CN100410013C - 桌上型cnc加工中心 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桌上型CNC加工中心，为解决现有的CNC加工中心存在的体积较大、价格昂贵、适用范围有限等问题，本发明的CNC加工中心包括一个小型机床组件和一个小型数控箱，两者之间在结构上相互独立，并可安放于较坚固的普通大小桌面上使用；本发明的CNC加工中心体积小、成本低但功能齐全。可用于普通工厂企业，也可作为个人CNC加工中心设备，还可用为教学、培训用设备。本发明的CNC加工中心可用于对平面、立体的有色金属、塑料、有机合成材料和黑色金属等进行铣、雕、钻等方式的加工。与传统CNC加工中心相比，它具有工作效率高、运行成本低、占地面积小、设备生产成本低、使用方便等诸多优点。

Description

桌上型CNC加工中心

技术领域

本发明涉及CNC(Computer Numerical Control，计算机数控)加工中心，更具体地说，涉及一种桌上型CNC加工中心。

背景技术

传统CNC加工中心从概念上讲是一个尺寸为2.5m×2.5m×2.5m左右的机床，其体积较大，需占用较大的安装空间，并需要三相交流电源才能工作，所以适用范围受到较大限制。

目前，实际市场上需要大量的小尺度、高精度的CNC加工中心设备，以便加工一些小尺寸的产品，例如：个人电子消费类产品的壳体模具、石墨电极、精密零件、汽车机电一体化组件、个人电子消费类产品的快速造型样板、表壳、鞋模、印章、工艺品等小型结构件。但是现有的CNC加工中心都存在体积大、价格昂贵等问题，普通使用者根本负担不起购买所需的费用，即使购买了，用于加工小型产品时也显得非常的不方便和浪费。

传统CNC加工中心在上述各方面未经专门的设计和考虑，并在教学、培训和个人应用中都表现出上述明显的缺陷和不足。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决现有的CNC加工中心存在的体积较大、价格昂贵、适用范围有限等问题。

为解决现有技术中的上述技术问题，本发明提供一种桌上型CNC加工中心，其中包括一个小型机床组件和一个小型数控箱，两者之间在结构上相互独立，并可安放于较坚固的普通大小桌面上使用；所述机床组件中包括床体、用于放置被加工物品的工作台、用于安装加工刀具的主轴机构、可带动所述工作台前后移动的X轴驱动机构、可带动所述主轴机构上下移动的Z轴驱动机构、可带动所述Z轴驱动机构及主轴机构左右移动的Y轴驱动机构、以及用于与所述数控箱连接的机床侧接口；所述数控箱中包括电源模块、配电模块和通用数控系统，还包括与所述通用数控系统连接的主轴控制器、X轴控制器、Y轴控制器、Z轴控制器、以及用于与所述机床组件连接的数控侧接口；所述机床组件的机床侧接口与所述数控箱中的数控侧接口之间通过电缆实现信号连接。

本发明中，通过所述数控箱中的通用数控系统实现虚拟刀具功能，包括T4位代码指定，可软件管理99把刀具和99组刀具偏置数据，具有刀具偏置补偿和半径补偿功能，并具有刀具轨迹实时图形仿真功能。

本发明中，还可增设一个可安装于所述工作台上并将被加工物品罩住的透明防护罩；在所述床体上还设有用于检测所述防护罩是否恰当安装的防护罩检测装置；所述通用数控系统可根据所述防护罩检测装置的信号来确定所述主轴机构驱动电路是否可正常工作。

本发明中，所述主轴机构可拆卸地装于所述Z轴驱动机构上，所述X轴驱动机构可拆卸地装于所述床体上，所述工作台可拆卸地装于所述X轴驱动机构上；在所述床体上可拆卸地装有一个龙门结构的支架；所述Y轴驱动机构包括可拆卸地装于所述龙门结构支架上的Y轴导轨、Y轴驱动电机、以及Y轴传动丝杠，所述Y轴驱动电机可通过所述Y轴丝杠而驱动所述Y轴导轨左右移动；所述Z轴驱动机构包括可拆卸地装于所述Y轴导轨上的Z轴导轨、Z轴驱动电机、以及Z轴丝杠，所述Z轴驱动电机可通过所述Z轴丝杠而驱动所述主轴机构沿所述Z轴导轨上下移动。

本发明的所述主轴机构中可采用交流变频调速电机作为驱动电机，所述X轴驱动机构、Y轴驱动机构、以及Z轴驱动机构中可采用交流伺服电机或步进电机作为驱动电机。所述各个驱动电机的控制器均采用单相交流电源。

本发明中，为便于教学演示，所述主轴机构、X轴驱动机构、Y轴驱动机构以及Z轴驱动机构中至少有一个采用透明壳体来安装内部的驱动电机及传动件。

本发明中，所述龙门结构支架包括左立柱、右立柱以及横梁；所述左、右立柱最好通过起过渡作用的左、右金属过渡件安装于所述床体的左、右两侧。

本发明中，可在所述数控箱中装设与所述通用数控系统连接的网络接口；还可在所述床体上装设用于吸走加工物品时所产生的粉屑的排料机构。

本发明中，还包括一个用于对被加工物品进行测量的针状探头，所述针状探头的上部可安装于所述主轴驱动机构的下部并将刀具包于其内部，所述探头的下部伸出一根可与被测物品的表面接触而实现测量目的的探针。

本发明中，在所述工作台上还装有用于夹紧被加工产品的夹具，所述夹具为可绕Z方向的中心轴旋转的可旋转夾具、和/或可调整自身倾斜角度的可倾斜夾具。

由上述技术方案可知，本发明的CNC加工中心体积小、成本低但功能齐全。可用于普通工厂企业，也可作为个人CNC加工中心设备，还可用为教学、培训用设备。本发明的CNC加工中心可用于对平面、立体的有色金属、塑料、有机合成材料和黑色金属等进行铣、雕、钻等方式的加工。与传统CNC加工中心相比，它具有工作效率高、运行成本低、占地面积小、设备生产成本低、使用方便等诸多优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一个优选实施例中的桌上型CNC加工中心的结构示意图；

图2是图1中所示机床组件的左视图；

图3是图2中所示机床组件装上防护罩后的立体示意图；

图4中图2中所示机床组件的分解示意图；

图5是本发明一个优选实施例中的桌上型CNC加工中心的电气原理图；

图6是本发明一个优选实施例中通用数控系统的原理图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例中，桌上型CNC加工中心的结构如图1至图3所示，从图中可以看出，该CNC加工中心包括一个小型机床组件100和一个小型数控箱200，两者之间在结构上相互独立，并通过电缆(未在图中画出)实现电信号连接，使用时，可将两者安放于较坚固的普通大小的桌面300上。

从图2和图3中可以看出，机床组件100中，包括床体110、用于放置被加工物品的工作台114、用于安装加工刀具的主轴机构118、可带动工作台在床体上前后移动的X轴驱动机构、可带动主轴机构上下移动的Z轴驱动机构、以及可带动Z轴驱动机构和主轴机构一起左右移动的Y轴驱动机构。在工作台114上方装有一个可将被加工物品罩住的透明防护罩102；在床体上还设有用于检测防护罩是否恰当安装的防护罩检测装置。另外，还可在床体上装设用于吸走加工物品时所产生的粉屑的排料机构。

从图2和图3中可以看出，X轴驱动机构装于床体110上；工作台114安装于X轴导轨104上，X轴驱动电机可通过X轴丝杠带动X轴导轨前后移动，从而带动工作台114前后移动。在床体110上装设有一个龙门结构的支架106，它由左立柱、右立柱以及横梁组成；其中，左、右立柱通过起过渡作用的左、右金属过渡件108安装于床体的左、右两侧。

本实施例中，X轴驱动机构包括装于床体上的X轴导轨104、X轴驱动电机、以及X轴丝杠；Y轴驱动机构包括装于支架106上的Y轴导轨116、Y轴驱动电机、以及Y轴丝杠，Y轴驱动电机可通过Y轴丝杠而驱动Y轴导轨左右移动；Z轴驱动机构包括装于Y轴导轨116上的Z轴导轨120、Z轴驱动电机、以及Z轴丝杠，Z轴驱动电机可通过Z轴丝杠而驱动主轴机构118沿Z轴导轨上下移动。

本实施例中，X轴驱动机构可拆卸地装于床体上，工作台可拆卸地装于X轴驱动机构上；Y轴驱动机构可拆卸地装于龙门结构支架上，Z轴驱动机构可拆卸地装于Y轴导轨上，主轴机构可拆卸地装于Z轴驱动机构上。如图4所示，各部分之间有一定的独立性，可以独立对X轴、Y轴、Z轴驱动机构进行装配，然后再按上述结构进行部件之间的组装。

从图1中可以看出，数控箱200的正面设有显示器202、数控按键等；其背面采用的是透明背板，从而可以看到内部的电路板及元器件等。

本发明一个优选实施例中，桌上型CNC加工中心的电气原理如图5所示。在机床一侧，X轴交流伺服电机、Y轴交流伺服电机、Z轴交流伺服电机、主轴调速电机以及开关量I/O口分别与机床侧接口连接。在数控箱一侧，包括电源模块、配电模块和通用数控系统，还包括与通用数控系统连接的主轴控制器、X轴伺服单元(本实施例中采用交流伺服电机，所以X轴控制器为X轴伺服单元，其余类似)、Y轴伺服单元、Z轴伺服单元、以及用于与机床组件连接的数控侧接口；其中，机床侧接口与数控侧接口之间通过电缆实现信号连接。

如图6所示，本实施例中，通用数控系统中包括嵌入式PC及与之连接的操作面板、显示器、数控键盘、运动控制模块、输入/输出模块、以及DNC模块等。

可见，本实施例中的通用数控系统是基于PC平台的嵌入式系统，其中的运动控制模块采用32位DSP构成闭环控制系统，并且具备速度和加速度前馈控制，使得整机具有良好的加工精度和动态性能。系统可控制四个伺服运动轴，采用模拟量电压控制，速度指令给定电压为-10V~+10V。系统具有丰富的加工功能，指令代码兼容FANUCO系统指令集，同时具有良好的模块化结构特性、良好的可操作性和可扩展性。

下面将详细描述本实施例的桌上型CNC加工中心的特点。

1、作为先进、复杂的机械加工设备，传统CNC加工中心概念尺寸为2.5m×2.5m×2.5m以上，而本CNC加工中心中，机床组件的体积最大不超过0.7m*0.7m*0.6m，最小不超过0.4m*0.4m*0.4m，以便能够放在较坚固的桌上使用。本实施例的CNC加工中心具有软件刀具功能，包括T4位代码指定，可软件管理99把刀具和99组刀具偏置数据，具有刀具偏置补偿和半径补偿功能，具有刀具轨迹实时图形仿真功能；为了降低成本，本CNC加工中心省略了自动换刀机构，所以其换刀过程是手动的或虚拟的，除采用虚拟刀具功能外，本CNC加工中心在功能上与传统CNC加工中心相同。

2、传统CNC加工中心的设计目的是为了机械加工，本CNC加工中心除了进行小尺寸构件机械加工以外，它的设计目的还包括：尽可能直观地，最近尺度地向使用者、操作者展示CNC加工中心的构成、传动过程和传动原理、电气部件的构成、电气部件的联接关系等。为了便于对传动过程和传动原理进行认识和教学应用，CNC加工中心的X、Y、Z三个轴，至少有两轴的轴系和联轴节都具有透明的可视窗口。整个数控系统的电气构成均以透明封装的形式向用户展示。传统CNC加工中心的封闭结构形式与本CNC加工中心的可视化属性形成了显著的区别特征。

3、与传统CNC加工中心不同，本CNC加工中心可以使用单相电源，以便满足教学、培训和个人CNC加工中心应用场合的需要。

4、与传统CNC加工中心不同，本CNC加工中心特别强调其外观设计和色彩，所以外观色彩鲜艳；本CNC加工中心具有丰富多彩的色彩可供用户选择。即使是其中的防护罩102也可以是彩色的，与传统CNC加工中心的灰黑色主色调形成了强烈的反差。无论从尺寸、从色彩、外观和精致程度上，都给人留下了鲜明的印象。

5、与传统CNC加工中心不同，本CNC加工中心允许用户按照设定的步骤进行拆装，并可用影视文档指导用户拆装。因此，本CNC加工中心中，X、Y、Z三个轴被设计成三个独立的机械部件，可以独立对三个机械部件进行装配，然后再进行部件之间的组装。这种设计保证了机械部件的独立性，符合认识与教学规律。本CNC加工中心中，龙门结构的两个立柱与床身通过一个具有定位作用的金属过渡件，以两侧平面定位后用螺钉固定，完成龙门架的安装。这种设计降低了部件加工难度和制造成本，其安装性能很好，教学效果更好。采用铸铝合金龙门结构和优化的加强筋设计，可使其结构更轻巧、紧凑、刚性大、并减小高速加工中的颤振。

6、与传统CNC加工中心不同，为了提高加工速率，有必要减小工作台质量，本实施例中，采用铸铝合金的工作台，使CNC加工中心X、Y、Z轴的最高速率高达15m/min。为进一步减小工作台质量，还可采用铝塑复合材料制成工作台，使CNC加工中心X、Y、Z轴的最高速率高达20m/min。

7、与传统CNC加工中心不同，本实施例的CNC加工中心结构小巧、紧凑，在机械结构和交流伺服驱动系统的机电一体化设计方面具有优势，机电一体化设计和调试，更容易保证床体的机械谐振、钢度、运行平稳性、噪声和加工精度等性能得到综合优化。

8、为适于教学、培训应用和作为个人CNC加工中心设备，本实施例中，对产品的先进性和可配置性进行了专门的设计，床体、交流伺服单元和各种开关量控制均设计得符合通用标准，可以与不同的数控系统相匹配，以构成不同档次的CNC加工中心系统。本CNC加工中心具有X、Y、Z三个联动轴，位置伺服的分辨率0.001mm，精度0.01mm。主轴为24000转/分，可无级变频调速，有自冷、风冷和水冷三种工作模式。

9、为了配合教学、培训和个人CNC加工中心应用，为了在针对塑料、有机合成材料、石墨材料、天然石材等加工特点，本CNC加工中心中，还可装设吸入式排料机构，从而可手动或自动吸取粉屑。

10、为了降低成本，还可用步进电动机来代替前述的交流伺服电机，相应地，前述的伺服单元应替换为步进电机控制器。

11、为了适合教学、培训和个人CNC加工中心用户等非专业人士的应用，为了解决加工过程的真实性、可视化和安全性的矛盾，本实施例中，工作台和主轴运动部件(主要是刀具)被透明防护罩102隔离开来。只有在‘对刀’过程中，主轴低速运转时才允许取下透明防护罩，其它加工过程必须在具有防护罩的情况下才能开始加工。人机接口对安全性做出屏幕提示。本实施例中的CNC加工中心在防漏电、防静电、防止各种机械碰撞、伺服系统过载安全报警和EMC/EMI等方面经过专门的设计，以保证绝对安全。

12、本实施例中，采用树脂砂铸铁床身，在保证床体底部质量的前提下，使CNC加工中心具有良好的稳定性和吸震性能。

13、本实施例中，为了适应网络应用或实现CNC加工中心的组网控制以及实现柔性加工生产线，还可进一步在数控箱中增设RJ45网络接口。

14、本实施例中，为了简化加工前、后及加工中对被加工件的尺寸的调整、测量和补正，还设计有嵌入式针状探头，在测量模式下，数控系统的显示屏上将显示测量坐标，并可借助多种软件实现误差补偿、补正。

15、本实施中，还可增设可带动工作台在床体上绕Z方向的中心轴旋转的旋转驱动机构，并增设可带动工作台在床体上倾斜适当角度的倾角驱动机构，使本CNC加工中心的数控系统支持6轴运动控制，且其中4个轴可以联动控制。

Claims (6)

1. 一种桌上型CNC加工中心，包括一个小型机床组件和一个小型数控箱，两者之间在结构上相互独立；所述机床组件中包括床体、用于放置被加工物品的工作台、用于安装加工刀具的主轴机构、可带动所述工作台前后移动的X轴驱动机构、可带动所述主轴机构上下移动的Z轴驱动机构、可带动所述Z轴驱动机构及主轴机构左右移动的Y轴驱动机构、以及用于与所述数控箱连接的机床侧接口；所述数控箱中包括电源模块、配电模块和通用数控系统，还包括与所述通用数控系统连接的主轴控制器、X轴控制器、Y轴控制器、Z轴控制器、以及用于与所述机床组件连接的数控侧接口；所述机床组件的机床侧接口与所述数控箱中的数控侧接口之间通过电缆实现信号连接；其特征在于，所述主轴机构可拆卸地装于所述Z轴驱动机构上，所述X轴驱动机构可拆卸地装于所述床体上，所述工作台可拆卸地装于所述X轴驱动机构上；

在所述床体上可拆卸地装有一个龙门结构的支架；所述Y轴驱动机构包括可拆卸地装于所述龙门结构支架上的Y轴导轨、Y轴驱动电机、以及Y轴传动丝杠，所述Y轴驱动电机可通过所述Y轴丝杠而驱动所述Y轴导轨左右移动；

所述Z轴驱动机构包括可拆卸地装于所述Y轴导轨上的Z轴导轨、Z轴驱动电机、以及Z轴丝杠，所述Z轴驱动电机可通过所述Z轴丝杠而驱动所述主轴机构沿所述Z轴导轨上下移动。

2. 根据权利要求1所述的桌上型CNC加工中心，其特征在于，所述主轴机构中采用交流变频调速电机作为驱动电机，所述X轴驱动机构、Y轴驱动机构、以及Z轴驱动机构中，采用交流伺服电机或步进电机作为驱动电机；所述各个驱动电机的控制器均采用单相交流电源。

3. 根据权利要求1所述的桌上型CNC加工中心，其特征在于，所述主轴机构、X轴驱动机构、Y轴驱动机构、以及Z轴驱动机构中，至少有一个采用透明壳体来安装内部的驱动电机及传动件。

4. 根据权利要求1所述的桌上型CNC加工中心，其特征在于，所述支架包括左立柱、右立柱以及横梁；所述左、右立柱分别通过起过渡作用的左、右金属过渡件安装于所述床体的左、右两侧。

5. 根据权利要求1所述的桌上型CNC加工中心，其特征在于，

在所述数控箱中还设有与所述通用数控系统连接的网络接口；

在所述床体上还设有用于吸走加工物品时所产生的粉屑的排料机构。

6. 根据权利要求1所述的桌上型CNC加工中心，其特征在于，在所述工作台上还装有用于夹紧被加工产品的夹具，所述夹具为可绕Z方向的中心轴旋转的可旋转夾具、和/或可调整自身倾斜角度的可倾斜夾具。

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