CN109382656B - 一种多功能数控设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能数控设备，属于数控设备领域。设备包括：设备主体、机架、连接架、执行机构、电机组、工作台、以及控制装置，机架包括第一立柱、第二立柱、第一横梁和第二横梁，第一立柱和第二立柱平行，第一立柱的一端和第二立柱的一端分别可转动地固定于设备主体，第一横梁的两端可滑动地分别与第一立柱和第二立柱连接，连接架可滑动地安装于第一横梁上，执行机构为主轴头、激光雕刻头和喷头中的任何一种，连接架与执行机构可拆卸连接，第二横梁的两端分别可转动地固定于设备主体，第二横梁位于第一立柱和第二立柱之间，第二横梁分别与第一立柱、第二立柱和第一横梁垂直。

Description

一种多功能数控设备

技术领域

本发明涉及数控设备领域，特别涉及一种多功能数控设备。

背景技术

数控设备是指应用计算机实现数字程序控制技术的设备。常见的数控设备有数控机床。数控机床是一种用计算机来控制的机床。计算机发出指令使机床的刀具作符合要求的各种运动，以数字和字母形式表示工件的形状和尺寸等技术要求和加工工艺要求进行工件加工。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：现有的数控机床功能单一，体积也比较庞大，造价高昂，其应用场景受到限制。

发明内容

本发明实施例提供了一种多功能数控设备，体积较小，造价低，能够实现数控加工、快速成型、以及激光雕刻功能。所述技术方案如下：

一种多功能数控设备，所述多功能数控设备包括：设备主体、机架、连接架、执行机构、电机组、工作台、以及控制装置，所述机架包括第一立柱、第二立柱、第一横梁和第二横梁，所述第一立柱和所述第二立柱平行，所述第一立柱的一端和所述第二立柱的一端分别可转动地固定于所述设备主体，所述第一横梁的两端可滑动地分别与所述第一立柱和所述第二立柱连接，所述连接架可滑动地安装于所述第一横梁上，所述执行机构为主轴头、激光雕刻头和喷头中的任何一种，所述连接架与所述执行机构可拆卸连接，所述第二横梁的两端分别可转动地固定于所述设备主体，所述第二横梁位于所述第一立柱和所述第二立柱之间，所述第二横梁分别与所述第一立柱、所述第二立柱和所述第一横梁垂直，所述工作台可滑动地固定于所述第二横梁，所述工作台与所述连接架相对设置，所述电机组包括两个第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、和第五电机，所述两个第一电机的输出轴分别与所述第一立柱的另一端和所述第二立柱的另一端连接，所述第二电机的输出轴与所述第一横梁的一端连接，所述第三电机的输出轴与所述第二横梁的一端电连接，所述第四电机的输出轴与所述主轴头的一端连接，所述第五电机的输出轴与所述喷头连接，所述控制装置分别与所述电机组中各个电机电连接。

可选地，所述第一横梁包括横向丝杠、套设在所述横向丝杠上的横向滚珠螺母和两根横向光轴，所述横向丝杠和所述两根横向光轴互相平行，所述第二电机的输出轴与所述横向丝杠的一端连接，

所述连接架包括连接架主体、压板、以及若干锁紧螺钉，所述连接架主体上设有螺母通孔和光轴通孔，所述连接架分别通过所述螺母通孔和所述光轴通孔套设于所述横向滚珠螺母和所述两根横向光轴上，所述连接架主体上还设有燕尾槽，所述执行机构通过所述燕尾槽固定于所述连接架，所述压板靠近所述燕尾槽并通过所述锁紧螺钉将所述执行机构压紧在所述连接架主体上。

可选地，所述主轴头包括：主轴、第四电机箱、第一梯形滑块、数控加工刀具、以及第一电源插口，

所述第四电机箱用于存放所述第四电机，所述第一梯形滑块与所述燕尾槽相配合，所述压板与所述第一梯形滑块通过所述锁紧螺钉固定连接，所述第一梯形滑块固定于所述第四电机箱的外壁，所述第一电源插口与所述第四电机的电流输入端电连接并露出于所述第四电机箱，所述主轴的一端与所述第四电机的输出轴连接，所述主轴的另一端伸出所述第四电机箱与数控加工刀具连接。

可选地，所述喷头包括喷嘴、加热板、橡胶轮、小齿轮、进料管、第五电机箱、第二梯形滑块、以及第二电源插口，

所述喷嘴与所述进料管连通，所述加热板套设于所述喷嘴，所述喷嘴与所述工作台相对，所述第五电机箱用于存放所述第五电机，所述小齿轮套设于所述第五电机的输出轴，所述橡胶轮固定于所述第五电机箱，所述橡胶轮与所述小齿轮啮合连接，所述进料管的出口和所述喷嘴的入口分别靠近所述小齿轮，所述第二梯形滑块固定于所述第五电机箱的外壁，所述第二电源插口与所述第五电机的电流输入端电连接并露出于所述第五电机箱。

可选地，所述喷头还包括橡胶轮支架、螺栓和弹簧，

所述橡胶轮可转动地固定于所述橡胶轮支架，所述橡胶轮支架通过所述螺栓固定于所述第五电机箱，所述弹簧套设于所述螺栓，且所述弹簧位于所述橡胶轮支架与所述第五电机箱之间，所述弹簧的压缩系数和、所述橡胶轮与所述小齿轮的啮合深度相配合。

可选地，所述多功能数控设备还包括用于存放料丝的料架，所述料架固定于所述设备主体并靠近所述连接架。

可选地，所述多功能数控设备还包括平行直线导轨组件，所述平行直线导轨组件包括直线导轨、以及与所述直线导轨可滑动连接的滑块，所述直线导轨与所述第二横梁平行且所述直线导轨的两端分别固定于所述设备主体，所述工作台的底部与所述滑块固定连接。

可选地，所述多功能数控设备还包括四轴旋转工作台机构，所述四轴旋转工作台机构与所述工作台可拆卸连接，所述四轴旋转工作台机构包括：四轴旋转工作台主体、齿轮轴、第一圆柱直齿轮、第二圆柱直齿轮、蜗杆、涡轮、涡轮轴、以及四轴旋转工作台，

所述四轴旋转工作台主体设有传动安装腔，所述齿轮轴、所述第一圆柱直齿轮、所述第二圆柱直齿轮、所述蜗杆、所述涡轮和所述涡轮轴均位于所述传动安装腔内，

所述电机组还包括第六电机，所述第六电机固定于所述传动安装腔内，所述第六电机的输出轴与所述齿轮轴连接，所述第一圆柱直齿轮套设于所述齿轮轴上，所述第一圆柱直齿轮与所述第二圆柱直齿轮啮合连接，所述第二圆柱直齿轮套设于所述蜗杆上，所述蜗杆的一端可转动地固定于所述四轴旋转工作台主体，所述蜗杆与所述涡轮转动连接，所述涡轮套设于所述涡轮轴，所述涡轮轴的一端可转动地固定于所述四轴旋转工作台主体，所述涡轮轴的另一端伸出所述传动安装腔且与所述四轴旋转工作台连接，所述四轴旋转工作台上设有工件安装槽。

可选地，所述多功能数控设备还包括五轴旋转工作台机构，所述五轴旋转工作台机构与所述工作台可拆卸连接，所述五轴旋转工作台机构包括：基座、转台座、以及转台，

所述电机组还包括第七电机和第八电机，所述基座呈U型，所述基座的一端设有第七电机安装腔，所述第七电机位于所述第七电机安装腔内，所述转台座上设有第一转耳和第二转耳，所述第一转耳与所述第二转耳相对设置，所述第一转耳与所述第七电机的输出轴连接，所述第二转耳与所述基座的另一端活动连接，所述转台座与所述第一横梁平行，所述转台座内设有第八电机安装腔，所述第八电机位于第八电机安装腔内，所述转台安装在所述转台座上且与所述第八电机的输出轴连接，所述转台与所述连接架相对，所述转台上设有工件安装底座。

可选地，所述设备主体上设有手柄。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过当执行机构为主轴头时，该多功能数控设备能够实现数控机床的数控加工技术；当执行机构为激光雕刻头时，该多功能数控设备能够实现激光雕刻设备的激光雕刻技术；当执行机构为喷头时，该多功能数控设备能够实现3D打印机的3D打印技术；通过喷头、主轴头和激光雕刻头三者之间的切换，能够实现各类数控设备(包括快速成型设备、数控机床、以及激光雕刻设备)的互相工作，并且，该多功能数控设备的结构较为简单，造价较低，还能够缩小体积，甚至总体体积可以与桌面型机械一样，能够适用于教学和创客加工创意等场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种多功能数控设备的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的连接架的结构示意图；

图3和图4是本发明实施例提供的主轴头的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的连接架与主轴头的装配示意图；

图6是本发明实施例提供的单喷头的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的双喷头的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的激光雕刻头的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种多功能数控设备的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的四轴旋转工作台机构的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的一种多功能数控设备的结构示意图；

图12是本发明实施例提供的五轴旋转工作台机构的结构示意图。

附图中，各零部件的标号如下：

1设备主体，21第一立柱、21a竖向光轴、21b竖向丝杠、21c竖向滚珠螺母、22第二立柱、23第一横梁、23a横向丝杠、23b横向滚珠螺母、23c横向光轴、23d第一滑动箱、23e第二滑动箱、24第二横梁，31连接架主体、32压板、33燕尾槽、34锁紧螺钉、35螺母通孔、36光轴通孔，4执行机构、主轴头41、41a主轴、41b第四电机箱、41c第一梯形滑块、41d第一电源插口、42喷头、42a喷嘴、42b加热板、42c橡胶轮、42d小齿轮、42f第五电机箱、42g第二梯形滑块、42h第二电源插口、42i橡胶轮支架、42j螺栓、42k弹簧、43激光雕刻头、43a激光头、43b安装箱、43c第三梯形滑块、43d第三电源插口，51第一电机、52第二电机、57第六电机，6工作台，7平行直线导轨组件、71直线导轨、72滑块，8四轴旋转工作台机构、81四轴旋转工作台主体、82齿轮轴、83第一圆柱直齿轮、84第二圆柱直齿轮、85蜗杆、86涡轮、88四轴旋转工作台，9五轴旋转工作台机构、91基座、92转台座、93第一转耳、94转台，95第七电机安装腔，10手柄、11第一颜色指示灯、12第二颜色指示灯、13第三颜色指示灯。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1示出了本发明实施例提供的一种多功能数控设备。参见图1，该多功能数控设备包括：设备主体1、机架、连接架3、执行机构4、电机组、工作台6、以及控制装置。机架包括第一立柱21、第二立柱22、第一横梁23和第二横梁24。第一立柱21和第二立柱22平行，第一立柱21的一端和第二立柱22的一端分别可转动地固定于设备主体1。第一横梁23的两端可滑动地分别与第一立柱21和第二立柱22连接。连接架3可滑动地安装于第一横梁23上。执行机构4为主轴头41(图1未示出)、激光雕刻头43(图1未示出)和喷头42(图1示出)中的任何一种。连接架3与执行机构4可拆卸连接。第二横梁24的两端分别可转动地固定于设备主体1，第二横梁24位于第一立柱21和第二立柱22之间，第二横梁24分别与第一立柱21、第二立柱22和第一横梁23垂直。工作台6可滑动地固定于第二横梁24，工作台6与连接架3相对设置。电机组包括两个第一电机51、第二电机52、第三电机、第四电机、和第五电机。两个第一电机51的输出轴分别与第一立柱21的另一端和第二立柱22的另一端连接。第二电机52的输出轴与第一横梁23的一端连接。第三电机的输出轴与第二横梁24的一端电连接。第四电机的输出轴与主轴头41的一端连接。第五电机的输出轴与喷头42连接。控制装置分别与电机组中各个电机电连接。

当执行机构4为主轴头41时，该多功能数控设备能够实现数控机床的数控加工技术；当执行机构4为激光雕刻头43时，该多功能数控设备能够实现激光雕刻设备的激光雕刻技术；当执行机构4为喷头42时，该多功能数控设备能够实现3D打印机的3D打印技术(又称快速成型技术)。通过喷头42、主轴头41和激光雕刻头43三者之间的切换，能够实现各类数控设备(包括快速成型设备、数控机床、以及激光雕刻设备)的互相工作。多功能数控设备的总体体积不大，属于桌面型机械。

参见图1，机架为龙门式结构。龙门式结构的设计使得机架既能够承受主轴头41的切削力，又可以减少机架在多功能数控设备的切削加工过程中产生的振动，可以保证多功能数控设备的加工精度。

其中，第一立柱21和第二立柱22的结构可以相同。示例性地，第一立柱21包括竖向光轴21a、竖向丝杠21b和竖向滚珠螺母21c。竖向光轴21a和竖向丝杠21b互相平行。竖向光轴21a的两端分别固定于设备主体1，竖向丝杠21b的两端也分别固定于设备主体1。竖向滚珠螺母21c套设于竖向丝杠21b上。竖向滚珠螺母21c与第一横梁23的一端连接。

示例性地，竖向丝杠21b的长度为175mm，导程为2mm。

示例性地，第一立柱21的一端通过轴承(图未示出)可转动地固定于设备主体1；同样地，第二立柱22的一端通过轴承(图未示出)可转动地固定于设备主体1。两个第一电机51均固定于设备主体1。其中一个第一电机51的输出轴通过联轴器(图未示出)与第一立柱21的另一端连接，另一个第一电机51的输出轴通过联轴器(图未示出)与第二立柱22的另一端连接。

示例性地，第一横梁23包括横向丝杠23a、套设在横向丝杠23a上的横向滚珠螺母23b和两根横向光轴23c。横向丝杠23a和两根横向光轴23c互相平行。第二电机52的输出轴与横向丝杠23a的一端连接。

与第一横梁23的结构相对应地，第一横梁23的一端通过第一滑动箱23d可滑动地与第一立柱21连接，第一横梁23的另一端通过第二滑动箱23e可滑动地与第一立柱21连接。示例性地，第一滑动箱23d套设于第一立柱21的竖向滚珠螺母21c，横向丝杠23a的一端、以及两根横向光轴23c的一端分别通过轴承(位于第一滑动箱23d内)可转动地固定于第一滑动箱23d。其中，第二电机52固定于第一滑动箱23d的外壁，第二电机52的输出轴通过联轴器(位于第一滑动箱23d内)与横向丝杠23a的一端连接。第二滑动箱23e套设于第二立柱22的竖向滚珠螺母21c，横向丝杠23a的另一端、以及两根横向光轴23c的另一端分别通过轴承(位于第一滑动箱23d内)可转动地固定于第二滑动箱23e。

与第一横梁23的结构相对应地，参见图2，连接架3包括连接架主体31、压板32、以及若干锁紧螺钉34。连接架主体31上设有螺母通孔35和光轴通孔36，连接架3分别通过螺母通孔35和光轴通孔36套设于横向滚珠螺母23b和两根横向光轴23c上。连接架主体31上还设有燕尾槽33，执行机构4通过燕尾槽33固定于连接架3。压板32上设有与锁紧螺钉34相匹配的锁紧螺钉通孔，压板32靠近燕尾槽33并通过锁紧螺钉34将执行机构4压紧在连接架主体31上。

示例性地，连接架3包括两个锁紧螺钉34，连接架3还包括防松螺钉，压板32和执行机构4上分别设有与防松螺钉相匹配的防松螺钉通孔，压板32和执行机构4通过防松螺钉进行紧固连接。

示例性地，横向丝杠23a的长度为230mm，导程为2mm。

通过连接架3，可以快速进行每种数控设备的快速切换。连接架3前端开有燕尾槽33与加工中心主轴部分的梯形滑块相配合，在梯形滑块上端使用压板32，通过锁紧螺钉34锁死。之所以采用燕尾槽33与梯形滑块相配合，是因为这样结构更加具有稳定性，能够抵抗多功能数控设备在切削时产生的振动和切削抗力。

示例性地，第二横梁24可以是丝杠。比如，第二横梁24可以是长度为215mm、导程为2mm的丝杠。

通过采用丝杠作为机架，传动效率高且消耗的能力小；丝杠与其他机械结构配合使用可以实现很好的同步效果，传动的稳定性也较好；并且，丝杠可以实现微量进给，传动精度也比较高。

与连接架3的结构相对应地，参见图3和图4，主轴头41包括：主轴41a、第四电机箱41b、第一梯形滑块41c、数控加工刀具、以及第一电源插口41d。第四电机箱41b用于存放第四电机。参见图5，第一梯形滑块41c与燕尾槽33相配合，压板32与第一梯形滑块41c通过锁紧螺钉34固定连接，第一梯形滑块41c固定于第四电机箱41b的外壁，第一电源插口41d与第四电机的电流输入端电连接并露出于第四电机箱41b，主轴41a的一端与第四电机的输出轴连接，主轴41a的另一端伸出第四电机箱41b与数控加工刀具连接。第一电源插口41d可以通过线路与电源连通。

第四电机箱41b主要是为了保护第四电机，防止第四电机在加工过程中被切削液溅射到而发生腐蚀。

在加工过程中，主轴头41向下切削，会产生向上的切削抗力。通过第一梯形滑块41c与燕尾槽33配合连接，这种装配结构比较稳固，有利于在切削时防止主轴头41产生震动。因此在使用燕尾槽33与第一梯形滑块41c相配合，在第一梯形滑块41c末端使用压板32，通过螺钉将导轨锁死在燕尾槽33内。

数控加工刀具的直径可以为2mm-8mm。主轴41a的另一端可以设为钻夹头。由于数控加工刀具所切削的材料主要有尼龙、塑料和ABS(Acrylonitrile butadiene Styrenecopolymers，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)等易于加工的柔性制造材料，因此使用钻夹头夹持刀具可以满足加工要求。

其中，按照喷嘴数量的不同，喷头42可以是1个喷嘴的单喷头或者多个喷嘴的多喷头，例如2个喷嘴的双喷头。当喷头42为单喷头时，与连接架3的结构相对应地，参见图6，喷头42包括喷嘴42a、加热板42b、橡胶轮42c、小齿轮42d、进料管、第五电机箱42f、第二梯形滑块42g、以及第二电源插口42h。喷嘴42a与进料管连通，加热板42b套设于喷嘴42a，喷嘴42a与工作台6相对，第五电机箱42f用于存放第五电机，小齿轮42d套设于第五电机的输出轴，橡胶轮42c固定于第五电机箱42f，橡胶轮42c与小齿轮42d啮合连接，进料管的出口和喷嘴42a的入口分别靠近小齿轮42d，第二梯形滑块42g固定于第五电机箱42f的外壁，第二电源插口42h与第五电机的电流输入端电连接并露出于第五电机箱42f。

第二电源插口42h可以通过线路与电源连通。加热板42b与电源(图未示出)电连接，控制装置控制加热板42b与电源之间的线路的通断。示例性地，加热板42b上设有检测加热板42b温度的热敏电阻，热敏电阻与控制装置电连接。控制装置用于，当多功能数控设备实现3D打印机功能时，连通加热板42b与电源；并随时检测热敏电阻的阻值；当热敏电阻的阻值大于电阻阈值时，断开加热板42b与电源，并保持断开状态直到热敏电阻的阻值小于电阻阈值，这时，再连通加热板42b与电源，并以此循环，直到工作结束。当热敏电阻的阻值等于电阻阈值时，可以断开加热板42b与电源也可以连通加热板42b与电源，本实施例不作限制。这样，可以确保本设备在实现3D打印功能时，喷嘴42a的工作温度在预设范围之内。

喷头42是3D打印机的核心结构部位，与主轴头41的安装类似，喷头42的安装是通过第二梯形滑块42g与连接架3上的燕尾槽33相配合，主要起到定位和连接作用。第五电机箱42f主要是对第五电机的保护作用，第五电机箱42f上可以开有透气孔(图未示出)。第二电源插口42h安装在第五电机箱42f上，将电源线通过第二电源插口42h与第五电机连接，可以实现喷头42与主轴头41、以及激光雕刻头43的快速切换。加热板42b采用电阻丝加热方法，把喷嘴42a中通过的丝加热到半融状态。通过第一横梁23带动喷头42进行工作，料丝夹设于橡胶轮42c与小齿轮42d之间，在小齿轮42d转动时，将进料管出口输出的料丝输送至喷嘴42a的入口，通过加热板42b将喷嘴42a的料丝加热至半融状态后到达喷嘴42a进行吐丝。吐出的丝喷涂至工作台6，以逐层打印堆积来构造物体。

示例性地，喷头42还包括橡胶轮支架42i、螺栓42j和弹簧42k。橡胶轮42c可转动地固定于橡胶轮支架42i，橡胶轮支架42i通过螺栓42j固定于第五电机箱42f，弹簧42k套设于螺栓42j，且弹簧42k位于橡胶轮支架42i与第五电机箱42f之间，弹簧42k的压缩系数和、橡胶轮42c与小齿轮42d的啮合深度相配合。

通过螺栓42j、弹簧42k和橡胶轮支架42i相配合使用，调整橡胶轮42c与小齿轮42d的啮合深度(即橡胶轮42c与小齿轮42d之间的间隙)，以调节进丝的咬合力，从而调节料丝输送至进喷嘴42a的入口的速度，为橡胶轮42c与小齿轮42d配合做出丝，起到缓冲作用，防止滑丝。第五电机驱动小齿轮42d转动，小齿轮42d配合橡胶轮42c驱动料丝完成进料动作，螺栓42j是驱动橡胶轮支架42i调节橡胶轮42c的压力作用，弹簧42k是为了保持张紧力、防松的目的。

参见图7，与单喷头的相同之处在于，双喷头具有第二梯形滑块42g、以及第二电源插口42h；与单喷头的区别在于，双喷头具有两个喷嘴42a、两个加热板42b、两个橡胶轮42c、两个小齿轮42d、两个进料管、以及两个第五电机箱42f。两个第五电机箱42f分别用于存放两个第五电机。两个第五电机分别通过电线与第二电源插口42h电连接。双喷头通过第二梯形滑块42g与连接架3连接。即，双喷头是将两个单喷头组合在一起，两个单喷头共用一个第二梯形滑块42g和第二电源插口42h。这时，2个喷嘴42a的料丝的颜色可以不同，能够实现双色3D打印。

需要说明的是，当喷嘴42a的数量大于2时，比如3个喷嘴42a，其喷头42的结构可以参照双喷头的结构，对3个单喷头进行组合。

示例性地，多功能数控设备还包括用于存放料丝的料架，料架固定于设备主体1并靠近连接架3。

与连接架3的结构相对应地，参见图8，激光雕刻头43包括：激光头43a、安装箱43b、第三梯形滑块43c、以及第三电源插口43d。激光头43a用于发出激光，激光的焦距是通过调节第一立柱21或者第二立柱22转动实现的。安装箱43b用于存放激光头43a。第三梯形滑块43c与燕尾槽33相配合，压板32与第三梯形滑块43c通过锁紧螺钉34固定连接，第三梯形滑块43c固定于安装箱43b的外壁，第三电源插口43d与激光头43a电连接并露出于安装箱43b。第三电源插口43d可以通过线路与电源连通。

示例性地，参见图1，多功能数控设备还包括平行直线导轨组件7。平行直线导轨组件7包括直线导轨71、以及与直线导轨71可滑动连接的滑块72。直线导轨71与第二横梁24平行且直线导轨71的两端分别固定于设备主体1，工作台6的底部与滑块72固定连接。

平行直线导轨组件7用于支撑工作台6，并配合第二横梁24实现工作台6在第二横梁24来回滑动。

假设第一横梁23的长度方向为X轴方向，第二横梁24的长度方向为Y轴方向，第一立柱21或者第二立柱22的长度方向为Z轴方向，那么，多功能数控设备能够实现二轴联动甚至三轴联动，进而实现二轴数控机床(X轴、Y轴实现二维平面的运动)、三轴数控机床的数控加工功能(X轴、Y轴和Z轴实现三维运动)、激光雕刻设备的激光雕刻功能(X轴、Y轴实现二维平面的运动)、以及3D打印机的3D打印功能(X轴、Y轴和Z轴实现三维运动)。除此之外，该多功能设备还可以集成四轴数控机床。四轴数控机床需在三轴数控机床的基础上增加一旋转轴，A轴。基于此，示例性地，参见图9，多功能数控设备还包括四轴旋转工作台机构8。四轴旋转工作台机构8与工作台6可拆卸连接。参见图10，四轴旋转工作台机构8包括：四轴旋转工作台主体81、齿轮轴82、第一圆柱直齿轮83、第二圆柱直齿轮84、蜗杆85、涡轮86、涡轮轴、以及四轴旋转工作台88。

四轴旋转工作台主体81设有传动安装腔，齿轮轴82、第一圆柱直齿轮83、第二圆柱直齿轮84、蜗杆85、涡轮86和涡轮轴均位于传动安装腔内。电机组还包括第六电机57，第六电机57固定于传动安装腔内，第六电机57的输出轴与齿轮轴82连接，第一圆柱直齿轮83套设于齿轮轴82上，第一圆柱直齿轮83与第二圆柱直齿轮84啮合连接，第二圆柱直齿轮84套设于蜗杆85上，蜗杆85的一端可转动地固定于旋转工作台主体81，蜗杆85与涡轮86转动连接，涡轮86套设于涡轮轴，涡轮轴的一端可转动地固定于旋转工作台主体81，涡轮轴的另一端伸出传动安装腔且与四轴旋转工作台88连接，四轴旋转工作台88上设有工件安装槽。

四轴旋转工作台88的主要传动过程为，第六电机57传输动力并带动第一圆柱直齿轮83传动，第一圆柱直齿轮83带动第二圆柱直齿轮84转动，第二圆柱直齿轮84带动蜗杆85涡轮86转动，涡轮86带动四轴旋转工作台88绕A轴旋转。A轴与X轴平行。

示例性地，四轴旋转工作台机构8还包括固定于四轴旋转工作台主体81上的透明外壳。该外壳可以是有机玻璃外壳，通过有机玻璃外壳可以清楚的看到内部传动原理和机械结构，可用于在教学环节中演示。通过X轴、Y轴、Z轴和A轴联动，该多功能数控设备可以实现四轴数控机床的数控加工功能，对于加工叶轮和、风扇和圆柱凸轮等工件相对于三轴数控机床有明显的优势，减少加工制造成本，降低加工时间，提高了加工效率。

除此之外，在三轴数控机床的基础上，该多功能设备还可以集成五轴数控机床。五轴数控机床需在三轴数控机床的基础上增加两根旋转轴，A轴和B轴。基于此，示例性地，参见图11，多功能数控设备还包括五轴旋转工作台机构9，五轴旋转工作台机构9与工作台6可拆卸连接，参见图12，五轴旋转工作台机构9包括：基座91、转台座92、以及转台94。

电机组还包括第七电机和第八电机。基座91呈U型，基座91的一端设有第七电机安装腔95，第七电机位于第七电机安装腔95内，转台座92上设有第一转耳93和第二转耳，第一转耳93与第二转耳相对设置，第一转耳93与第七电机的输出轴连接，第二转耳与基座91的另一端活动连接，转台座92与第一横梁23平行，转台座92内设有第八电机安装腔，第八电机位于第八电机安装腔内，转台94安装在转台座92上且与第八电机的输出轴连接，转台94与连接架3相对，转台94上设有工件安装底座。

示例性地，转台座92嵌设于基座91，转台座92位于基座91的凹处，转台94位于转台座92的中心处。在实现时，第一转耳93通过第一转动轴与第七电机的输出轴连接。基座91的两端分别设有第一深沟球轴承和第二深沟球轴承。第一转动轴通过第一深沟球轴承与基座91活动连接，且通过联轴器与第七电机的输出轴连接。第二转耳则通过第二转动轴和第二深沟球轴承与基座91活动连接。

第七电机驱动第一转耳93转动，第一转耳93将带动转台座92绕A轴转动(可正负90°摆动)，A轴与X轴平行；即转台座92像摇篮一样在基座91的凹处摆动；而第八电机驱动转台94绕B轴旋转(可进行360°转动)，B轴与Y轴平行。这样，能够实现X、Y、Z、A和B轴五轴联动，可以将待加工工件定位到任何角度。五轴旋转工作台机构9采用摇篮式结构形式，旋转工作台的设计是固定式双轴耳轴转台设计，传动更加平稳、有利于提高精度。

五轴数控机床可以加工的零件，如：航空发动机和汽轮机的叶轮、舰艇用的螺旋推进器以及具有特殊结构的曲面的零件等，用五轴铣代替传统的三轴铣，利用刀具轴线的变化充分发挥刀具上线速度最大处加工零件的作用，可以大大提高空间自由曲面的加工精度，特别是在大型精密模具的加工中，五轴加工的优势已经越来越明显。

示例性地，该多功能数控设备还包括用于3D打印的打印平台和用于三轴铣削的压板。相对应地，工作台6上对称均布着若干螺纹孔，方便在上面通过螺钉固定用于3D打印的打印平台、用于三轴铣削的压板、四轴旋转工作台主体81和基座91。

示例性地，工作台6为可加热工作台。工作台6与电源连接。工作台6上还设有热敏电阻，热敏电阻与控制装置电连接。控制装置用于，在多功能数控设备开始工作后，连通工作台6与电源之间的线路，并实时检测热敏电阻的阻值；当热敏电阻的阻值大于预设阻值时，断开工作台6与电源之间的线路，直到热敏电阻的阻值小于预设阻值，再连通工作台6与电源之间的线路，以此循环，直到结束工作。当热敏电阻的阻值等于预设阻值时，可以断开或者连通工作台6与电源之间的线路，本实施例不作限制。这样，可以确保本设备在工作状态时，工作台6的工作温度在预设范围之内。

示例性地，参见图1，设备主体1上还设有三种颜色指示灯：第一颜色指示灯11、第二颜色指示灯12和第三颜色指示灯13，各个颜色指示灯均与控制装置电连接。第一颜色指示灯11可以是绿灯，第二颜色指示灯12可以是黄灯，第三颜色指示灯13可以是红灯。红色代表报警，绿色代表正常运行，黄色代表暂停。控制装置用于，在多功能数控设备启动时，点亮第一颜色指示灯11；在多功能数控设备暂停工作时，点亮第二颜色指示灯12；在多功能数控设备出现故障时，点亮第三颜色指示灯13。

示例性地，控制装置在多功能数控设备启动后，实时检测故障情况。当存在故障时，点亮第三颜色指示灯13。故障情况可以是电机组中已启动的电机的转动圈数超过预设圈数。

示例性地，控制装置包括：核心控制板和功能扩展板。核心控制板相当于微控制器，功能扩展板相当于微控制器的I/O接口。核心控制板通过功能扩展板与若干电机驱动器电连接。电机驱动器与电机组中电机电连接。电机驱动器的数量可以是6。比如，两个第一电机51均与第一个电机驱动器电连接；第二电机52与第二个电机驱动器电连接；第三电机与第三个电机驱动器电连接；第四电机、以及第五电机中其中一个与第四个电机驱动器电连接；第六电机57和第七电机中其中一个与第五个电机驱动器电连接；第八电机与第六个电机驱动器电连接。

示例性地，核心控制板的型号可以是Arduino Mega2560，其处理器核心是ATmega2560。电机组中第四电机可以是直流电动机，其型号可以是Y90S-4，除第四电机外的其他各个电机可以为步进电机A4988。本实施例中采用的联轴器，可以是型号为GYH1的联轴器。

示例性地，所述设备主体1上设有透明防尘罩。

示例性地，参见图1，所述设备主体1上设有手柄10。手柄10可以位于设备主体1的重心处，手柄10可以为不锈钢手柄10。由于多功能数控设备的总体体积不大，属于桌面型机械，因此安装手柄10可以方便携带，比如，可以作为教学模型方便携带到教室讲解。

本发明实施例提供的多功能数控设备功能特别丰富，有三轴数控机床、四轴数控机床、五轴数控机床，还有3D打印机和激光雕刻设备，三轴上设计连接架3，实现三轴主轴41a和3D打印的喷嘴42a快速切换，实现一机多用。为了优化设计节约制造成本，四轴的设计是将四轴数控旋转工作加在三轴工作台6上即可实现，五轴的设计也同样是将五轴数控旋转工作加在三轴工作台6上即可实现。该多功能数控设备可做为高校金工系列先进制造装备系列教学仪器之用，还可以方便创客对创意的生产加工，降低加工的难度和成本。

在具体实现时，针对该多功能数控设备的计算机程序，可以设计一个集成3D打印、激光镭雕和数控加工(包括三轴、四轴和五轴数控加工)三个功能模块的软件集成系统，该软件集成系统运行在核心控制板上。该多功能数控设备上电启动后，通过与核心控制板连接的显示屏，可以显示该软件集成系统的人机交互界面。用户基于人机交互界面，可以选择实现3D打印、激光镭雕和数控加工中的具体的功能。需要说明的是，本发明实施例不限制人机交互界面的设计。下面简单介绍一下该多功能数控设备的工作过程。

当多功能数控设备实现激光雕刻设备功能时，执行机构4为激光雕刻头43。在启动多功能数控设备之前，先将待雕刻物体放置在工作台6上，并与激光雕刻头43对准。再通过输入设备向控制装置发送激光雕刻指令，激光雕刻指令包括激光发射功率和待雕刻图形图像。控制装置接收激光雕刻指令后，依据待雕刻图形图形确定激光雕刻头43的运行轨迹；并基于激光雕刻头43的运行轨迹，确定两个第一电机51、第二电机52和第三电机的启动顺次、转动圈数、以及转动方向等；按照确定出的两个第一电机51、第二电机52和第三电机的启动顺次、转动圈数、以及转动方向等，控制两个第一电机51、第二电机52和第三电机的运行状态，从而实现激光雕刻。

当多功能数控设备实现3D打印机功能时，执行机构4为喷头42，工作台6上设有用于3D打印的打印平台，喷头42与打印平台对准。在启动多功能数控设备之前，先将料丝夹设于橡胶轮42c和小齿轮42d之间，且料丝的一端放入进料管；再通过输入设备向控制装置发送3D打印指令，3D打印指令包括3D打印参数和待打印的物体模型。3D打印参数可以包括填充密度和打印角度。填充密度的大小取决于喷嘴42a喷出料丝的速率，最终由料丝的进料速率决定。打印角度用于指示物体成型的打印方式。假若待成型物体为方块状，打印角度为45°，则打印方式可以是喷嘴42a顺次走互相平行的直线轨迹，边走边喷涂，最终堆叠为方块状，直线轨迹与方块的边框的角度即为打印角度45°。控制装置收到3D打印指令之后，基于3D打印参数和待打印的物体模型，确定喷嘴42a的行走轨迹；并基于喷嘴42a的行走轨迹确定第一电机51、第二电机52、第三电机、以及第五电机的启动顺次、转动圈数、以及转动方向等；按照确定出的第一电机51、第二电机52、第三电机、以及第五电机的启动顺次、转动圈数、以及转动方向等，控制第一电机51、第二电机52、第三电机、以及第五电机的运行状态，从而实现3D打印。

当多功能数控设备实现三轴数控机床功能时，执行机构4为主轴头41，工作台6上设有用于三轴铣削的压板。在启动多功能数控设备之前，先将待加工工件固定于压板上，并与主轴头41上的数控加工道具对准；再通过输入设备向控制装置发送三轴加工指令，三轴加工指令包括待加工成型的物体模型。控制装置收到三轴加工指令之后，基于待加工成型的物体模型，确定数控加工刀具的行走轨迹；并基于数控加工刀具的行走轨迹确定第一电机51、第二电机52、第三电机、以及第四电机的启动顺次、转动圈数、以及转动方向等；按照确定出的第一电机51、第二电机52、第三电机、以及第四电机的启动顺次、转动圈数、以及转动方向等，控制第一电机51、第二电机52、第三电机、以及第四电机的运行状态，从而实现3轴数控加工。

当多功能数控设备实现四轴数控机床功能时，执行机构4为主轴头41，工作台6上安装有四轴旋转工作台机构8。四轴数控机床功能与三轴数控机床功能类似，在此不再赘述，区别在于控制装置还要控制第六电机57。

当多功能数控设备实现五轴数控机床功能时，执行机构4为主轴头41，工作台6上安装有五轴旋转工作台机构9。五轴数控机床功能与三轴数控机床功能类似，在此不再赘述，区别在于控制装置还要控制第七电机和第八电机。

本发明实施例通过当执行机构为主轴头时，该多功能数控设备能够实现数控机床的数控加工技术；当执行机构为激光雕刻头时，该多功能数控设备能够实现激光雕刻设备的激光雕刻技术；当执行机构为喷头时，该多功能数控设备能够实现3D打印机的3D打印技术；通过喷头、主轴头和激光雕刻头三者之间的切换，能够实现各类数控设备(包括快速成型设备、数控机床、以及激光雕刻设备)的互相工作，并且，该多功能数控设备的结构较为简单，造价较低，还能够缩小体积，甚至总体体积可以与桌面型机械一样，能够适用于教学和创客加工创意等场景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多功能数控设备，其特征在于，所述多功能数控设备包括：设备主体(1)、机架、连接架(3)、执行机构(4)、电机组、工作台(6)、平行直线导轨组件(7)以及控制装置，所述机架包括第一立柱(21)、第二立柱(22)、第一横梁(23)和第二横梁(24)，所述第一立柱(21)和所述第二立柱(22)平行，所述第一立柱(21)的一端和所述第二立柱(22)的一端分别可转动地固定于所述设备主体(1)，所述第一横梁(23)包括横向丝杠(23a)、套设在所述横向丝杠(23a)上的横向滚珠螺母(23b)和两根横向光轴(23c)，所述横向丝杠(23a)和所述两根横向光轴(23c)互相平行，所述横向丝杠(23a)和两根横向光轴(23c)的两端分别可滑动地分别与所述第一立柱(21)和所述第二立柱(22)连接，所述连接架(3)包括连接架主体(31)、压板(32)、以及若干锁紧螺钉(34)，所述连接架主体(31)上设有螺母通孔(35)和光轴通孔(36)，所述连接架(3)分别通过所述螺母通孔(35)和所述光轴通孔(36)套设于所述横向滚珠螺母(23b)和所述两根横向光轴(23c)上，所述连接架(3)可滑动地安装于所述第一横梁(23)上，所述连接架主体(31)上还设有燕尾槽(33)，所述执行机构(4)通过所述燕尾槽(33)固定于所述连接架(3)，所述压板(32)靠近所述燕尾槽(33)并通过所述锁紧螺钉(34)将所述执行机构(4)压紧在所述连接架主体(31)上，所述执行机构(4)为主轴头(41)、激光雕刻头(43)和喷头(42)中的任何一种，所述主轴头(41)包括：主轴(41a)、第四电机箱(41b)、第一梯形滑块(41c)、数控加工刀具、以及第一电源插口(41d)，所述第一梯形滑块(41c)与所述燕尾槽(33)相配合，所述连接架(3)与所述执行机构(4)可拆卸连接，所述压板(32)与所述第一梯形滑块(41c)通过所述锁紧螺钉(34)固定连接，所述第二横梁(24)的两端分别可转动地固定于所述设备主体(1)，所述第二横梁(24)位于所述第一立柱(21)和所述第二立柱(22)之间，所述第二横梁(24)分别与所述第一立柱(21)、所述第二立柱(22)和所述第一横梁(23)垂直，所述工作台(6)可滑动地固定于所述第二横梁(24)，所述工作台(6)与所述连接架(3)相对设置，所述平行直线导轨组件(7)包括直线导轨(71)、以及与所述直线导轨(71)可滑动连接的滑块(72)，所述直线导轨(71)与所述第二横梁(24)平行且所述直线导轨(71)的两端分别固定于所述设备主体(1)，所述工作台(6)的底部与所述滑块(72)固定连接，所述电机组包括两个第一电机(51)、第二电机(52)、第三电机、第四电机、和第五电机，所述两个第一电机(51)的输出轴分别与所述第一立柱(21)的另一端和所述第二立柱(22)的另一端连接，所述第二电机(52)的输出轴与横向丝杠(23a)的一端连接，所述第三电机的输出轴与所述第二横梁(24)的一端电连接，所述第四电机箱(41b)用于存放所述第四电机，所述第一梯形滑块(41c)固定于所述第四电机箱(41b)的外壁，所述第一电源插口(41d)与所述第四电机的电流输入端电连接并露出于所述第四电机箱(41b)，所述主轴(41a)的一端与所述第四电机的输出轴连接，所述主轴(41a)的另一端伸出所述第四电机箱(41b)与数控加工刀具连接，所述第五电机的输出轴与所述喷头(42)连接，所述控制装置分别与所述电机组中各个电机电连接。

2.根据权利要求1所述的多功能数控设备，其特征在于，所述喷头(42)包括喷嘴(42a)、加热板(42b)、橡胶轮(42c)、小齿轮(42d)、进料管、第五电机箱(42f)、第二梯形滑块(42g)、以及第二电源插口(42h)，

所述喷嘴(42a)与所述进料管连通，所述加热板(42b)套设于所述喷嘴(42a)，所述喷嘴(42a)与所述工作台(6)相对，所述第五电机箱(42f)用于存放所述第五电机，所述小齿轮(42d)套设于所述第五电机的输出轴，所述橡胶轮(42c)固定于所述第五电机箱(42f)，所述橡胶轮(42c)与所述小齿轮(42d)啮合连接，所述进料管的出口和所述喷嘴(42a)的入口分别靠近所述小齿轮(42d)，所述第二梯形滑块(42g)固定于所述第五电机箱(42f)的外壁，所述第二电源插口(42h)与所述第五电机的电流输入端电连接并露出于所述第五电机箱(42f)。

3.根据权利要求2所述的多功能数控设备，其特征在于，所述喷头(42)还包括橡胶轮支架(42i)、螺栓(42j)和弹簧(42k)，

所述橡胶轮(42c)可转动地固定于所述橡胶轮支架(42i)，所述橡胶轮支架(42i)通过所述螺栓(42j)固定于所述第五电机箱(42f)，所述弹簧(42k)套设于所述螺栓(42j)，且所述弹簧(42k)位于所述橡胶轮支架(42i)与所述第五电机箱(42f)之间，所述弹簧(42k)的压缩系数和、所述橡胶轮(42c)与所述小齿轮(42d)的啮合深度相配合。

4.根据权利要求3所述的多功能数控设备，其特征在于，所述多功能数控设备还包括用于存放料丝的料架，所述料架固定于所述设备主体(1)并靠近所述连接架(3)。

5.根据权利要求1所述的多功能数控设备，其特征在于，所述多功能数控设备还包括四轴旋转工作台机构(8)，所述四轴旋转工作台机构(8)与所述工作台(6)可拆卸连接，所述四轴旋转工作台机构(8)包括：四轴旋转工作台主体(81)、齿轮轴(82)、第一圆柱直齿轮(83)、第二圆柱直齿轮(84)、蜗杆(85)、涡轮(86)、涡轮轴、以及四轴旋转工作台(88)，

所述四轴旋转工作台主体(81)设有传动安装腔，所述齿轮轴(82)、所述第一圆柱直齿轮(83)、所述第二圆柱直齿轮(84)、所述蜗杆(85)、所述涡轮(86)和所述涡轮轴均位于所述传动安装腔内，

所述电机组还包括第六电机(57)，所述第六电机(57)固定于所述传动安装腔内，所述第六电机(57)的输出轴与所述齿轮轴(82)连接，所述第一圆柱直齿轮(83)套设于所述齿轮轴(82)上，所述第一圆柱直齿轮(83)与所述第二圆柱直齿轮(84)啮合连接，所述第二圆柱直齿轮(84)套设于所述蜗杆(85)上，所述蜗杆(85)的一端可转动地固定于所述四轴旋转工作台主体(81)，所述蜗杆(85)与所述涡轮(86)转动连接，所述涡轮(86)套设于所述涡轮轴，所述涡轮轴的一端可转动地固定于所述四轴旋转工作台主体(81)，所述涡轮轴的另一端伸出所述传动安装腔且与所述四轴旋转工作台(88)连接，所述四轴旋转工作台(88)上设有工件安装槽。

6.根据权利要求1所述的多功能数控设备，其特征在于，所述多功能数控设备还包括五轴旋转工作台机构(9)，所述五轴旋转工作台机构(9)与所述工作台(6)可拆卸连接，所述五轴旋转工作台机构(9)包括：基座(91)、转台座(92)、以及转台(94)，

所述电机组还包括第七电机和第八电机，所述基座(91)呈U型，所述基座(91)的一端设有第七电机安装腔(95)，所述第七电机位于所述第七电机安装腔(95)内，所述转台座(92)上设有第一转耳(93)和第二转耳，所述第一转耳(93)与所述第二转耳相对设置，所述第一转耳(93)与所述第七电机的输出轴连接，所述第二转耳与所述基座(91)的另一端活动连接，所述转台座(92)与所述第一横梁(23)平行，所述转台座(92)内设有第八电机安装腔，所述第八电机位于第八电机安装腔内，所述转台(94)安装在所述转台座(92)上且与所述第八电机的输出轴连接，所述转台(94)与所述连接架(3)相对，所述转台(94)上设有工件安装底座。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的多功能数控设备，其特征在于，所述设备主体(1)上设有手柄(10)。