【模块系列化多功能数控机床】
1 研制背景及意义
作为机械及其相关专业的学生，必然要接触数控机床，而且机械加工制造以及机械制图等是必不可少的课程，金工实习更是不可或缺。但是由于数控机床昂贵且占地面积大，大部分高校没有足够的经费和场所来置办足够学生使用的数控机床。因此学生实习时看得多做得少，很少有亲自动手的机会。这就导致学生对于数控车床、铣床等机床没有清楚的认识，对一些基本的操作技能更是生疏。在现在的高校环境下让每个同学都能真正的操作并熟悉数控机床根本不可能。但数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础，传统机床落后效率低下，我国数控机床产业起步较晚处于发展中阶段，因此急缺数控机床方面的人才，这对高校提出了更高的要求。鉴于目前市场上没有这种小型廉价的供学生学习的小型数控车铣教具设备，我们研发了这一款模块化多功能数控机床教具，它是一款很好的入门级教具。该教具具备了数控车床、数控铣床、车铣复合和五轴加工的功能，是一个一机多用、性价比极其高的机电教具。
2工作原理
数控机床教具包括三个直线运动坐标轴和两个旋转运动坐标轴，分别是X轴、Y轴、Z轴以及A轴(车床主轴)和B轴，x、y、z轴分别由联轴器通过滚珠丝杠由步进电机控制;A轴(车床主轴)由一个步进电机连接的2个带轮通过同步带传动实现控制;B轴通过步进电机控制蜗轮蜗杆的运动实现旋转盘上车刀和铣刀的转换以及刀具的不同旋转角度。本装置的传动原理如图1所示。
控制部分采用上位机(电脑)通过一个25针的并口传给下位机(128细分驱动器)脉冲信号，进而传给步进电机来控制步进电机的旋转，从而控制滚珠丝杠、同步带、蜗轮蜗杆的运动或旋转。
3 设计方案
3.1总体方案设计
在方案设计阶段，以铝作为主要材料，这样质量轻便又保证了足够的加工强度。用价格低量、能实现准确控制的步进电机控制机床运动。为了实现结构的简单以及功能的多样化，我们将各个部分模块化，主要包括x轴、y轴、z轴、A轴(车床主轴)及绕y轴旋转的B轴。作为一种教具，一方面可在教室实现演示功能，另一方面可使学生在实验室自主设计、编程、加工物品;或自主拆卸安装。
3.2各轴设计简介
XYZ三轴为直线坐标轴，主要由滚珠丝杠、光滑导轨、直线滑块、轴承等各部分组成。滚珠丝杠保证了重复定位的精度，最高可达0.05mm。A轴和B轴为旋转坐标轴。A轴在此处也称为车床主轴，它主要由同步皮带轮、同步皮带、三爪卡盘组成。同步皮带保证了准确恒定的传动比，而且具有效率高、缓冲减震的特点。此处我们用的传动比为1.6。B轴起到刀库的作用，车刀和铣刀安装在旋转盘上。我们用传动比为1:30的精密蜗轮蜗杆代替了A轴的同步带，因为精密涡轮蜗杆具有自锁性，且能够保持精密分度，以实现刀具的精确旋转角度。
3.3控制部分
制部分我们主要采用步进电机和Mach软件进行控制各个轴的运动，而这仅需一台普通电脑即可，在实验室和教室都是具有一台电脑的，因此控制非常容易实现。为了便于携带，我们做了一个专门的控制箱。Mach软件是一款开放性的基于Windows平台的数控软件，采用国际通用的G代码，与市面上流行的西门子等机床所用代码相同，最多可以控制六轴联动。具体控制细节就是上位机(电脑)通过一个25针的并口传给下位机(128细分驱动器)脉冲信号，进而传给步进电机来控制步进电机的旋转，从而控制滚珠丝杠、同步带、蜗轮蜗杆的运动或旋转。这是我们B轴刀具旋转一度所需脉冲数的计算过程： 200×128x30÷360×1=2133.333333
200为步进电机旋转一周所需的脉冲数
128为此处所使用的脉冲细分数
30为蜗轮蜗杆的传动比
3.4功能简介
该教具能实现数控车床、数控铣床、车铣复合和五轴加工四种不同的功能。第一：数控车床，车床主轴的旋转作为主运动，以车刀和A轴组合成车床，能实现车外圆、端面和螺纹等。第二：数控铣床，以主轴电机旋转作为主运动，以铣刀作为刀具加工在卡盘上或在台钳夹具上的工件，能实现加工孔、键槽、平面等。第三：车铣复合，一次装夹工件，通过一次编程，先后实现车和铣的操作，能保持工序集中、消除(或减少)工件重新安装定位误差，提高加工精度。第四：五轴加工，通过Mach软件控制五个轴的协调运动以加工复杂曲面。
表1列出了该教具所具备的4中基本功能。
表1功能介绍
功能功能简介实物图或模型图
数控车床通过卡盘将加工的工件装卡在主轴上，由步进电机在Mach软件的控制下，驱动主轴做回转运动，同时夹具做直线运动，通过计算机进行编程，便可实现数控车床的功能。
数控铣床通过夹具将工件夹持住，由丝杠带动可以做直线运动，铣刀在电机的驱动下做旋转运动，2个运动相互配合，通过计算机编程，从而实现数控铣床的功能。
五轴加工将A轴的刀具旋转不同的角度，与x轴、y轴、z轴和A轴组成五轴加工，通过计算机编程，实现对复杂曲面的五轴加工。
车铣复合以B轴的旋转盘带动 车刀和铣刀的转换，通过一次装夹、一次编程便可以形成车铣复合。达到一次装夹先后完成车铣的运动。
4 主要创新点及特点
4.1主要创新点
1.该机床实现四种不同的功能，结构简单，一机多用，性价比极其高。
2.实现了功能模块化和教学模块化。因为实现了不同的功能，可以适用于不同层次学生和不同教学计划的使用要求。低年级可以进行简单的车铣操作，高年级学生可以学习多轴数控编程。
4.2 主要特点
1.该教具以机械设计为主，涉及机电控，复合现代机床的发展方向。同时符合机床的复合化和多轴化的发展趋势。2 .控制部分采用MACH软件，只要一台普通的计算机便可实现数控车床、铣床、车铣复合和五轴加工的编程操作，价格低廉，操作灵活。3.应用范围广。机械及其相关专业都可以使用，因此在高校有非常广的应用前景。
4.增加了摄像头。有利于课堂教学，使学生清晰看到机床的运动结构。
5.研究意义及应用前景
5.1研究意义
1.使学生理论与实践完美结合。通过我们的机床，学生可以把他大学期间所学的课程全部联系起来，从画图设计的CAD、Pro/e、SolidWorkers到编程的MasterCam，到制造技术中的机械制造技术基础，到出零件的机原机设等，因此我们机床可以应用于很多大学课程。
2.在金工实习中还可让学生自己编程加工自己想要的东西，这样大大提高了他们学习机械的兴趣。
3.让学生自己测绘制作该机床或拆卸组装，提高他们的动手和装配能力。
5.2应用前景
1.主要应用就是向高校推广，应用于课堂教学和金工实习中，减少经费开支和占地面积，提高学生工程素质。
2.继续升级为六轴。
完成单位：天津工业大学 工程实训中心
作品名称：模块系列化多功能数控机床
