微型数控铣床的研发

宋壮

【摘 要】微型数控铣床在时代的要求下应运而生，利用小型数控机床来加工小型的、精密性的零件不仅可以提高空间利用率、降低能耗和加工成本而且可以轻松的提高加工效率，以实现稳定的运动控制，从而完成高精度加工制造。在研究国内外微型数控机床发展的基础上，根据机械结构设计的基本原理，通过计算和分析，完成各个部件的设计，使其可以满足一些较小零件的加工需求，以及满足学校实验室的教学工作。

引言

制造业，作是国民经济的主体，是一个国家强盛的关键所在。为了加快我国科学技术和制造业的发展进程，我国提出了“中国制造2025”的战略部署，该战略是中国数百名站在科技前沿的院士共同制定的。而现在对于制造业，传统的制造已经逐渐被淘汰，正在向着智能化、绿色、超精密的方向发展。而正是为了适應是时代的要求，数控加工技术应运而生。“中国制造2025”战略部署也正是提出了对高档数控机床的要求。而传统的大型数控机床渐渐的也无法满足现代制造业的发展现状。因为现代零件也越来越小型化、精密化。而对于小型零件的加工和制造，使用大型数控机床有点大材小用。但是采用小型机床则可以解决各种各样的问题，利用小型数控机床来加工小型的、精密性的零件不仅可以提高空间利用率、降低能耗和加工成本而且可以轻松的提高加工效率，以实现稳定的运动控制，从而完成高精度加工制造。因此，微型机床的研究与开发越来越被人们广泛的关注。在此基础上，本课题也设计开发了小型三轴数控铣床。

1.研究现状

早在20世纪40年代，美国就在数控机床的研制中投入了大量的精力，随着世界上第一台计算机的诞生，为数控装置的发展奠定了基础。1948年，美国为了满足军方的一些要求，加大了对数控机床的研制力度，并将当时最新的自动控制技术和检测技术与机床相结合，终于在1952年成功研制出第一台通过计算机控制的数控机床，在对它经过数次的改进，三年后实现了产业生产，并开始走向市场。

作为国内工科院校实力强大的哈尔滨工业大学早在2006年也投入了对数控铣床小型化的研究当中。并于同年，哈尔滨工业大学成功研发设计了一台小型数控铣床。这台小型数控铣床是高精密多轴联动的，在当时具有先进的影响意义。这台数控铣床配置了自主研发的一套中文控制系统，采用闭环控制回路控制各轴的驱动。哈尔滨工业大学又继续进行了更加深入的研究，并在几年以后又成功研制了另一台小型数控铣床，这台小型数控铣床改变原来仅有的三轴联动，成功研发制作出一台小型五轴联动微细铣削机床，而这款小型机床采用了龙门架固定方式，配置方式为双旋转式，可以复杂的小型零件的加工。

2.微型数控铣床设计方案

2.1进给系统设计

进给系统的组成主要为进给电机，执行部件和它们之间的机械传动部分。它的功能是接收CNC系统的运动控制信号来驱动电动机，通过机械传动机构将动力旋转到螺母座的线性运动，从而驱动数控铣床工作台、水平滑动架、主轴支撑等部件实现进给运动。

理论上，驱动系统的每个部分都应为高精度的部件。但是每一个部件均选择精度高的零部件会造成生成成本比较高，这会降低整机的经济性。可以考虑零件在结构上的应用和匹配，以使整个系统满足技术要求。

根据加工需求和成本，本设计的小型龙门数控铣床的进给电机选择为步进电机。它可以构成没有反馈的简单实用的数字伺服系统，已成功应用于开环数控系统。然而，步进电机的驱动系统没有反馈环节，这一点是不同于交流伺服电机的闭环，所以它精度比较差。但是，步进电机的优点是相对于交流伺服电机其结构和控制简单，易于调整，因此在低速，低精度下具有一定的使用价值。

进给系统的传动机构是指将电机工作产生的动力传递到运动机构，从而使零件到达工作的指定位置，为加工制造环节做准备。传动机构可以通过齿轮进行传动，也可以采用带传动，或者丝杠螺母传动，传统机构除了这些部件还包括一些支承部件。铣床对传动系统的要求：提高传动部分的刚性、减小传动部分的惯性、减小传动部分的间隙、降低系统的摩擦阻力。本设计主要采用滚珠丝杠，在Z轴方向、X轴方向、Y轴方向均安装了滚珠丝杠。用做传动功能。

2.2微型数控铣床的建模

对本设计的关键部位零件选型结束以后，并结合实际，运用SolidWorks对每一个零件进行了三维建模。并且完成各部件的装配。所设计的三轴联动微型龙门数控铣床整体尺寸620mm×520mm×750mm，工作台尺寸306mm×286mm。

参考文献：

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[2]李庆余、孟广耀主编，机械制造装备设计，机械工业出版社，2008.7

[3]张新义编著，经济型数控机床系统设计，北京：机械工业出版社，1994.1

[4]卢飞，微型移动龙门数控铣床结构设计与优化，重庆交通大学，2009

[5]陈哲，小型三轴数控铣床结构优化设计，长春理工大学，2018

[6]王泉霖. 龙门铣床结构分析及优化设计研究[D].长春工业大学，2012.3

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（作者单位：山东理工大学）