开放式数控机床实验平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种开放式数控机床实验平台，包括安装有Mach3系统的计算机、Mach3控制卡、步进电机驱动器、检测装置和实验机床；其中，所述安装有Mach3系统的计算机作为主控制器，用于设置实验机床的控制参数和安全措施，以及根据检测装置反馈的监测信息进行实时分析；所述Mach3控制卡连接至计算机，用于根据计算机输出的数据向步进电机驱动器发出指令；所述步进电机驱动器分别连接Mach3控制卡和实验机床，用于根据接收到的指令驱动实验机床的步进电机进行相应的动作；所述检测装置分别连接实验机床和Mach3控制卡，用于实时检测实验机床的运行状况，并反馈至计算机。本发明成本低，且能够满足实验需要。
【专利说明】
开放式数控机床实验平台
技术领域
[0001 ]本发明涉及数控机床设备，尤其涉及一种开放式数控机床实验平台。
【背景技术】
[0002]随着对质量和成本要求的不断提高，数控机床得到了广泛的使用，但目前国内学校实验室可提供给学生拆装、调试和加工的数控机床设备较少，机械和控制实验分离，专用数控维修实验平台不仅价格昂贵，而且很少可用于零件加工，因此开发了相应的实验平台，满足机械电子、电气控制、机械制造及自动化等专业学生实训的教学装置，满足教学的需要。
【发明内容】
[0003]发明目的:本发明针对现有技术存在的问题，提供一种开放式数控机床实验平台，成本较低，满足了教学的需要。
[0004]技术方案:本发明所述的开放式数控机床实验平台，包括安装有Mach3系统的计算机、Mach3控制卡、步进电机驱动器、检测装置和实验机床;其中，所述安装有Mach3系统的计算机作为主控制器，用于设置实验机床的控制参数和安全措施，以及根据检测装置反馈的监测信息进行实时分析;所述Mach3控制卡连接至计算机，用于根据计算机输出的数据向步进电机驱动器发出指令;所述步进电机驱动器分别连接Mach3控制卡和实验机床，用于根据接收到的指令驱动实验机床的步进电机进行相应的动作;所述检测装置分别连接实验机床和Mach3控制卡，用于实时检测实验机床的运行状况，并通过Mach3控制卡反馈至计算机。
[0005]进一步的，所述实验机床采用可拼装结构，包括水平框架、垂直框架、工作台面、主轴机构、X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构;其中，所述水平框架水平放置，垂直框架与水平框架垂直固定，Y轴移动机构固定在水平框架上，工作台面设置于Y轴移动机构上，X轴移动机构固定在垂直框架上，Z轴移动机构与X轴移动机构连接，主轴机构与Z轴移动机构连接。
[0006]进一步的，所述Y轴移动机构包括Y轴步进电机、Y轴滚珠丝杆、第一Y轴导向光轴和第二 Y轴导向光轴;其中，所述Y轴步进电机通过弹性联轴连接Y轴滚珠丝杆，Y轴滚珠丝杆、第一 Y轴导向光轴和第二 Y轴导向光轴分别固定在水平框架上，Y轴滚珠丝杆上套有螺母，第一 Y轴导向光轴和第二 Y轴导向光轴上分别套有滑块，工作台面固定在滑块和螺母上。
[0007]进一步的，所述X轴移动机构包括X轴步进电机、X轴滚珠丝杆、第一X轴导向光轴、第二X轴导向光轴和X轴连接板;其中，所述X轴步进电机通过弹性联轴连接X轴滚珠丝杆，X轴滚珠丝杆、第一 X轴导向光轴和第二 X轴导向光轴分别固定在垂直框架上，X轴滚珠丝杆上套有螺母，第一 X轴导向光轴和第二 X轴导向光轴上分别套有滑块，X轴连接板固定在滑块和螺母上。
[0008]进一步的，所述Z轴移动机构包括Z轴步进电机、Z轴滚珠丝杆、第一Z轴导向光轴、第二Z轴导向光轴和Z轴连接板;其中，所述Z轴步进电机通过弹性联轴连接Z轴滚珠丝杆，Z轴滚珠丝杆、第一 Z轴导向光轴和第二 Z轴导向光轴分别固定在X轴连接板上，Z轴滚珠丝杆上套有螺母，第一 Z轴导向光轴和第二 Z轴导向光轴上分别套有滑块，Z轴连接板固定在滑块和螺母上。
[0009]进一步的，所述主轴机构包括主轴夹头和主轴，主轴通过主轴夹头固定在Z轴连接板上。
[0010]进一步的，所述实验机床还包括安装在工作台面上的平口钳、设置在水平框架上的Y轴向限位开关、设置在垂直框架上的X轴向限位开关和安装在水平框架上的照明灯。[0011 ] 进一步的，所述主轴的电机连接所述Mach3控制卡，用于通过Mach3控制卡实现主轴调速和正反旋转的控制。
[0012]进一步的，所述Y轴向限位开关和X轴向限位开关连接所述Mach3控制卡。
[0013]进一步的，所述计算机通过USB接口与Mach3控制卡连接。
[0014]有益效果:本发明与现有技术相比，其显著优点是:本发明成本较低，能够满足学生练习机械拆装、电路设计调试、数控系统设置调试、数控编程加工等机电一体化教学需求，应具有开放式系统和结构，较短的传动链，可调试的机构，较高传动精度和传动效率，便于学生全面了解数控系统的整体组成及相关调试过程和方法。
【附图说明】
[0015]图1是本发明实施例的系统框图；
[0016]图2是实验机床的立体结构图；
[0017]图3是实验机床的俯视图；
[0018]图4是实验机床的左视图；
[0019]图5是实验机床的主视图。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示，本发明包括安装有Mach3系统的计算机l、Mach3控制卡2、步进电机驱动器3、检测装置4和实验机床5;其中，安装有Mach3系统的计算机I作为主控制器，用于设置实验机床5的控制参数和安全措施，以及根据检测装置4反馈的监测信息进行实时分析；Mach3控制卡2连接至计算机I，用于根据计算机I输出的数据向步进电机驱动器3发出指令；步进电机驱动器3分别连接Mach3控制卡2和实验机床5，用于根据接收到的指令驱动实验机床5的步进电机进行相应的动作;检测装置4分别连接实验机床5和Mach3控制卡2，用于实时检测实验机床5的运行状况，并通过Mach3控制卡2反馈至计算机I。
[0021]如图2所示，实验机床5采用可拼装结构，包括水平框架51、垂直框架52、工作台面53、主轴机构54、X轴移动机构55、Y轴移动机构56和Z轴移动机构57;其中，水平框架51水平放置，垂直框架52与水平框架51垂直固定，Y轴移动机构56固定在水平框架51上，工作台面53设置于Y轴移动机构56上，X轴移动机构55固定在垂直框架52上，Z轴移动机构57与X轴移动机构55连接，主轴机构54与Z轴移动机构57连接。水平框架51、垂直框架52由4040铝合金方管、4545角件、连接螺丝拼接而成。
[0022]如图3、图4和图5所示，Y轴移动机构56包括Y轴步进电机561、Υ轴滚珠丝杆562、第一 Y轴导向光轴563和第二 Y轴导向光轴564;其中，Y轴步进电机561通过弹性联轴565连接Y轴滚珠丝杆562，Y轴滚珠丝杆562、第一 Y轴导向光轴563和第二 Y轴导向光轴564分别固定在水平框架51上，Y轴滚珠丝杆562上套有螺母566，第一 Y轴导向光轴563和第二 Y轴导向光轴564上分别套有滑块567，工作台面53固定在滑块567和螺母566上。X轴移动机构55包括X轴步进电机551、Χ轴滚珠丝杆552、第一 X轴导向光轴553、第二 X轴导向光轴554和X轴连接板555;其中，X轴步进电机551通过弹性联轴556连接X轴滚珠丝杆552，Χ轴滚珠丝杆552、第一 X轴导向光轴553、第二X轴导向光轴554分别固定在垂直框架52上，X轴滚珠丝杆552上套有螺母557，第一 X轴导向光轴553、第二 X轴导向光轴554上分别套有滑块558，Χ轴连接板555固定在滑块558和螺母557上。Z轴移动机构57包括Z轴步进电机571、Ζ轴滚珠丝杆572、第一 Z轴导向光轴573、第二 Z轴导向光轴574和Z轴连接板575;其中，Z轴步进电机571通过弹性联轴576连接Z轴滚珠丝杆572，Z轴滚珠丝杆572、第一 Z轴导向光轴573、第二 Z轴导向光轴574分别固定在垂直框架52上，Z轴滚珠丝杆572上套有螺母577，第一 Z轴导向光轴573、第二 Z轴导向光轴574上分别套有滑块578，Z轴连接板575固定在滑块578和螺母577上。主轴机构54包括主轴夹头541和主轴542，主轴5420通过主轴夹头541固定在Z轴连接板575上。实验机床5还包括安装在工作台面53上的平口钳531、设置在水平框架51上的Y轴向限位开关511、设置在垂直框架52上的X轴向限位开关521和安装在水平框架51上的照明灯512。
[0023]计算机I通过USB接口与Mach3控制卡2连接。Y轴向限位开关511和X轴向限位开关521连接Mach3控制卡2，可保证保证平台安全工作。主轴542的电机连接Mach3控制卡2，用于通过Mach3控制卡2实现主轴542调速和正反旋转的控制。电源、Mach3控制卡、步进电机驱动器、步进电机和主轴电机之间的线路采用航空接头连接，步进电机驱动器3控制三个步进电机，将电脉冲信号转变为角位移或线位移。步进电机通过联轴节器带动滚珠丝杆旋转，从而带动平台实现三轴移动。导向光轴可以保证平台三轴互相的垂直，保证加工精度。
[0024]采用本实施例可以实现机床精度检测，具体方法为:通过三维软件建立模型，进行其刚性、强度计算，根据设计结构要求，采用不同长度的4040铝合金方管型材、4545角件和连接螺钉等配件搭建框架，保证框架每根型材之间相互垂直。在安装好三轴向的导向光轴和滚珠丝杠后，使用框式水平仪和百分表检验三轴的互为垂直度，保证平台的几何精度。首先百分表座固定在Z轴连接板上，将其测量头测到工作台面上沿X移动，测量工作台面与X轴的平行度，调整X轴导向座的上下位置，使X轴与工作台面平行。使用框式水平仪将平放在工作台上，百分表固定在X轴的连接板上，先将百分表的测头在框式水平仪X轴向移动，调整使框式水平仪的一个侧面与X轴平行，再将百分表移到框式水平仪的平行Y轴侧面，调整X导向光轴的左右位置，校正至X、Y轴在水平面内的垂直度。将框式水平仪竖直放置在工作平台上，百分表固定在Z轴连接板上，百分表测头在框式水平仪左右方向，转动Z轴使百分表测头上下移动，调整Z轴导向光轴位置，保证Z轴和Χ、Υ轴在X轴方向垂直。再将百分表测头在框式水平仪前后方向，转动Z轴使百分表测头上下移动，调整Z轴连接板后的垫块厚度，保证Z轴和Χ、Υ轴在Y轴方向垂直。最后调整主轴固定支架，校正主轴垂直与工作台。完成数控机床床身搭建、精度检测和调试实验。
[0025]采用本实施例还可实现电器调试，具体方法为:根据要求，培训者连接电源、Mach3控制卡、步进电机驱动器、步进电机和主轴电机线路，并制作成航空接头连接。综合机床的具体要求，在控制软件Mach3中，根据丝杆的导程和步进电机驱动器分频数，设定各轴电机的参数和步进电机细分参数。设置控制面板和限位开关和急停开关等安全措施。根据步进电机的电流、每转步数，调整步进电机驱动器的设置开关。并采用透明有机玻璃制作控制箱，在使用过程中，各电器元件工作情况一目了然。全部电源选用安全电压，保证实验平台用电安全。
[0026]采用本实施例还可实现机床加工，实验平台具有普通数控机床的操作性能，可进行手动控制、对刀、回零操作。具有线形插补功能，主轴转速控制，多重继电器控制，手摇脉冲生成，三维动态显示跟踪、自动对刀、程序跳段执行(断点记忆)。具有螺距误差补偿，反向间隙补偿，刀具长度补偿，刀尖半径补偿及磨损补偿功能。根据平台设计结构、加工材料、刀具和加工精度等要求，执行手工或自动编制程序，并可进行仿真加工。安装工件毛坯，实现对工件的自动加工。通过对工件加工尺寸检测，分析造成加工误差造成的因素，调整平台的结构，校正平台的几何精度和电机参数。如零件加工尺寸误差，则要检查mach3软件电机调试参数是否正确，步进电机是否丢步，反向间隙、刀尖半径补偿及磨损补偿功能设置正确。形位误差则检查三轴向的互为垂直度。优化加工方案，进行进一步的分析实验。
【主权项】
1.一种开放式数控机床实验平台，其特征在于:包括安装有Mach3系统的计算机(I)、Mach3控制卡(2)、步进电机驱动器(3)、检测装置(4)和实验机床(5);其中，所述安装有Mach3系统的计算机(I)作为主控制器，用于设置实验机床(5)的控制参数和安全措施，以及根据检测装置(4)反馈的监测信息进行实时分析;所述Mach3控制卡(2)连接至计算机(I)，用于根据计算机(I)输出的数据向步进电机驱动器(3)发出指令;所述步进电机驱动器(3)分别连接Mach3控制卡(2)和实验机床(5)，用于根据接收到的指令驱动实验机床(5)的步进电机进行相应的动作;所述检测装置(4)分别连接实验机床(5)和Mach3控制卡(2)，用于实时检测实验机床(5)的运行状况，并通过Mach3控制卡(2)反馈至计算机(I)。2.根据权利要求1所述的开放式数控机床实验平台，其特征在于:所述实验机床(5)采用可拼装结构，包括水平框架(51)、垂直框架(52)、工作台面(53)、主轴机构(54)、X轴移动机构(55)、Y轴移动机构(56)和Z轴移动机构(57);其中，所述水平框架(51)水平放置，垂直框架(52)与水平框架(51)垂直固定，Y轴移动机构(56)固定在水平框架(51)上，工作台面(53)设置于Y轴移动机构(56)上，X轴移动机构(55)固定在垂直框架(52)上，Z轴移动机构(57)与X轴移动机构(55)连接，主轴机构(54)与Z轴移动机构(57)连接。3.根据权利要求2所述的开放式数控机床实验平台，其特征在于:所述Y轴移动机构(56)包括Y轴步进电机(561)、Y轴滚珠丝杆(562)、第一Y轴导向光轴(563)和第二Y轴导向光轴(564);其中，所述Y轴步进电机(561)通过弹性联轴(565)连接Y轴滚珠丝杆(562)，Y轴滚珠丝杆(562)、第一 Y轴导向光轴(563)和第二 Y轴导向光轴(564)分别固定在水平框架(51)上，Y轴滚珠丝杆(562)上套有螺母(566)，第一Y轴导向光轴(563)和第二Y轴导向光轴(564)上分别套有滑块(567)，工作台面(53)固定在滑块(567)和螺母(566)上。4.根据权利要求2所述的开放式数控机床实验平台，其特征在于:所述X轴移动机构(55)包括X轴步进电机(551)、Χ轴滚珠丝杆(552)、第一X轴导向光轴(553)、第二X轴导向光轴(554)和X轴连接板(555);其中，所述X轴步进电机(551)通过弹性联轴(556)连接X轴滚珠丝杆(552)，Χ轴滚珠丝杆(552)、第一X轴导向光轴(553)、第二X轴导向光轴(554)分别固定在垂直框架(52)上，X轴滚珠丝杆(552)上套有螺母(557)，第一X轴导向光轴(553)、第二X轴导向光轴(554)上分别套有滑块(558)，Χ轴连接板(555)固定在滑块(558)和螺母(557)上。5.根据权利要求2所述的开放式数控机床实验平台，其特征在于:所述Z轴移动机构(57)包括Z轴步进电机(571)、Ζ轴滚珠丝杆(572)、第一Z轴导向光轴(573)、第二Z轴导向光轴(574)和Z轴连接板(575);其中，所述Z轴步进电机(571)通过弹性联轴(576)连接Z轴滚珠丝杆(572)，Ζ轴滚珠丝杆(572)、第一Z轴导向光轴(573)、第二Z轴导向光轴(574)分别固定在垂直框架(52)上，Z轴滚珠丝杆(572)上套有螺母(577)，第一 Z轴导向光轴(573)、第二 Z轴导向光轴(574)上分别套有滑块(578)，Z轴连接板(575)固定在滑块(578)和螺母(577)上。6.根据权利要求2所述的开放式数控机床实验平台，其特征在于:所述主轴机构(54)包括主轴夹头(541)和主轴(542)，主轴(5420通过主轴夹头(541)固定在Z轴连接板(575)上。7.根据权利要求2所述的开放式数控机床实验平台，其特征在于:所述实验机床(5)还包括安装在工作台面(53)上的平口钳(531)、设置在水平框架(51)上的Y轴向限位开关(511)、设置在垂直框架(52)上的X轴向限位开关(521)和安装在水平框架(51)上的照明灯(512)08.根据权利要求6所述的开放式数控机床实验平台，其特征在于:所述主轴(542)的电机连接所述Mach3控制卡(2)，用于通过Mach3控制卡(2)实现主轴(542)调速和正反旋转的控制。9.根据权利要求7所述的开放式数控机床实验平台，其特征在于:所述Y轴向限位开关(511)和X轴向限位开关(521连接所述Mach3控制卡(2)。10.根据权利要求1所述的开放式数控机床实验平台，其特征在于:所述计算机(I)通过USB接口与Mach3控制卡(2)连接。
【文档编号】G09B25/02GK105825761SQ201610334991
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】洪超, 吴萍
【申请人】江苏科技大学