机械创新设计大赛模板

便携式教学用微型数控铣床设计说明书

作品名称：便携式教学用微型数控铣床 设 计 者：陈科百、乔鹏飞、张杰、严东、贾咏明

指导老师：安治国 参赛单位：重庆交通大学

便携式教学用微型数控铣床设计说明书

设计者：陈科百、乔鹏飞、张杰、严东、贾咏明

指导老师：安治国

联系人：杨钢 电话：[1**********]

摘要：以重量轻，体积小，模块化，易携带为特点，着重帮助课堂教学。提出将数控铣床

微型化，模块化，使其可拆分和组装，拆分后能装入工具箱中，仅需一人便可携带。采用透明结构，将机械传动结构凸显出来，便于教学理解。该设备性能稳定，操作简单，是效果较好的教学用具。

关键词：便携式、微型、可拆分、数控铣床、教学用具 1、 研究背景及意义

本次创新大赛的主题为“梦幻教室”，通过机械创新设计对教室环境进行改善，使老师和学生在一个更加轻松的环境内更好的交流。在课堂教学中，由于教学用具有限，学生不能直观地看到机床的结构及加工工作状态，对机床的组成及工作原理的理解难度较大。

本作品根据本届机械创新大赛的主旨要求而设计，用于教师的课堂教学演示及学生的实际操作。将数控铣床微型化，模块化。将其体积缩小到能作为教具放置在讲桌上，在课堂上现场演示加工过程。将其结构拆分成独立模块，便于拆卸，可装入工具箱中一人携带。对于教师使用，既可用于讲解铣床的组成、基本结构以及铣削加工的特点，亦可用于讲解和演示数控程序的编写以及实际操作等。对于学生使用，既可在课堂上和教师同步练习编程和操作，亦可用于科技作品小型零件加工。本作品作为教学用具，对机械设计、机电传动、金属工艺学、数控机床与编程等课程的教学有很好的辅助作用。

2、 设计方案

2.1总体设计构想

工业机床主要由机床本体、数控系统、伺服系统、润滑系统、冷却系统以及机电接口等

部分组成。为了更好地达到教学使用目的，同时尽量与企业中的机床相似，我们向工业机床靠拢，只是少了润滑冷却系统，极大地减小了和真实机床的差别。本作品主要由机床本体、数控系统、伺服系统及以及机电接口等部分组成。

为了实现机床的易拆卸和易携带的功能，我们缩小了平时常见的数控铣床的尺寸。这样就能满足老师携带其到课堂上演示讲解相关的专业类知识，加深相关专业知识的理解，增强教学质量的要求。另外，机床结构采用模块化设计，将X、Y、Z、主轴及控制箱设计成独立模块，便于拆装，可以放于工具箱中。 同时考虑到用电安全及用电方便快捷，我们接入的电压是220伏特的家用电压即市电供电，电机工作额定电压为低电压，安全可靠。此外，机床的功率不大，损耗低，实用性强。

2.2设计过程

我们初步的的构想尺寸是长宽高： 350mm*250mm*200mm 重量设计是12kg-18kg

如下图所示，是我们的初步构想的一个小模板。板材为12mm铝板。

但是后来考虑到机床过小，加工工作量也相应减小，同时某些结构会使加工难度提升，所以我们又改变了设计图纸，在保证强度硬度要求下，尽量控制机床的重量在最初的设计范围之内。

图一 初始结构图

后来经过商讨和计算，成形后的机床总重量接近25kg，拆卸后的长宽高

450mm*380mm*300mm，这样就不能满足一个人方便携带。后来经过进一步的改进、计算，我们最终确定了比较精确的图纸尺寸。如图下：

图二 最终确定模型图

图三 二维侧视图

安装好的长宽高是452mm*280mm*450mm，拆卸后的工具箱的长宽高是491mm*448mm*235mm。

图3、 理论设计计算

4 装箱图

轴平均压强计算

Fp[p]

Bd

B为轴承工作宽度

[p]为轴瓦材料的许用压强

3.1强度校核

最大挠度为：y

tIrI

48EI

22

L'3[y]

E：材料弹性模量 I：危险截面惯性矩 L'：两端面支持跨距

3

[y]：许用最大挠度 切应力为

T9.55106P/nT[T]3

WT0.2d

轴的最小直径

d 3.2 刚度校核

9.55106PPC

0.2[T]nn

T9.55106P[] 每米转矩角：GIPGIPn

G：材料剪切弹性模量 IP轴截面极惯性矩 []：每米许用转矩角

3.3电机力矩计算

1)将负载惯量转换到电机输出轴上的惯量

1BP3

JW(3)GL2

210

W:可动部分总重量[kg] BP:丝杆螺距[mm] GL;减速比 W=15kg

BP=0.5mm

GL

s

360

J15(

10.531.80.53)()2 =0.00375 2103600.0025

2)加速度



T

max

t

3)电机力矩计算

JTL



TL

uws



u:摩擦系数 s:丝杆螺距 ：传动系统效率

4、 工作原理及性能分析 4.1工作原理

本作品是用数字信息进行控制的机床。用代码化的数字信息将刀具移动轨迹信息记录在

程序介质上，然后送入数控系统经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需工件。采用Mach3数控系统，该系统为开放源码，支持win XP/win7/win 8系统，可支持G、M等数控代码。 X、Y、Z三轴采用混合同步电机及相应驱动器驱动。

在加工演示前，要分析零件图，拟定零件加工工艺方案，明确加工工艺参数，然后设计出零件图并在计算机上自动生成加工程序代码。当加工零件的几何信息和工艺信息转换为数字化信息后，输入到mach3控制系统中，经检查无误即可启动机床，运行数控加工程序数控装置自动完成数控加工程序发出的各种控制指令。铣床持续正常运转，直到加工程序运行结束，零件加工完毕为止。

图5为mastercam9.0的操作界面

图5 mastercam9.0界面

数字控制是相对于模拟控制而言的。数字控制系统或计算机数字控制系统用字长来表示不同精度信息，可进行复杂的算术运算、逻辑运算和信息处理，通过改变软件(而非电路或机械机构)实现信息处理方式和过程的转换，具有很好的柔性功能。

CNC系统方便、可靠、精度高，广泛应用于机械运动的轨迹、检测和辅助运动控制等各方面，其中，轨迹控制是机床和工业机器人的主要控制内容。

右图是mach3的操作界面

图6 mach3的操作面

4.2性能分析

1）工作台及工作台T形槽如下图所示（工作台行程400mm）

工作台示意图

2）本机床主轴采用直流48v电动机驱动，具有较宽的调速范围和较高的回转精度。主轴本身刚度与抗振性比较好，具有较高的转速，对提高加工质量和各种小孔的加工极为有利。

3）进给系统。

该系统有进给速度范围、快进(空行程)速度范围、运动分辨率(最小移动增量)、定位精度和螺距范围等主要技术参数。

4）脉冲当量(分辨率)是cNc重要的精度指标。数控机床的加工精度和表面质量取决于脉冲当量数的大小。本作品的脉冲当量是0.025mm。 5）定位精度和重复定位精度

6）安装好的外形尺寸：450mm*350mm*450mm。

拆卸之后的外形尺寸：500mm*450mm*230mm机床重量：12-18kg

4.3操作面板及其功能应用等

加工中心的操作面板由笔记本来完成，在笔记本中装有Mach3、ug实体建模及

mastercam9.0等。使用PC电脑的LPT,或USB端口作为CNC设备的输入与输出,输出脉冲与方向信号,控制步进电机或伺服电机驱动器.从而实现控制数控机床。mastercam9.0可设计出复杂的曲线、曲面零件，而且具有强大的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。其可用刀具路径实体验证功能模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查出刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况，真实反映加工过程中的实际情况。一台电脑就能完成所有的设计图纸，描绘加工图纸，控制机床加工。

5、 创新点及应用

1）机床大量采用铝材、PVC及有机玻璃等轻质材料，极大地减轻了机床的重量，达到一人能够携带的目的，也可放于课桌或讲桌上进行教学演示。

2）机床总体结构采用模块化设计，将X、Y、Z、主轴及控制箱设计成独立模块，便于拆卸。将各模块拆卸后放入工具箱中即可带走，将各模块取出安装好即可使用，满足了便携式的要求。

3）采用透明材料，将机械传动结构显露出来，使同学能更好地了解机床的主要结构及传动过程。同时安装摄像头，可通过投影设备放大其加工过程，使同学直观地看到工件加工过程，加深理解，对相关课程的教学起到良好的辅助作用。

4）实用性强：使用市电供电，达到供电方便快捷的目的。机床总功率小于1KW，耗能小。数控系统支持其它中小型数控铣床通用的G、M等代码，可临时编辑代码进行加工演示，也可通过软件生成代码，再输入数控系统中来进行加工工作。

便携式教学用微型数控铣床设计说明书

作品名称：便携式教学用微型数控铣床 设 计 者：陈科百、乔鹏飞、张杰、严东、贾咏明

指导老师：安治国 参赛单位：重庆交通大学

便携式教学用微型数控铣床设计说明书

设计者：陈科百、乔鹏飞、张杰、严东、贾咏明

指导老师：安治国

联系人：杨钢 电话：[1**********]

摘要：以重量轻，体积小，模块化，易携带为特点，着重帮助课堂教学。提出将数控铣床

微型化，模块化，使其可拆分和组装，拆分后能装入工具箱中，仅需一人便可携带。采用透明结构，将机械传动结构凸显出来，便于教学理解。该设备性能稳定，操作简单，是效果较好的教学用具。

关键词：便携式、微型、可拆分、数控铣床、教学用具 1、 研究背景及意义

本次创新大赛的主题为“梦幻教室”，通过机械创新设计对教室环境进行改善，使老师和学生在一个更加轻松的环境内更好的交流。在课堂教学中，由于教学用具有限，学生不能直观地看到机床的结构及加工工作状态，对机床的组成及工作原理的理解难度较大。

本作品根据本届机械创新大赛的主旨要求而设计，用于教师的课堂教学演示及学生的实际操作。将数控铣床微型化，模块化。将其体积缩小到能作为教具放置在讲桌上，在课堂上现场演示加工过程。将其结构拆分成独立模块，便于拆卸，可装入工具箱中一人携带。对于教师使用，既可用于讲解铣床的组成、基本结构以及铣削加工的特点，亦可用于讲解和演示数控程序的编写以及实际操作等。对于学生使用，既可在课堂上和教师同步练习编程和操作，亦可用于科技作品小型零件加工。本作品作为教学用具，对机械设计、机电传动、金属工艺学、数控机床与编程等课程的教学有很好的辅助作用。

2、 设计方案

2.1总体设计构想

工业机床主要由机床本体、数控系统、伺服系统、润滑系统、冷却系统以及机电接口等

部分组成。为了更好地达到教学使用目的，同时尽量与企业中的机床相似，我们向工业机床靠拢，只是少了润滑冷却系统，极大地减小了和真实机床的差别。本作品主要由机床本体、数控系统、伺服系统及以及机电接口等部分组成。

为了实现机床的易拆卸和易携带的功能，我们缩小了平时常见的数控铣床的尺寸。这样就能满足老师携带其到课堂上演示讲解相关的专业类知识，加深相关专业知识的理解，增强教学质量的要求。另外，机床结构采用模块化设计，将X、Y、Z、主轴及控制箱设计成独立模块，便于拆装，可以放于工具箱中。 同时考虑到用电安全及用电方便快捷，我们接入的电压是220伏特的家用电压即市电供电，电机工作额定电压为低电压，安全可靠。此外，机床的功率不大，损耗低，实用性强。

2.2设计过程

我们初步的的构想尺寸是长宽高： 350mm*250mm*200mm 重量设计是12kg-18kg

如下图所示，是我们的初步构想的一个小模板。板材为12mm铝板。

但是后来考虑到机床过小，加工工作量也相应减小，同时某些结构会使加工难度提升，所以我们又改变了设计图纸，在保证强度硬度要求下，尽量控制机床的重量在最初的设计范围之内。

图一 初始结构图

后来经过商讨和计算，成形后的机床总重量接近25kg，拆卸后的长宽高

450mm*380mm*300mm，这样就不能满足一个人方便携带。后来经过进一步的改进、计算，我们最终确定了比较精确的图纸尺寸。如图下：

图二 最终确定模型图

图三 二维侧视图

安装好的长宽高是452mm*280mm*450mm，拆卸后的工具箱的长宽高是491mm*448mm*235mm。

图3、 理论设计计算

4 装箱图

轴平均压强计算

Fp[p]

Bd

B为轴承工作宽度

[p]为轴瓦材料的许用压强

3.1强度校核

最大挠度为：y

tIrI

48EI

22

L'3[y]

E：材料弹性模量 I：危险截面惯性矩 L'：两端面支持跨距

3

[y]：许用最大挠度 切应力为

T9.55106P/nT[T]3

WT0.2d

轴的最小直径

d 3.2 刚度校核

9.55106PPC

0.2[T]nn

T9.55106P[] 每米转矩角：GIPGIPn

G：材料剪切弹性模量 IP轴截面极惯性矩 []：每米许用转矩角

3.3电机力矩计算

1)将负载惯量转换到电机输出轴上的惯量

1BP3

JW(3)GL2

210

W:可动部分总重量[kg] BP:丝杆螺距[mm] GL;减速比 W=15kg

BP=0.5mm

GL

s

360

J15(

10.531.80.53)()2 =0.00375 2103600.0025

2)加速度



T

max

t

3)电机力矩计算

JTL



TL

uws



u:摩擦系数 s:丝杆螺距 ：传动系统效率

4、 工作原理及性能分析 4.1工作原理

本作品是用数字信息进行控制的机床。用代码化的数字信息将刀具移动轨迹信息记录在

程序介质上，然后送入数控系统经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需工件。采用Mach3数控系统，该系统为开放源码，支持win XP/win7/win 8系统，可支持G、M等数控代码。 X、Y、Z三轴采用混合同步电机及相应驱动器驱动。

在加工演示前，要分析零件图，拟定零件加工工艺方案，明确加工工艺参数，然后设计出零件图并在计算机上自动生成加工程序代码。当加工零件的几何信息和工艺信息转换为数字化信息后，输入到mach3控制系统中，经检查无误即可启动机床，运行数控加工程序数控装置自动完成数控加工程序发出的各种控制指令。铣床持续正常运转，直到加工程序运行结束，零件加工完毕为止。

图5为mastercam9.0的操作界面

图5 mastercam9.0界面

数字控制是相对于模拟控制而言的。数字控制系统或计算机数字控制系统用字长来表示不同精度信息，可进行复杂的算术运算、逻辑运算和信息处理，通过改变软件(而非电路或机械机构)实现信息处理方式和过程的转换，具有很好的柔性功能。

CNC系统方便、可靠、精度高，广泛应用于机械运动的轨迹、检测和辅助运动控制等各方面，其中，轨迹控制是机床和工业机器人的主要控制内容。

右图是mach3的操作界面

图6 mach3的操作面

4.2性能分析

1）工作台及工作台T形槽如下图所示（工作台行程400mm）

工作台示意图

2）本机床主轴采用直流48v电动机驱动，具有较宽的调速范围和较高的回转精度。主轴本身刚度与抗振性比较好，具有较高的转速，对提高加工质量和各种小孔的加工极为有利。

3）进给系统。

该系统有进给速度范围、快进(空行程)速度范围、运动分辨率(最小移动增量)、定位精度和螺距范围等主要技术参数。

4）脉冲当量(分辨率)是cNc重要的精度指标。数控机床的加工精度和表面质量取决于脉冲当量数的大小。本作品的脉冲当量是0.025mm。 5）定位精度和重复定位精度

6）安装好的外形尺寸：450mm*350mm*450mm。

拆卸之后的外形尺寸：500mm*450mm*230mm机床重量：12-18kg

4.3操作面板及其功能应用等

加工中心的操作面板由笔记本来完成，在笔记本中装有Mach3、ug实体建模及

mastercam9.0等。使用PC电脑的LPT,或USB端口作为CNC设备的输入与输出,输出脉冲与方向信号,控制步进电机或伺服电机驱动器.从而实现控制数控机床。mastercam9.0可设计出复杂的曲线、曲面零件，而且具有强大的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。其可用刀具路径实体验证功能模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查出刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况，真实反映加工过程中的实际情况。一台电脑就能完成所有的设计图纸，描绘加工图纸，控制机床加工。

5、 创新点及应用

1）机床大量采用铝材、PVC及有机玻璃等轻质材料，极大地减轻了机床的重量，达到一人能够携带的目的，也可放于课桌或讲桌上进行教学演示。

2）机床总体结构采用模块化设计，将X、Y、Z、主轴及控制箱设计成独立模块，便于拆卸。将各模块拆卸后放入工具箱中即可带走，将各模块取出安装好即可使用，满足了便携式的要求。

3）采用透明材料，将机械传动结构显露出来，使同学能更好地了解机床的主要结构及传动过程。同时安装摄像头，可通过投影设备放大其加工过程，使同学直观地看到工件加工过程，加深理解，对相关课程的教学起到良好的辅助作用。

4）实用性强：使用市电供电，达到供电方便快捷的目的。机床总功率小于1KW，耗能小。数控系统支持其它中小型数控铣床通用的G、M等代码，可临时编辑代码进行加工演示，也可通过软件生成代码，再输入数控系统中来进行加工工作。