专利名称：小型数控钻铣床及控制方法
技术领域：
本发明涉及数控机床，是一种小型数控钻铣床及控制方法。
背景技术：
数控机床是机械行业较为普遍的设备之一，它对零件的切削加工起到缺一不可的作用。但 现在的数控机床普遍都为大型的加工机床，主要适用于加工批量较大、体积较大、形状复杂、 精度高的零件，其结构较为复杂，价格昂贵。而一些形状、结构复杂的小件产品在大型数控机 床上加工，就显得生产成本太高。因此，大型数控机床不适合小型复杂零件的生产，而大型数 控机床的投入提高了个体或小企业经营成本。另外，大专院校和中级技术学院的数控编程(CAD 和CAM)和数控机床操作实验、实训缺乏性能较好，功能较多，价格较低的小型数控铣床。
目前，也有不少的小型数控机床，能够满足个体或小企业经营者生产的需求。如中国专利 文献刊载的专利号ZL200720049720. 2，公告日为2008年11月5日，名称为"一种数控小型台 钻"；再如中国专利文献刊载的专利号ZL200820069805. 1，公告日为2008年12月24日，名称 为"小型数控钻床"。上述两种数控机床结构都较为简单，使用方便，但是功能比较单一，只 能为钻床使用，在结构、安全性和操作方法上还需改进。
发明内容
为克服上述问题，本发明目的是提供一种小型数控钻铣床及控制方法，使其能解决小型复 杂零件的加工及满足数控教学的需要。本发明的目的是通过如下的技术方案实现的。
一种小型家用数控钻铣床，该数控钻铣床包括X轴装置、Y轴装置、Z轴装置、主轴装置、 机床底座、拖板、铣夹头、背罩装置和电器柜。其设计要点是整个数控钻铣床为立式结构， 在X轴装置、拖板和机床底座上均设有导轨，使得工作台可在X轴和Y轴方向上进行直线运 动；在Z轴装置上设有垂直导轨，使主轴装置在垂直方向可作上下调节；整个数控钻铣床下 端为机床底座，通过机床底座上的导轨与拖板下端面导轨相配合，在配合的一侧导轨中设有 Y轴直镶条，通过Y轴直镶条与底座导轨配合，使用拖板锁紧螺母、调节螺母和螺栓对拖板 和机床底座间的间隙进行调整；拖板上端面的导轨与X轴装置中的工作台导轨相配合，在相 配合的外侧导轨中设有X轴直镶条，通过X轴直镶条与工作台配合，使用工作台锁紧螺母、 调节螺母和螺栓，对拖板与工作台间的间隙进行调整；背罩装置内设有立柱，立柱垂直安装 于机床底座上，立柱上的垂直导轨与主轴装置中Z轴拖板上的导轨相配合，在Z轴拖板一侧 导轨上插有一根斜镶条，斜镶条上端设有调节螺钉，通过调节螺钉调整托板与立柱之间的配合间隙；主轴装置通过Z轴拖板安装于立柱导轨上，并与安装在机床底座上的气弹簧相连接；
背罩装置的后侧设有电器柜，机床底座上还设有放置计算机的支架。根据实际加工需要，上
述小型数控钻铣床的外围可安装机械防护装置，使现场操作较为安全。
所述的机床底座的一侧面设有手压油泵，利用油泵的供油来润滑导轨副。 所述的工作台在X轴方向上的行程为280咖，在Y轴方向上的行程为160mm，主轴装置在
Z轴方向的行程为170mm。
所述的X轴装置、Y轴装置和Z轴装置中分别设有X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步
进电机，它们通过步进电机驱动器连接于数控系统的轴控模块，通过脉冲信号控制电机的工作。
所述的主轴装置上设有控制面板，控制面板上设有液晶显示屏和按键板两部分。液晶显 示屏能显示主轴当前转速及正反转情况，按键板能控制主轴的启动、停止、加减速、正 反转，实现了简单的主轴手动控制。
所述的机床底座设有四个调整螺钉垫块，用于反复调整和校核机床安装水平。 一种小型数控钻铣床的控制方法，该控制方法包括X轴装置、Y轴装置、Z轴装置、主轴 装置、控制面板、电器柜和计算机，该方法的要点是X轴装置、Y轴装置、Z轴装置中分别安 装X轴步进电机，Y轴步进电机，Z轴步进电机，这三种步进电机通过相应的电机驱动器连接 于数控系统的轴控模块，轴控模块通过并口连接于计算机，构成了轴部控制系统主轴装置 中的电机连接于主轴控制面板，主轴控制面板是由按键板和液晶显示屏构成，能够实现简单 的主轴手动控制，主轴电机的轴控制模块通过并口连接于计算机，实现主轴转速的计算机控 制和调节。
所述的数控系统区别于传统的数控系统，该方法通过外部处理器(CPU)连接计算机，由计 算机编程，再经外部处理器(CPU)处理输出相关信号，对电机进行调节和控制。
所述的控制方法分手动控制和计算机控制两种方法，手动控制主要是对主轴的方向及转 速控制，计算机控制包括各轴的点动、连续动、水冷控制、主轴转速及方向控制。
该发明结构紧凑，体积小，控制方法简单，又实现了机床的多种加工功能，适用于小型复 杂零件的生产，也可用于数控教学实训和模型制作。
图l是本发明的立体结构图。
图2是本发明的主轴装置爆炸图。
图3是本发明除主轴装置以外的整体爆炸图。
图4是本发明的局部结构图。图5是本发明的机床防护装置结构图。
图6是本发明的机床控制原理图。
图7是本发明的Y轴原理图。
图8是本发明的Z轴原理图。
图9是本发明的X轴原理图。
图IO是本发明的电源原理图。
图ll是本发明的接口板原理图。
图12是本发明的主板原理图。
图13是本发明的供电线路原理图。
图14是本发明的主轴电机原理图。
以上附图的序号及名称1、 X轴装置，2、 Y轴装置，3、 Z轴装置，4、主轴装置，5、 机床底座，6、拖板，7、背罩装置，8、电器柜，9、铣夹头，10、计算机，11、机械防护装 置，12、安全连锁开关，101、 X轴螺母座，102、 X轴丝杆，103、 X轴轴承支撑，104、工作 台，105、 X轴丝杆支架，106、 X轴轴承座，107、 X轴轴承，108、第一X轴螺母，109、 X轴 电机支架，110、 X轴轴承盖，111、第二X轴螺母，112、 X轴联轴器，113、 X轴电机底座， 114、 X轴步进电机，115、 X轴电机罩，201、 Y轴电机罩，202、 Y轴步进电机，203、 Y轴电 机座，204、 Y轴联轴器，205、第一Y轴螺母，206、 Y轴轴承盖，207、第二Y轴螺母，208、 Y轴电机支架，209、 Y轴轴承，210、 Y轴轴承座，211、 Y轴丝杆支架，212、 Y轴丝杆防尘 罩，213、 Y轴丝杆，214、 Y轴螺母座，301、第一机头夹板，302、 Z轴丝杆支撑，303、第 三Z轴轴承，304、第二Z轴轴承座，305、第二机头夹板，306、 Z轴丝杆，307、 Z轴轴承盖， 308、第二Z轴轴承，309、第一Z轴轴承座，310、 Z轴丝杆支架，311、第一Z轴轴承，312、 Z轴螺母，313、 Z轴联轴器，314、 Z轴电机底座，315、 Z轴步进电机，316、立柱，401、锥 柄，402、主轴，403、锥柄拉杆，404、第一挡圈，405、圆锥滚子轴承，406、第二挡圈，407、 主轴轴套，408、铜套，409、单向推力球轴承，410、隔离环，411、深沟球轴承，412、垫圈， 413、圆螺母，414、轴套，415、销，416、定位销，417、急停开关，418、控制按钮，419、 控制面板，420、液晶显示屏，421、控制板，422、主轴箱，423、卡簧，424、弹簧垫片，425、 主轴轴承，426、主轴轴承座，427、第一同步带轮，428、机头上盖，429、主轴法兰，430、 主轴防护罩，431、同步带，432、螺母，433、螺母销，434、垫片，435、第二同步带轮，436、 主轴电机底座，437、键，438、主轴电机，439、调整螺钉，440、斜镶条，441、 Z轴托板， 442、机头防尘罩，501、 Y轴直镶条，502、 Y轴限位开关，503、手压油泵，504、汽弹簧， 505、调整螺钉垫块，506、计算机支架，507、调节螺母，508、螺栓，509、拖板锁紧螺母，601、限位块，602、 X轴限位开关，603、 X轴直镶条，604、工作台锁紧螺母，701、第一背 罩盖板，702、第二背罩盖板，703、第一控制板，704、电源插座，705、第二控制板，706、 电源开关，707、背罩，708、波纹管，709、背罩隔板，801、控制箱。 具体实施方法
结合附图，本发明以型号为X4的家用数控钻铣床为例，它包括X轴装置1、 Y轴装置2、 Z轴装置3、主轴装置4、机床底座5、拖板6、背罩装置7、电器柜8和铣夹头9 (或钻夹头)。
所述的X轴装置1是由X轴轴承支撑103， X轴螺母座lOl， X轴丝杆102，工作台104， X轴丝杆支架105， X轴轴承座106， X轴轴轴承107，第一X轴螺母108， X轴电机支架109， X轴轴承盖llO，第二X轴螺母lll， X轴联轴器112， X轴电机底座113， X轴步进电机114 和X轴电机罩115依次连接构成。
所述的Y轴装置2是由Y轴电机罩201， Y轴步进电机202， Y轴电机座203， Y轴联轴器 204,第一Y轴螺母205， Y轴轴承盖206，第二Y轴螺母207， Y轴电机支架208, Y轴轴承 209， Y轴轴承座210, Y轴丝杆支架211， Y轴丝杆防护罩212, Y轴丝杆213和Y轴螺母座 214依次连接构成。
所述的Z轴装置3中第一机头夹板301， Z轴丝杆支撑302，第三Z轴轴承303，第二 Z 轴轴承座304，第二机头夹板305， Z轴丝杆306， Z轴轴承盖307，第二Z轴轴承308,第一 Z轴轴承座309， Z轴丝杆支架310,第一Z轴轴承311, Z轴螺母312， Z轴联轴器313， Z轴 电机底座314和Z轴步进电机315，上述部件依次连接装配于立柱316上构成了 Z轴装置。
所述的主轴装置4中的主轴机构是由锥柄401，主轴402，锥柄拉杆403，第一挡圈404， 圆锥滚子轴承405，第二挡圈406，主轴轴套407，铜套408，单向推力球轴承409，隔离环 410，深沟球轴承411，垫圈412，圆螺母413，主轴箱422，卡簧423，弹簧垫片424，主轴 轴承425，主轴轴承座426，第一同步带轮427，主轴法兰429，主轴防护罩430依次连接， 并通过第一同步带轮427用同步带431连接第二同步带轮435，第二同步带轮通过螺母432， 螺母销433，垫片434和键437连接主轴电机438，主轴电机又与主轴电机底座436连接固定 于主轴箱中，上述部件之间通过相互配合就构成了主轴装置中的主轴传动机构。
所述的主轴装置4还包括控制面板419，机头防尘罩442， Z轴拖板441和机头上盖428。 其中控制面板上设有急停开关417，控制按扭418，液晶显示器420,控制板421; Z轴拖板 一侧导轨处设有斜镶条440，斜镶条上设有调整螺钉439。
所述主轴装置4上的控制面板419通过轴套414，销415和定位销416连接主轴箱体422, 机头防尘罩442安装于主轴箱的底部，机头上盖428安装于主轴箱上端，Z轴拖板441安装 于主轴箱放置电机的一侧。所述的机床底座5上设有Y轴直镶条501， Y轴限位开关502，手压油泵503，气弹簧504 和计算机支架506。其中Y轴直镶条通过拖板锁紧螺母509、调整螺母507和螺栓508连接于 机床底座导轨的一侧，从而能够对拖板6和机床底座间的间隙进行调整。在机床底座上还设 有4个调整螺钉垫块505，用于反复调整和校核该机床安装水平。
所述的拖板6导轨与工作台104导轨之间设有X轴直镶条603, X轴直镶条与拖板外侧导 轨通过工作台锁紧螺母604、调整螺母507和螺栓508相连接，从而能够对拖板与工作台间 的间隙进行调整。拖板上还设有限位块601和X轴限位开关602。
所述的背罩装置7是由第一背罩盖板701，第二背罩盖板702，背罩707和背罩隔板709 构成，在背罩装置上还设有第一控制板703，第二控制板705，电源插座704和波纹管708。
所述的电器柜8安装于背罩装置7第二背罩盖板702的一侧，它由控制箱801和相关电 器设备构成。
根据机床实际加工的需要，在机床整体的外围可设有机械防护装置ll，在机械防护装置 的门上设有安全连锁开关12。机械防护装置安装好后，工作时，应关好门，门一打开急停信 号被触发，机床会立即停止工作。
本发明的控制方法，包括工作原理X轴步进电机114， Y轴步进电机202， Z轴步进电 机315通过电路连接于轴控制模块，其中电机的工作状态是通过控制装置提供的脉冲信号进 行保持和改变的，每一个脉冲即为一个信号，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位 移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率 和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。所 以控制电脉冲信号量就可以控制步进电机的转动状态，从而达到机床所要实现的步骤。
主轴电机438,通过电路连接于主轴控制模块，电机工作状态由PWM (占空比)信号决定， 占空比接近0%时，主轴电机将停止不转，当占空比接近100%时，主轴电机的转速将趋向最大， 如果加载在主轴电机上的负载没有超过主轴电机的最大力矩，那么主轴电机的转速就只受占 空比信号的控制，占空比0% 100%分别对应0 3500转，当负载过大，实际转速低于占空比 对应转速的90%时，主轴电机将自动停转，防止电机线圈因为电流过大而烧坏。
限位/原点开关X，限位/原点开关Y，限位/原点开关Z, 3个开关均为常闭开关，轴上的 触头接触到开关后，开关将从常闭，变成断开状态，开关控制模块将收到相应信号，并使机 床停止。
权利要求
1、一种小型数控钻铣床，该钻铣床包括X轴装置(1)、Y轴装置(2)、Z轴装置(3)、主轴装置(4)、机床底座(5)、拖板(6)、背罩装置(7)、电器柜(8)和铣夹头(9)，其特征在于整个数控钻铣床为立式结构，在X轴装置(1)、拖板(6)和机床底座(5)上均设有导轨，使得工作台可在X轴和Y轴方向上直线运动；在Z轴装置(3)上设有垂直导轨，使主轴装置在垂直方向可作上下调节；整个数控钻铣床下端为机床底座(5)，通过机床底座上的导轨与拖板(6)下端面导轨相配合，在配合的一侧导轨中设有Y轴直镶条(501)，通过拖板锁紧螺母(509)、调节螺母(507)和螺栓(508)，对拖板和机床底座间的间隙进行调整；拖板(6)上端面的导轨与X轴装置(1)中的工作台导轨相配合，在配合的外侧导轨中设有X轴直镶条(603)，通过工作台锁紧螺母(604)、调节螺母(507)和螺栓(508)，对拖板与工作台间的间隙进行调整；背罩装置(7)内设有立柱(316)，立柱垂直安装于机床底座(5)上，立柱上的垂直导轨与主轴装置(4)中Z轴拖板(441)上的导轨相配合，在Z轴拖板一侧导轨上插有一根斜镶条(440)，斜镶条上端设有调整螺钉(439)，通过调整螺钉对机头和斜镶条进行调节；主轴装置(4)通过Z轴拖板(441)安装于立柱(316)导轨上，并与安装在机床底座(5)上的气弹簧(504)相连接；背罩装置(7)的后侧设有电器柜(8)，机床底座(5)上还设有放置计算机的支架(506)。
2、 根据权利要求1所述的小型数控钻铣床，其特征是所述的机床底座(5)的一侧面设有手压油泵(503)，利用油泵的供油来润滑导轨副。
3、 根据权利要求1所述的小型数控钻铣床，其特征是所述的工作台(104)在X轴方向上的行程为280mm，在Y轴方向上的行程为160mm。
4、 根据权利要求1所述的小型数控钻铣床，其特征是所述的主轴装置(4)在Z轴方的行程为170mm。
5、 根据权利要求1所述的小型数控钻铣床，其特征是所述的X轴装置(1)、 Y轴装置(2)和Z轴装置(3)中分别设有X轴步进电机(114)、 Y轴步进电机(202)和Z轴步进电机(315)，它们通过步进电机驱动器连接于数控系统的轴控模块，通过脉冲信号控制电机的工作。
6、 根据权利要求1所述的小型数控钻铣床，其特征是所述的主轴装置(4)上设有控制面板(419)，控制面板上设有液晶显示屏和按键板两部分。
7、 根据权利要求1所述的小型数控钻铣床，其特征是所述的机床底座(5)设有四个调整螺钉垫块(505)，用于反复调整和校核机床安装水平。
8、 一种小型数控钻铣床的控制方法，该控制方法包括X轴装置(1)、 Y轴装置(2)、 Z 轴装置(3)、主轴装置(4)、控制面板、电器柜(8)和计算机(10)，其特征是X轴装置(1)、 Y轴装置(2)、 Z轴装置(3)中分别安装X轴步进电机(114)， Y轴步进 电机(202)， Z轴步进电机(315)，这三种步进电机通过相应的电机驱动器连接于数控系统 的轴控模块，轴控模块通过并口连接于计算机，构成了轴部控制系统；主轴装置中的电机连接于主轴控制面板，主轴控制面板是由按键板和液晶显示屏构成， 能够实现简单的主轴手动控制，主轴电机的轴控制模块通过并口连接于计算机，实现主轴转 速的计算机控制和调节。
9、 根据权利要求8所述的小型数控钻铣床的控制方法，其特征是所述的数控系统区别于 传统的数控系统，该方法通过并口连接计算机，由计算机编程，再经CPU处理输出相关信号， 对步进电机及主轴电机进行调节和控制。
10、 根据权利要求8所述的小型数控钻铣床的控制方法，其特征是所述的控制方法分手 动控制和计算机控制两种方法，手动控制主要是对主轴的方向及转速控制，计算机控制包括 各轴的点动、连续动、水冷控制、主轴转速及方向控制。
全文摘要
本发明涉及一种小型数控钻铣床及控制方法，它包括X轴装置、Y轴装置、Z轴装置、机床底座、主轴装置、背罩装置、电器柜和计算机。X轴装置中的工作台与拖板上端面通过导轨配合，Y轴装置连接于拖板和机床底座之间，Z轴装置安装于背罩装置内；主轴装置与第一机头夹板和第二机头夹板配合安装于立柱上，并沿立柱轨道可垂直上下运动；在机床底座上安设有手压油泵、计算机支架和气弹簧；背罩装置由第一背罩盖板、第二背罩盖板、背罩和背罩隔板构成；机床防护装置为立方结构，装于机床外围。本发明结构紧凑，体积小，控制简单，方法可行。实现了机床的多种加工功能，适用于小型零件的单件小批量生产，也可用于数控教学实训和模型制作。
文档编号G05B19/18GK101579814SQ20091009869
公开日2009年11月18日 申请日期2009年5月21日 优先权日2009年5月21日
发明者硕 徐 申请人:徐正松