一种带有网络化制造功能的小型CNC数控机床的制作方法

本发明涉及机加工技术领域，具体涉及一种带有网络化制造功能的小型CNC数控机床。

背景技术：

目前，我国正处于工业化中期，数控机床已成为机床消费的主流，我国小型数控机床市场发展迅速，产品产出持续扩张,投资者对小型数控机床市场的关注越来越密切，这使得小型数控机床市场越来越受到各方的关注。然而国内市面上出现的小型数控机床，因价格非常昂贵，都在几十万元以上，特别是精度更高的小型数控机床可以达到上百万元，使学校开展机械加工及数字控制的教学与微细先进制造的科研活动受到制约。基于如何降低数控机床的价格成本和提高其作业安全性，解决现有数控机床完成不了的任务等问题，在科学技术不断进步，数控机床与工业自动化技术迅猛发展的今天，针对上述问题，设计了此款数控机床。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种带有网络化制造功能的小型CNC数控机床，解决了现有数控机床功能复合化程度不高的缺点，能够进行三个坐标轴方向的运动，功能复合化程度高，控制智能化，可一次完成复杂零件的全部加工。

本发明为解决上述技术问题，所提供的技术方案是：一种带有网络化制造功能的小型CNC数控机床，包括底座机构、滑座机构、工作台机构、主轴机构、主轴箱机构、立柱机构、主电机机构、润滑系统、冷却系统、气动系统以及可编程CNC控制系统，所述工作台机构作X、Y方向直线运动，主轴箱机构作Z向直线运动，所述滑座机构通过X向导轨装配在底座机构上部，工作台机构通过Y向导轨装配在滑座机构的上部，所述工作台机构包括一个用于放置待加工工件的工作台面，在工作台面上安装有固定在工作台面上随工作台面一体做横向移动的用于夹紧工件的夹具，所述立柱机构垂直固定在底座机构上，主轴箱机构通过Z向导轨装配在立柱机构前部，主轴机构的主轴法兰端通过螺钉固定在主轴箱机构的主轴安装孔安装面上，所述工作台机构的X、Y方向运动以及主轴箱机构的Z向运动均通过可编程CNC控制系统进行控制，可编程CNC控制系统内置有四轴双向控制接口板，四轴双向控制接口板包括以下功能模块：PC并行口模块、状态输入模块、“电荷泵”控制信号模块、继电器输出模块、多用途状态信号输出模块、两组电源输入模块以及数据总线模块。

作为本发明一种带有网络化制造功能的小型CNC数控机床的进一步优化：所述PC并行口模块具体为：支持MACH2可以定义的标准打印机端口的所有信号，PC并行口的输入/输出信号经过专门缓冲集成芯片处理，允许使用8位数据信号，4位输出控制信号和5位输入状态信号，使用并行共享线直接连接。

作为本发明一种带有网络化制造功能的小型CNC数控机床的进一步优化：所述两组电源输入模块具体为：1路＋5V，是供接口板芯片逻辑电路及全部状态LED发光指示；1路12V，经过稳压电路分成12V和5V分别给步进电机驱动板提供逻辑电路和冷却风扇电源，可以轴插孔输入，或经过J8的弹簧连接PCB接线端子输入。

有益效果

1、本发明的小型数控机床解决了现有数控机床体积大，操作不便，价格昂贵，且只能有两个坐标轴方向的运动。操作复杂等缺陷，拥有主轴转速及进给率高，功能复合化等优势，可完成复杂零件的全部加工，控制智能化，特别是其取材简单易得，价格成本低，操作方便，使其具有极广阔的市场前景，该数控机床外形美观，具有可视化操作系统，人性化操作界面，对各企业单位，特别是教学科研等机构具有极大帮助；

2、本发明的数控机床能够进行三个坐标轴方向的运动，功能复合化，控制智能化，可一次完成复杂零件的全部加工。

附图说明

图1为本发明数控机床的结构示意图Ⅰ；

图2为本发明数控机床的结构示意图Ⅱ；

图3为本发明数控机床用于网络制造的NM-COCAPP 系统体系结构图；

图4为本发明数控机床支持网络制造的协同工艺设计的网络拓扑结构；

图5为本发明数控机床网络制造中协同工艺设计模型；

图6为本发明数控机床基于分布式工作流的协同工艺设计过程管理模型；

图7为本发明数控机床基于分布式工作流的协同工艺运行流程模型；

图中标记：1、底座机构，2、工作台机构，3、主轴机构，4、主轴箱机构，5、立柱机构，6、润滑系统，7、冷却系统，8、气动系统。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明：

如图所示:一种带有网络化制造功能的小型CNC数控机床，包括底座机构1、滑座机构、工作台机构2、主轴机构3、主轴箱机构4、立柱机构5、主电机机构、润滑系统6、冷却系统7、气动系统8以及可编程CNC控制系统，所述工作台机构2作X、Y方向直线运动，主轴箱机构4作Z向直线运动，所述滑座机构通过X向导轨装配在底座机构1上部，工作台机构2通过Y向导轨装配在滑座机构的上部，所述工作台机构2包括一个用于放置待加工工件的工作台面，在工作台面上安装有固定在工作台面上随工作台面一体做横向移动的用于夹紧工件的夹具，所述立柱机构5垂直固定在底座机构1上，主轴箱机构4通过Z向导轨装配在立柱机构5前部，主轴机构3的主轴法兰端通过螺钉固定在主轴箱机构4的主轴安装孔安装面上，所述工作台机构2的X、Y方向运动以及主轴箱机构4的Z向运动均通过可编程CNC控制系统进行控制，可编程CNC控制系统内置有四轴双向控制接口板， 四轴双向控制接口板，它有以下功能：

1) PC并行口:支持MACH2可以定义的标准打印机端口的所有信号，PC并行口的输入/输出信号经过专门缓冲集成芯片处理；允许使用8位数据信号，4位输出控制信号和5位输入状态信号；使用并行共享线直接连接。

2) 状态输入:5个输入状态信号都有各自的上拉电阻；输入的状态信号都经过缓冲；LED指示各个输入信号状态

3) 支持MACH2 的“电荷泵”控制信号，可以在MACH2程序没有运行或发生异常时禁止信号输出，保证设备运行安全。

4) 继电器输出：具有常开/常闭端口；LED指示继电器状态。多用途输出信号：

5) 多用途状态信号输出；3路输出的状态信号都经过缓冲；LED指示各个输出信号状态。

6) 两组电源输入：1路＋5V是供接口板芯片逻辑电路及全部状态LED发光指示，1路12V经过稳压电路分成12V和5V分别给步进电机驱动板提供逻辑电路和冷却风扇电源。可以轴插孔输入;或经过J8的弹簧连接PCB接线端子输入。

7) 数据总线（步进/方向信号）：四轴步进和方向信号或8路多用途信号；数据总线信号都经过缓冲；双向数据总线（输入或输出）；能够向电机驱动器的光藕提供+5V或0V的逻辑电压。

8) 板子其它特点:弹簧连接PCB接线端子连接到数据信号、继电器、状态输入信号、控制输出信号、＋5V辅助电源输出。

9) 可以使用标准并行线共享线直接连接计算机，也可使用IDC26脚插头连接计算机。

制造模式对 CAPP 技术的发展有着重要的影响，它反映了外部运行环境对 CAPP系统的要求，在一定程度上影响和决定了 CAPP 系统的功能分布、体系结构和工作模式。其中，对 CAPP 技术发展产生较大影响的制造模式有：计算机集成制造模式(CIM)、并行工程(CE)、敏捷制造(AM)、网络制造(NM)等。

网络制造以快速响应市场需求为根本目标，通过 Internet 突破由于地理空间上的差距给企业生产经营和企业间协作造成的障碍，提高企业的市场响应速度，进而提高企业的竞争能力。网络制造强调企业间协作与社会范围内的资源共享，通过企业间的协作和资源共享，提高企业(企业群体)的产品创新能力和制造，实现产品设计制造的低成本和高速度。

与传统制造模式下的 CAPP 系统不同的是，网络制造环境下的协同 CAPP 系统中产品工艺设计与制造不再是一家企业独力承担，而是以动态联盟的方式组织；设计中面对的将不再是固定的制造环境，而是动态变化的加工对象及制造资源。网络协同制造（NM-COCAPP）具有资源广义性、并行协同性、信息分布性和组合动态性等特点。

(1) 资源广义性

在开放式的网络制造环境下，制造资源不仅仅局限于本企业内部，而是通过网络得到扩展和延伸，充分利用一切可能利用的资源是实现企业优势互补、提高响应敏捷性的基础。

(2)并行协同

由于市场竞争的日趋激烈，大而全、小而全的企业将不复存在，企业更专注于自己的核心竞争能力的发展，企业间的合作与交流大大增加。分工合作、面向并行工程的协同设计与协同制造已是网络制造模式下制造企业主要工作方式。

(3)信息分布性

组成动态联盟的多个伙伴企业在地理上分布在不同的地域甚至是跨国界的，这种地域上分散的特点迫切要求 CAPP 能在网络技术的支持下实现产品工艺信息集成与共享。

(4)组合动态性

动态联盟随市场机遇的产生而产生，随市场机遇的消失而消亡，其组织和结构亦随市场需求而变化。CAPP 系统应能支持企业的多次联盟组建和实施运作过程，能根据不同的工艺设计任务进行配置和规模调整，以适应这种动态变化的需求。

针对 NM-COCAPP 系统的特点和功能需求，以 Internet 为网络支持环境，采用了客户端、中间层和服务器模式，设计了 NM-COCAPP 三层体系结构，如图3所示。

在网络制造环境下，一个产品的结构设计、工艺设计和加工制造，通常由多家企业组成动态联盟的形式，发挥出各自在设计、工艺或制造上的优势，分工合作、并行协同来实现。网络制造中协同工艺设计的网络拓扑结构如图4 所示。网络制造下的协同工艺设计引入并行工程的理念，在实施上要能支持动态联盟的多企业性、分布性和动态性等特点。

网络制造中协同工艺设计模型如图5所示,对于复杂的工艺设计任务，盟主企业首先拟定工艺方案，确定粗工艺流程，结合本企业工艺设计能力和制造能力，分解工艺设计任务，然后将各任务目标及约束信息发布，在应标企业中进行评估和优选，最终成立动态联盟进行协同工艺设计。联盟成立后，将工艺设计任务在联盟内进行分配。联盟一旦成立，联盟内各企业的制造资源即为联盟内共享，各伙伴企业在进行各自的工艺设计任务时，可广泛考虑联盟内所有企业的制造能力，实现联盟内的制造资源优化配置。

网络制造环境下企业的信息环境、组织环境及与动态联盟的协作都具有明显的分布式的特点。面向动态联盟的协同工艺设计也要适应这种分布式的制造环境，其设计过程也应是分布式的。作为工艺设计过程的管理者——协同工艺设计过程管理应提供分布式的协同工艺设计过程控制手段和方法。

在现行的企业工艺设计管理体系中，工艺设计过程一般采用自顶向下、逐步分解、逐步细化的方法进行工艺设计任务的划分，并按此流程完成工艺设计的各项任务和工作。这种集中式工艺设计模式的前提条件是过程建模人员需熟悉企业的全部工艺设计过程，并对本企业的制造资源的加工性质、加工能力以及当前负载量等信息非常熟悉，并且这些工艺设计过程对建模人员都是开放的；在组织结构上，所有的工艺设计过程都在一个统一的组织领导机构管理下。这些前提条件对于一个单一企业是比较容易实现。但在网络制造环境下，工艺设计过程是在动态联盟企业间进行，涉及多个合作伙伴企业的产品工艺设计过程，上述的集中式工艺设计模式就不太适合了。由于各个联盟企业的工艺设计过程存在差异，且由于各企业完成的工艺设计任务不同，因此不同企业的工艺设计的工作流程不会完全相同，且不一定开放给外界。联盟内成员在协作的基础上完成属于自己的产品设计、开发、生产任务，联盟企业能够共享的是企业间的输入、输出要求，各企业各自所完成的结果，至于每个企业是如何完成它的工作的，则由各企业使用建模工具自行定义。因此，分布式的工作流管理与协同工艺设计就为适应这一新的网络制造环境而产生。

分布式的协同工艺设计过程管理的设计思想是：用过程定义工具建立统一完整的工艺设计整体工作流过程模型(动态联盟级的任务分解)，然后根据参与该过程的伙伴企业情况对整体工作流过程进行分割，分割后的各部分都能在伙伴企业进行二次定义，过程的各部分协同工作，分布执行。基于分布式工艺设计工作流的协同工艺设计过程如下：

(1) 由盟主企业根据分解后任务制定出工艺设计主过程模型；

(2) 主过程涉及到的伙伴企业定义与己相关的子过程模型；

(3) 盟主企业启动工作流过程，并通过 CORBA ORB 调用主控工作流引擎的方法创建一个新的过程实例；

(4) 主控工作流引擎通过查询数据库确定执行下一任务的分布工作流引擎，通过ORB 向该分布工作流引擎发出请求，调用相应方法生成任务实例，该任务实例保存在分布工作流引擎所在节点的数据库中；

(5) 各分布工作流引擎按主过程规定的执行顺序分布执行各自的任务，分布工作流引擎间通过 ORB 调用其他分布工作流引擎的启动方法进行相互启动，主控工作流引擎负责追踪、监控过程进行的情况；

(6) 工艺设计任务的执行者通过任务表了解各自需要完成的设计任务，利用工艺信息系统提供的相应工具完成各自的设计任务，并发出任务完成的消息；

(7) 负责执行主过程的最后一个任务的分布工作流引擎上的任务完成后，通过ORB 向主工作流引擎发出过程完成的消息，主工作流引擎接到该消息后对相关的数据进行必要的维护，结束过程。基于分布式工艺设计工作流的协同工艺设计过程如图6所示：

图6说明：

①过程定义工具定义主过程模型

②过程定义工具定义各子过程模型

③任务发起人通过 Web Browser 或其它客户端启动工作流过程

④主控工作流引擎确定下一任务的分布工作流引擎，生成任务实例

⑤分布工作流引擎分布执行各自任务

⑥用户通过 Web Browser 或其它客户端访问任务表，执行相应任务

⑦用户通过 Web Browser 或其它客户端使用工艺信息系统完成各自的工艺设计与管理任务

⑧最后一个分布工作流引擎通知主控工作流引擎过程执行结束

NM-COCAPP 运行流程如图7 所示,需提出的是，此运行流程并非用户使用时的绝对的过程，而反映了系统中功能间的组合与逻辑联系，通常用户可能只使用其中的部分流程。

本发明的小型数控机床解决了现有数控机床体积大，操作不便，价格昂贵，且只能有两个坐标轴方向的运动。操作复杂等缺陷，拥有主轴转速及进给率高，功能复合化等优势，可完成复杂零件的全部加工，控制智能化，特别是其取材简单易得，价格成本低，操作方便，使其具有极广阔的市场前景，该数控机床外形美观，具有可视化操作系统，人性化操作界面，对各企业单位，特别是教学科研等机构具有极大帮助，相信推广之后，定能带来不菲的效益。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。