是規(guī)范作業(yè)，但還是避免不了出現(xiàn)嚴重安全事故。對于這種大型機床，一旦出現(xiàn)事故，輕則擦破皮，重則致殘。這無論是對高等院校還是對任課教師來說，都是承擔不起的。

數(shù)控銑床廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，但是現(xiàn)代的數(shù)控加工銑床的特點就是占地面積大、不易移動位置、安裝難度大，對場地面積和環(huán)境的要求都比較高。在這種情況下，很多小型零部件對加工精度要求高的，單件生產(chǎn)在大型現(xiàn)代數(shù)控銑床上加工和普通加工工藝上就很難實現(xiàn)，因此課題組提出桌面三軸數(shù)控銑床的設(shè)計。

桌面數(shù)控銑床秉承了現(xiàn)代數(shù)控銑床高精度、自動化、可編程的特點，采用G代碼運行機床，可對小部件進行加工，移動方便，而且重量輕，搬運簡單。解決了小型零件加工成本高的難題，可雕刻電路板，銑平面。G代碼控制靈活性高，可銑削、雕刻出隨意圖形的產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于學校課堂教學、小型產(chǎn)品開發(fā)、個人創(chuàng)作等。

2）與普通工業(yè)用數(shù)控銑床相比，桌面數(shù)控銑床具有以下特點。

①制造成本低：該設(shè)備的成本價僅僅幾千元。

②危險指數(shù)低：應(yīng)用24 V直流電供給，不用擔憂漏電防護，主軸功率以及刀具工作范圍都小，本就難以造成較大傷害而且另有護罩阻隔，機器部件也小，基本不會出現(xiàn)傷人情形。

③場地要求低：可置于桌面上，供學習使用。

④維護費用不高、耗材便宜：無需日常維修和保養(yǎng)，耗電不高，可用木板等代替教學，教學成本低[3]。

1.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的主控制模塊采用PC+Arduino單片機進行控制，驅(qū)動系統(tǒng)采用步進電機和步進電機驅(qū)動器的組合。主軸電機驅(qū)動方案采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，通過改變脈沖序列的占空比來改變輸出電壓，進而控制直流電機的轉(zhuǎn)速[4]。傳動機構(gòu)運用高精度的絲桿螺母副。此外，還有雕刻機電源模塊和輔助模塊。控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

2 硬件平臺設(shè)計

整體結(jié)構(gòu)剛度是CNC加工精度的根本保證[5]。傳統(tǒng)數(shù)控設(shè)備傳動多采用滾珠絲桿，機身材料則采用各種鋼材。這種方式雖然整體的剛度非常高，但相應(yīng)地也導致整體重量大幅提升。本文采用如圖3所示的鋁型材搭建桌面CNC平臺，搭配絲桿和光軸進行傳動和支撐。采用鋁合金的鋁型材強度高、密度低，而加工成特別截面形狀后，又使剛度顯著上升。鋁型材在等體積抑或等重量情況下的抗彎能力更好。更加值得注意的是，鋁型材作為標準件價格低廉還簡便容易獲取，用它構(gòu)建平臺擁有很高的靈活性。

圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

平臺主要以鋁材搭建，X軸、Y軸、Z軸分別由一個受32細分步進電機驅(qū)動器驅(qū)動的42步進電機驅(qū)動。主軸是一個直流電機，由PWM調(diào)速器來調(diào)速，直流電機安裝手動鉆夾頭，鉆夾頭可以安裝銑刀、鉆頭等，通過G代碼編程可加工出設(shè)想的形狀。由絲桿螺母來傳動，可精準定位，傳動穩(wěn)定[6]。

2.1 驅(qū)動配置

運動機構(gòu)需要配合良好的驅(qū)動機構(gòu)方能實現(xiàn)高精度的定位[7]。鋁型材搭建桌面CNC平臺，采用DRV8825驅(qū)動器，其主要特點如下：大電流2.5 A，高支持32細分，4層PCB板，散熱效果更好。而且這樣的構(gòu)造芯片內(nèi)阻更小，發(fā)熱更低，散熱能力也更強。

DRV8825驅(qū)動器的主要參數(shù)。尺寸：1.5 mm*2 mm；可驅(qū)動電流：2.5 A；細分：1，1/2，1/4，1/8，1/16，1/32；制造工藝：SMT貼片機制造，非手工焊接，良品率更高，性能更穩(wěn)定。

DRV8825驅(qū)動器的特點：適合驅(qū)動45 V，2.5 A以下的步進電機；只有步進和方向控制接口；六種不同的步進模式，即1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32；可調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)大電流輸出；自動電流衰減模式檢測選擇；過熱關(guān)閉電路，欠壓鎖定，交叉電流保護；接地短路保護和加載短路保護。

如果設(shè)置為32細分后，當控制器給驅(qū)動器一個步進脈沖時，電機僅轉(zhuǎn)過0.056 25°，滿足平臺對其運動精度的要求。DRV8825驅(qū)動器體積小，精度高[8]，價格低廉，滿足銑床低成本的要求。

2.2 傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

三軸數(shù)控桌面銑床的主軸相較于普通機床傳動，加工對象負載小、面積不大，故三軸數(shù)控桌面銑床結(jié)構(gòu)更簡單，操作更方便[9]。

傳動機構(gòu)采用滑動絲杠螺母機構(gòu)，X軸、Y軸、Z軸分別各采用滑動絲杠螺母機構(gòu)，滑動絲杠螺母機構(gòu)結(jié)構(gòu)強度很高，定位精確，利用斜面原理，將轉(zhuǎn)動變成平動。絲杠轉(zhuǎn)一圈，螺母位移一個螺距?；瑒咏z杠螺母機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能[10]。即使在加工過程中突然斷電，主軸也不會突然掉落下來，這對刀具有很好的保護作用?；瑒咏z杠螺母機構(gòu)將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為平動，結(jié)合步進電機可以非常精確地定位[11]。

3 軟件使用

銑床用的是開源在線編程軟件Grbl control，可以在線用G代碼編程，軟件與Arduino單片機連接后，對機床的零點可在線進行設(shè)置，軟件可自動生成簡單的圖形G代碼，可以在軟件內(nèi)手動編程G代碼，在軟件內(nèi)可對自己的代碼的刀具運動軌跡進行預覽，從而檢查自己的代碼與預期的差別，并可以及時地修改。當運行軟件時，軟件將一條條G代碼傳入單片機內(nèi)，機床運行完一條指令，軟件送入下一條指令，直到完成整個任務(wù)。

3.1 Grbl control軟件特點

Grbl control作為只針對Arduino單片機的G代碼編譯和活動控制的開源程序，成本低，性能高，以并口運動控制為基礎(chǔ)，將其用于CNC雕鏤鐫刻。只要它配備了Atmega 328型芯片，就可以運行在Vanilla Arduino (Duemillanove/Uno) 。運用AVR芯片實現(xiàn)精準的時序和異步控制的控制器，由C語言為基層代碼。Grbl可以持續(xù)輸出超出30 kHz的穩(wěn)定、無偏差的脈沖，它通過了數(shù)個CAM手段的輸出測試，接受標準的G代碼?；⌒?、圓形和螺旋的運動都可以像其他一些基本G代碼命令一樣輕松實現(xiàn)。Grbl包含完整的加速度控制，以實現(xiàn)平穩(wěn)的加速和無沖擊的轉(zhuǎn)彎。

3.2 控制思路

根據(jù)想要加工的零件，編寫出G代碼，送入到Grbl control軟件內(nèi)，軟件計算出脈沖數(shù)和寬度，并給定間隙補償量，然后通過USB串口將數(shù)據(jù)一條條發(fā)送到單片機內(nèi)，單片機控制步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動步進電機完成加工任務(wù)?？刂屏鞒虉D如圖4所示。

圖4 控制流程圖

3.3 部分G代碼使用說明

編程部分代碼指令如表1所示。

表1 部分代碼說明表

在運用編程軟件進行指令編寫的時候，其指令和華中數(shù)控系統(tǒng)是非常類似的，基本上和華中數(shù)控系統(tǒng)一樣。根據(jù)要加工的圖形，編寫G代碼，導入機床即可完成任務(wù)。

4 結(jié)語

課題組基于Grbl control開源平臺，應(yīng)用Arduino單片機等技術(shù)設(shè)計了一款桌面級CNC加工平臺。該平臺擁有通用化、精度高、成本低和遠程操控等諸多優(yōu)點，可運用到教學、制作DYI等領(lǐng)域。和通常的大型機床相比，該平臺擁有體積小、重量輕、開源容易、性價比高等優(yōu)點。與其他機床相比，桌面數(shù)控銑床在制作價格、加工精度等方面具有很大的優(yōu)勢，完美迎合了當前相關(guān)領(lǐng)域的市場需求。