数控雕刻机

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数控雕刻机
  • 仪器名称:数控雕刻机
  • 生产厂家:济南瑞克数控设备有限公司
  • 出厂日期:2015年1月20日
  • 进给轴:XYZ(三轴)
  • XYZ轴行程:385mm×400mm×220mm
  • 主轴最大功率:2.2kW
  • 主轴最大转速:24000rpm
  • G0指令运动速度:8m/min
  • 最大加工速度:6m/min
  • 主轴冷却水管、切削液管内径、外径:6mm、8mm
  • HOME开关方向:XMIN、YMIN、ZMAX
  • 限位开关:

结构

电气系统

控制柜在机床左侧,柜门上是急停开关和电源开关。
急停开关按下后顺时针转动即可解除
控制柜中有直流电源、三个步进电机驱动器
和主轴电机变频器
控制柜后方为散热风扇、电源接口和专用并行接口 M542步进电机驱动器说明书
雕刻机控制柜位置 雕刻机控制柜内部 雕刻机控制柜后部 纳川科技M542步进驱动器说明书.jpg

主轴电机变频器为贝士德FC300 2.2kW中文说明书中文PDF说明书英文说明书),步进电机驱动为纳川科技M542

TODO:画电气原理图

机械系统

  • 进给传动为滚珠丝杆,导程为10mm
  • 步进电机型号为86BYG450A
    • 最大电流4A[1],即在48V电压下功率不会超过192W,
    • 最大静转矩21kg·cm[1]=2.058N·m
    • 步距角1.8°
    • 驱动器设定在16细分,故进给分辨率为320steps/mm
  • X、Y轴运动回程差约为10μm,见数控雕刻机回程差测量‎

附件

刀具装夹

ER20夹头螺母,注意偏心椭圆棱 1/8'、4mm、6mm柄径ER 20夹头 螺母与6mm夹头配合状态。
向某个方向掰动夹头即可将其取出
装夹了柄径1/8'铣刀
ER20夹头螺母 ER20夹头螺母 ER20夹头螺母 ER20夹头螺母

润滑

注油器
注油器

压下注油器的手柄即可将润滑油注入各个润滑部位,注油器中加20#机油[2]。20#是旧牌号,对应新牌号是32号[3]这里有T32号导轨油,但润滑油还会注入丝杠,故决定在这里购买20#通用机油。

机油在运输途中会渗出桶盖打湿包裹纸箱,快递会以担心污染其他包裹为由不给派送。建议之后就近购买机油及类似产品。今天去西二旗把油取回来加进了注油器,剩下的油放在雕刻机底座内部的空间里。

——王若溪讨论) 2015年5月27日 (三) 23:52 (CST)

主轴电机冷却

主轴电机冷却水桶和水泵 主轴电机顶部的冷却水出入口
主轴电机冷却水桶和水泵 主轴电机顶部的冷却水出入口

切削液供给和回收

切削液管,图示阀门状态为关断
管子另一端用水泵供给切削液
回收切削液用的水槽 工作台右后方的漏液口
切削液管,图示阀门状态为关断 水槽 漏液口

基本概念

工作台

机床上表面带有T型槽的金属板为工作台,用于固定待加工物。工作台的表面平整度、与进给轴的平行度都有较高要求,禁止刀具切削工作台

主轴

主轴是工作台上空圆柱形的电动机。主轴带动刀具转动,产生主切削运动。

进给运动

主轴可以相对工作台任意平动,这种平动称为进给运动。进给运动又称为副切削运动。

机械坐标和工件坐标

“ROKO”接近开关
机械坐标
固连在工作台上的直角坐标系,原点位置由三个山寨RiKO SN04-N电感式金属接近开关(在误差范围内)唯一确定。面对雕刻机正面站立时,机械坐标X轴指向右侧,Y轴指向远离自己的方向,Z轴指向正上方。由于Y轴进给是工作台移动,所以向Y+方向进给时工作台向Y-(靠近自己)方向运动。
工件坐标
工件坐标的原点可以在机床运动范围内任意确定,三个坐标轴方向与机械坐标相同。数控程序通常使用工件坐标确定进给轨迹。

G代码

主条目:Wikipedia:G-code

G代码是一种告诉数控机床怎样制造零件的语言。它是一种命令式编程语言,通过告诉机床移动到哪里、以多快的速度移动、用哪一种轨迹移动等等来定义制造的过程。

操作

生成数控程序

ArtCAM中生成G代码

目前已知NCStuidio支持的G代码可以由ArtCAM生成,具体选项如右图。

开机

  1. 打开控制计算机主机、显示器电源,启动NCStudio软件
  2. 按下雕刻机电源开关
  3. 开主轴电机冷却水泵,检查冷却水流动情况
  4. 若本日首次开机,压下润滑油注油器手柄一次,向润滑部位加注润滑油
  5. 在NCStudio中进行回机械原点操作,操作前对可能的碰撞予以排除
  6. 手动让每个进给轴在全行程内运动1~2个来回

工件装夹

压板的使用方法
  1. 将垫材置于工作台正中
  2. 将待加工工件置于垫材之上
  3. 用至少4套压板将工件固定在工作台上
  4. 检查工件装夹是否牢靠
  5. 寻边,设置工件原点:
    1. 沿精确设置原点的进给轴移动主轴,直到刀具将要接触工件
    2. 启动主轴
    3. 切换到单步移动,步距0.01mm或0.05mm
    4. 单步移动直到旋转中的刀具接触工件,此时会听到轻微的响声
    5. 将该轴工件坐标归零或者记录当前机械坐标
    6. 移动该轴使刀具离开工件,注意确认移动方向正确

换刀

  1. 断开雕刻机电源,以确保主轴电机停止
  2. 移动主轴到便于换刀的位置,将软材料置于刀具正下方,避免刀具掉落时损伤切削刃
  3. 用小扳手固定住主轴,用大扳手顺时针(从上往下看)转动夹头螺母,注意扳手不要撞到切削刃
  4. 若需要更换夹头,将夹头螺母完全拧下后更换夹头,清除夹头和夹头螺母中的异物
  5. 检查待装夹刀具切削刃是否完好
  6. 将夹头和螺母装上主轴
  7. 将待装夹刀具插入夹头的孔内,根据实际情况尽量深入(但刀具的圆柱部分不能完全插入),用手拧紧螺母。此步骤与上一步不可颠倒:不可先插刀具再将螺母装上主轴
  8. 用两个扳手拧紧螺母,注意不要太用力,同样注意扳手不要撞到切削刃
  9. 确认扳手离开主轴,打开雕刻机电源
  10. 重新对刀,设定工件原点Z坐标

运行数控程序

  1. 确认以下工作
    1. 刀具装夹牢靠
    2. 工件原点设置正确,尤其是换刀后工件原点的Z坐标
    3. 工件装夹牢靠
    4. 数控程序装载正确
  2. 在NCStudio中将进给倍率调整至30%左右,启动数控程序
  3. 确认运行无异常后将进给倍率调整至正常值
  4. 运行过程中410必须有人

关机

  1. 回机械原点
  2. 卸下刀具,夹头螺母允许留在主轴上
  3. 关闭雕刻机
  4. 关闭雕刻机控制电脑,此步骤与前一步不可颠倒

工艺参数

碳纤维板材切割

  • 不可以使用切削液,除非不关心零件机械性能
  • 使用1.5mm直径的玉米铣刀,主轴转速15000r/min,进给率10mm/s,切深0.5mm,不需斜向下刀
  • 考虑到板材的翘曲以及厚度误差,总切深需要比板材厚度大一些,一般为0.3mm。同时为了避免零件在切削最后一层之前脱落,最后一层的切深可以略多一些
  • 为了避免切削工作台,需要在待加工板材下加垫另外的板材。亚克力板是便宜又好用的垫材

铝合金

  • 建议使用切削液
  • 若使用2mm直径的双刃铣刀,主轴转速15000r/min,进给率500mm/min,切深0.4mm,需要斜向下刀,角度约2°
  • 机床Y轴刚度稍差,建议粗加工时沿X方向铣削

门禁电磁铁安装板

  • 操作者:王若溪讨论) 2015年10月22日 (四) 21:51 (CST)
  • 加工内容:8mm厚铝合金板开5mm宽贯通槽
  • 刀具:直径1/8英寸,刃长15mm,单刃螺旋
  • 建议参数:切深1.3mm,行距30%刀具直径,进给40英寸/分钟,主轴15000r/min,5°斜向下刀

ArtCAM软件给出的建议是切深2.54mm,行距30%刀具直径,进给40英寸/分钟,主轴15000r/min。第一次加工更改切深至1mm,感觉没效率;第二次用默认切深,不一会儿断刀;第三次更改切深至1.5mm,最终生成路径切深为1.3mm。

门禁电磁铁安装板2

  • 操作者:王若溪讨论) 2015年10月28日 (三) 08:53 (CST)
  • 加工内容:8mm厚铝合金板开5.5mm宽贯通槽
  • 刀具:直径4mm,刃长15mm,单刃螺旋
  • 建议参数:切深1.3mm,进给率17mm/s,主轴1500r/min,5°斜向下刀

除切深外其他参数均用ArtCAM对3mm直径铣刀的默认值。加工过程中也许因为主轴固定装置刚度不足,主轴振动幅度很大。加工面(侧面)粗糙度可能达0.1mm,但不影响使用。

改装记录

外壳接地

外壳接地

购回后发现机床外壳和电源插座的地线未连接,解决之。

更换为基于LinuxCNC的数控系统

  • 使用带有Intel D525 CPU的Mini ITX主板(配有机箱)
  • 使用一个简单的并口控制卡
  • 把左侧的台灯换成显示器支架,支架上挂有显示器和键盘。
  • 增加了LHB04 USB有线手轮,LinuxCNC支持这款手轮,但需要参照example在机床配置文件里添加配置。

用冷水机冷却主轴电机

之前主轴冷却是用一桶自来水。桶内有潜水泵将水泵至主轴电机,主轴中的水经回水管流入桶内。这样有几个缺点:

  1. 一段时间后水会干,需要加水
  2. 桶内会落灰,同时自来水会结水垢,堵塞水管
  3. 稍有不注意,回水管会从桶里跳出来,把水弄得满地都是

所以现在改用加注蒸馏水的冷水机激光切割机中常用它冷却激光管)组成主轴冷却水循环。更换后发现虽然水流正常,冷水机仍嫌水流量太少并始终报警。用水管直接连接出水口和回水口不会报警,所以应该是整个水路阻力太大。按照卖家指示短接了流量计的线,取消了流量报警功能。也许等管路被冲刷一段时间以后水路里的阻力会小一些。

增加平口钳、3D探针

顾兆元购买了:

  • 手动8寸平口钳
    • 非常精密的夹具,夹紧以后接触面看不出来缝隙
  • 3D探针
    • 非自动,需要人为读数

增加自动对刀

王若溪购买了一个电子对刀器,等待安装

改装计划

  1. 更换工作台
    1. 订做铸铁T槽工作台
    2. 安装,调整平行度
    3. 用无色透明亚克力制作工作台护栏
  2. 逐步将XYZ轴进给驱动更换为无刷伺服电机
    1. 与86步进电机尺寸相似的伺服电机是80伺服电机。可能需要自己制作转接座
    2. 可以购买的淘宝店有[4][5][6][7]
    3. 购买电机时注意考虑丝杠的力矩、转速等参数
  3. 将主轴更换为可以安装锥柄铣刀的铣床动力头
    1. 顺便解决现有主轴固定刚度不够的问题
    2. 锥柄铣刀换刀更方便快速
    3. 为增加自动换刀系统做准备
    4. 留下安装打刀器[8]的空间
  4. 增加自动换刀系统
    1. 目前看来最优的方案是在Y+极限处放一排固定刀架

参考文献