基于教学使用微型数控铣床的研究与设计

赵汝胜

微型数控铣床不是传统数控铣床直接微型化，它远超出了传统铣床的概念和范畴。微型数控铣床在尺度效应、结构、材料、制造方法和工作原理等方面，都与传统铣床截然不同。微系统的尺度效应、物理特性研究、设计、制造和测试研究是微系统领域的重要研究内容。

一、微型数控铣床总体方案

在机床总体设计过程中，我们要从两方面进行着手。一方面从机床本身考虑，要考虑好工件和刀具之间的相对关系;另一方面还要考虑人机关系，也就是方便人的操作。

（一）机床设计的步骤

1.主要技术指标设计

主要技术指标设计主要包括机床的工艺范围、生产率、精度、噪声等性能指标，主要参数，驱动方式，成本及生产周期等。

2.总体方案设计

（1）运动功能设计：机床所需要的功能（主运动、进给运动、其他运动）及排列顺序、运动的个数及其形式（直线运动、回转运动）、机床的运动功能图的绘制。（2）基本参数设计：尺寸参数、运动参数和动力参数设计。（3）传动系统设计：传动方式、传动原理图及传动系统图设计。（4）总体结构布局设计：运动功能的分配、总体布局结构形式的选择和总体结构方案图的设计。

3.总体结构方案的优化设计，进一步的修改所选择的布局方案，确定最优方案。上面的设计内容，在设计过程中要不断地进行。

（二）总体设计的要求

（1）满足各种加工要求，如加工范围、加工精度等。（2）确保铣床具有足够的刚度、较好的抗振性和热变形。（3）便于观察加工过程，易于操作、维修和调整。（4）结构简单，布局合理可靠。（5）体积小，重量轻。

二、微型数控铣床运动功能设计

（一）微型数控铣床的运动功能关系

机床的几何运动功能关系。在微型铣床铣削的过程中，铣削工件需要两个运动，一个是主运动，即刀具的旋转，另一个运动是进给运动，设计的为三坐标微型数控铣床，所以还需要三个方向的进给运动。所以微型数控铣床需要限制四个自由度，即X、Y、Z三个方向的移动和主轴的转动。

（二）运动功能的分配

1.微型数控铣床主轴的运动分配

数控铣床的主运动是刀具的旋转。机床的执行元件主轴的功用是载着刀具旋转以及进行切削，完成工件的表面成形运动，它有两种运动方案：（1）自身回转;（2）自身回转和在垂直方向上的直线运动。

刀具是与加工零件直接接触的部件，但它自身无法运动，需要安装在主轴上，由主轴电机驱动主轴带着它一起旋转，那么加工零件的加工要求一定程度上取决于主轴的精度，主轴运动的复杂程度越小越好，并且应该尽可能减少主轴电机发出的热量，所以方案（2）不适合本课题。我们选用第一种方案。

2.主轴箱的运动分配

要求主轴不仅有回转运动，还要有垂直方向上的直线运动，但主轴电机只能带动主轴回转，所以主轴箱负责主轴在垂直方向上的直线运动。

3.工作台的运动分配

工作臺是数控铣床的重要部件，它的类型和尺寸代表着数控机床的性能。工作台主要是实现工件的进给，运动形式有两种方案：

（1）自身回转;（2）X、Y方向的直线运动。

我们选择第二种方案，垂直方向上有主轴的旋转及直线运动，我只需水平方向上的两个直线运动就可以完成工件的加工，通过X、Y方向的导轨带动实现工作台的直线运动。

4.运动分配的结论

微型数控铣床主轴的运动是自身的回转，主轴箱的运动是带着主轴实现垂直方向上的直线运动，工件放在工作台上，有导轨带着工作台实现水平方向X、Y的直线运动。如图 2-1所示。

（三）微型数控铣床的传动方案

1.主轴的驱动

主轴的运动是自身的回转运动，主轴的驱动方式有三种：

（1）由内置电机直接驱动;（2）由内置电机通过齿轮的传动来驱动;（3）由外置电机来直接驱动。

通过比较我们选择由内置电机通过齿轮的传动来驱。

2.主轴箱的驱动

主轴箱是装在立柱上的，由立柱带着它做Z向上的直线运动、进给运动。它的传动方案有两种：

（1）由伺服电机、滚珠丝杠螺母机构带动主轴箱做垂直方向的运动;（2）由直线电机直接驱动带动主轴箱做垂直方向的进给运动。

结合参考书和现实中的机床，我们选择（2）方案。

3.工作台的驱动

工作台的作用是实现工件水平方向（X、Y）进给，实现零件的加工。工作台被安装在滚动导轨上，由步进电机驱动滚珠丝杠旋转使螺母移动，从而实现工作台在水平面内横向、纵向的运动。图2-2所示。

（四）微型数控铣床的伺服系统

伺服系统按其控制方式进行分类，可分为开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。

综上所述，我们选择开环的伺服系统，因为我们设计的是教学型微型数控铣床，不需要太高的精度，但成本要低，而开环伺服系统精度、速度要求较低，调试方便，成本低，稳定性好。符合我们的要求。

三、微型数控铣床总体布局

（一）本设计中微型数控铣床的布局形式

所设计的数控铣床主要是用于教学演示和学生动手实验的，要求其占地小、低价格，便于推广，由于卧式铣床体积大和占地面积大，不符合我们的要求，所以我们选择立式数控铣床形式，床身为十字形结构，将工作台水平放置并且横向、纵向进给，主轴带动刀具旋转及在Z轴方向上移动。

（二）总体结构布局的确定

综上所述，总体上采用立式布局形式，采用十字交错形工作台，主轴箱安装在立柱的对称面内，刀具由主轴带着来完成主运动（旋转运动），进给运动由工作台带着工件来完成。加工时，主轴电机带动主轴上的刀具旋转，主轴箱通过伺服电机实现主轴Z方向的进给运动，X、Y轴均由步进电机带动丝杠旋转，滚珠螺母沿丝杠实现水平移动，从而带动工作台沿导轨在水平面内前、后和左、右的移动。

（三）微型数控铣床的主要技术参数的设计

1.机床的主要技术参数包括主参数和基本参数

基本参数有尺寸参数、运动参数和动力参数。

2.加工范围的确定

最大铣削直径：32mm;最大钻削直径：10mm。

3.主要结构尺寸

（1）机床的外形尺寸：560×410×520

（2）X、Y、Z三個方向的最大行程：120×105×85

4.运动参数的确定

主轴的转速：100～1500;

本设计中的切削力计算主要采用经验计算公式。刀具材料为高速钢，工作材料为铝块（σb=100MPa）。

Z轴铣削工作时铣削力的计算：dmax=10mm，dmin=6mm。

由《实用机床手册》得：铣削功率Pm=FzV6×104

铣削力Fz=642apaf 0.72aw0.86do-0.86ZKFZ

铣削力修正系数KFZ=KmFZKγFZKkFZ，其中工件材料系数 KmFZ=σb0.6380.3=4.55

高速钢铣刀ro=15°，前角系数KγFZ=0.92

主偏角kγ=75°KkFZ=1.0 ，因此KFZ=1.006×0.92×1.0

现取fz=0.06mm/Z，ap=4mm，Z=4，do=10mm，ae=8mm，n=400r/min ，

FZ=642×4×0.060.72×80.86×10-0.86×4×4.19=1171.0N

V=πdon/1000=3.14×10×400/1000=12.56mm/s

Pm=FzV6×104=1171.0×12.56/60000=0.25kW

5.主电机的选择

因为铣削时最大的铣削力为：

FZ=642×4×0.060.72×80.86×6-0.86×4×4.19=1817.5N

V=πdon/1000=3.14×6×1500/1000=28.26 mm/s

Pm=FZV6×104=1817.5×28.26/60000=0.86kW

主轴功率P=Pm/0.88 =0.86/0.88=0.97kW

所以选电动机为Pm=1.1kW，型号：Y90S—4型

运动功能的分配，首先确定微型数控铣床所需的运动以及各个运动之间的关系，进行运动功能的分配。

最后进行总体方案图的设计，根据运动功能的分配和总体结构布局形式，进行总体方案图的设计，对各个方案进行比较，选择出最优方案。