2022年机电一体化数控铣床设计方案 .docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 机电一体化毕业设计数控铣床设计2022-03-31 19:21:40 中文摘要三坐标数控铣床设计毕业设计是在原有一般铣床的基础上, 对其进行改造 , 成为三坐标数控铣床；该机床能通过三轴联动,实现曲线直线等不同的加工路线；所设计的三坐标数控铣床,三个坐标方向的移动均由步进电机带动,主轴电机采纳沟通电 机,全部电机均由单片机进行掌握；设计主要对数控铣床的机构进行设计,明白单片机的工作原理,主要有以下几个方面：X、Y,Z 工作台的传动机构设计,主要是滚珠丝杠的运用；机床整体结构的设计,明白优缺点,充分考虑主要冲突,择优选取；单片机掌握系统 的设计,

2、进一步熟识其应用；在数控机床系统中,加工精度和加工牢靠性是伺服系统打算的,本文对一般铣床的数控化 改造进行了分析和设计,通过对一般铣床的数控化改造,提高了一般铣床的加工才能和加 工范畴,节约了直接购买机床的部分资金,具有很好的经济效益； 关键词 铣床 , 数控 , 改造 , 三坐标英文摘要Three Coordinate NC Milling Machine Design Basing on the common milling machine,this thesis reconstructs it and turns it to a NC milling with three coordin

3、ate.This reconstructed machine can realize cure line and straight line machining pathway by three axis linkage；The reconstructed milling machine movements along x,y,and Z are drove by step driver,the AC motor is used in principal axis. All above motors are controlled by single chip.This thesis focus

4、es on designing the mechanism of the and mastering the single chip working principle. Which is including to the drive system design of X,Y,Z workbench , the whole machine construction design and the control system design of single chip. In a NC machine tool system, the precision and reliability of t

5、he machine tool 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - depend on the serve system. Through the reconstructing ,analyzing and designing of a common milling machine serve system, the machining ability can be improved ,and a big sum money may be saved, the company will benefit from it.

6、 Keywords Milling Machine, NC , Reconstruct, Three Coordinate 目录中文摘要 . 1英文摘要 . 2目录 . 3前言 . 1第1章 概论 . 21.1 数控机床的产生及进展 . 21.2 数控机床的组成及分类 . 21.3 数控机床的特点及应用范畴 . 4第2章 设计主要参数及基本思想 . 52.1 课题要求 . 52.2 设计原就 . 52.3 总结构设计 . 5第3章 立式数控铣床的设计和运算 . 83.1 主传动系统的设计 . 83.2 主轴系统运算 . 113.3 进给伺服系统的设计 . 133.4 进给传动的运算 . 15第

7、4章 微机掌握系统的设计 . 254.1 微机掌握系统组成及特点 . 254.2 微机掌握系统设备介绍 . 254.3 程序部分 . 29致 谢. 33参考文献 . 34前言名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 随着人工智能在运算机领域的渗透和进展,数控系统引入自适应掌握模糊系统和神经网 络的掌握机理,不但具有自动编程前馈掌握模糊掌握学习掌握自适应掌握工艺 参数自动生成三维刀具补偿运动参数动态补偿等功能,而且人机截面极为友好,并且 有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善；伺服系统智能化的主轴沟通驱动 和智能化进

8、给伺服装置,能自动识别负载并自动优化调整参数；直线电机驱动系统以使用 化；用数控铣床加工零件时,第一应编制该零件的加工程序,这是数控铣床的工作指令；将加 工程序输入数控装置,再由数控装置掌握机床主运动的变速启动停止进给运动的方 向速度和位移量,以及工件装夹和冷却润滑的开关等动作,使刀具与被加工零件以及其 它帮助装置严格依据加工工序规定的次序运动轨迹加工出符合要求的零件；三坐标数控铣床的进给运动是数字掌握的直接对象,不论点位掌握仍是连续掌握,被加工 工件的最终坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动精度灵敏度和稳固性的影响；为 此,要留意以下三点进给运动要求：1 削减运动件的摩擦力；进给系统虽有很

9、多元件,但摩擦阻力主要来自丝杠和导轨；丝 杠和导轨结构的滚动化是削减摩擦的重要措施之一；2 提高传动精度和刚度；在进给系统中滚珠丝杠和支承结构是打算其传动精度和刚度的 主要部件,因此,必需第一保证它们的加工精度；3 削减运动惯量；进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的 影响；特殊是处于高速运转的零件,其惯性的影响更大；设计是在原有一般铣床的基础上, 对其进行改造 , 成为三坐标数控铣床；该机床能通过三轴联动,实现曲线直线等不同的加工路线；所设计的三坐标数控铣床,三个坐标方向的移动均由步进电机带动,主轴电机采纳沟通电 机,全部电机均由单片机进行掌握；此设计主要对数控铣床的机

10、构进行设计,明白单片机的工作原理,主要有以下几个方面：X、Y、Z 工作台的传动机构设计,主要是滚珠丝杠的运用；机床整体结构的设计,明白优 缺点,充分考虑主要冲突,择优选取；单片机掌握系统的设计,进一步熟识其应用；名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第1章 概论1.1 数控机床的产生及进展随着社会生产和科学技术的进展,机械产品日趋精密复杂,且需频繁改型；特殊是在宇 航、造船、军事等领域所需的零件,精度要求高,外形复杂,批量小；一般机床已不能适 应这些需求；为了满意上述要求,一种新型的机床数字程序掌握机床（简称数控机 床）

11、应运而生；最早进行数控机床研制的是美国人；1952年,美国麻省理工学院胜利地研制出一套三坐标联动,利用脉冲乘法器原理的数控机床；但这台数控机床仅是一台试验性的机床,当时用的电子元件是电子管；直到1954年 11月,第一台工业用的数控机床才生产出来；从今以后,世界上其他一些工业国家也多开头开发、生产及应用数控机床；我国数控机床 的研制是从 1958年起步的； 1965年国内开头研制晶体管数控系统；从 70岁月开头,数控技 术广泛应用于车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域,数控加工中心在上海、北 京研制胜利；在这一时期,数控线切割机床由于结构简洁,使用便利、价格低廉,在模具 加工中得到了推广

12、；80岁月,我国从日本及美国、德国引进一些新技术；这使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃；1985年,我国数控机床品种有了新的进展；早期的数控机床掌握系统采纳电子管,体积大、功耗高,只在军事部门应用；只有在微处 理机用于数控机床后,才真正使数控机床得到了普及；目前数控技术的主要进展趋势是：实现高速度,搞牢靠性,高精度,大功率,多功能；采纳微处理机和微型运算机,向着增 强功能、降低造价、便利使用的目标进展；积极应用运算技术、系统工程理论和掌握技术 的最新成果,像这综合自动化方向变革；1.2 数控机床的组成及分类1.2.1 数控机床的组成数控机床的种类繁多,但从组成一台完整的数控机床上

13、讲,它由掌握介质、数控装置、伺 服系统和机床本体丝大部分以及帮助设备组成；如图（1）所示；（1）掌握介质掌握介质是指零件加工信息传送到数控装置去的信息载体；掌握介质有多种形式,它随着 数控装置的类型不同而不同,常用的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘等；另外,随着CAD/CAM技术的进展,有些数控设备利用CAD/CAM软件在其他运算机上编程,然后通过计算机与数控系统通信,将程序和数据直接传送给数控装置；（2） 数控装备 数控装置是数控机床的掌握中心；它由输入装置、掌握装置和输出装置等组成；如图（2）所示,划线框内位数控装置；输入装置受掌握介质上的信息,经过识别与译码之后,送到掌握运算器；这些信息将

14、作为 掌握与运算的原始依据；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 掌握运算器依据输入装置送来的信息进行运算,并将掌握命令输送往输出装置；输出装置将掌握器发出的掌握命令送到伺服系统,经功率放大,驱动机床完成相应的动 作；（3） 伺服系统伺服系统,亦称随动系统,是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作,从而获得精确的位 置、速度或力输出的自动掌握系统；它是数控机床的执行机构,包括驱动和执行两大部 分；伺服系统接受数控系统的指令信息,并依据指令信息的要求带动机床移动部件运动,以加工出符合要求的零件；指令信息是以脉冲信息表达的,每一

15、脉冲使机床移动部件产生的位移叫脉冲当量常用的脉冲当量为0.001mm0.01mm；从自动掌握理论的角度来分析,无论多么复杂的伺服系统,都是有一些功能元件组成的；目前数控机床的伺服系统中,常用的位移执行机构有功率步进电机、直流伺服电动机和 沟通伺服电动机,后两者都带有光电编码器等位置测量元件；（4） 机床本体机床本体是数控机床的主体,是用于完成各种切削加工的机械部分,它是在原有的一般机 床的基础上改进而得到的,具有以下特点：1 数控机床采纳了高性能的主轴及伺服系统传动系统,机械传动结构简化,传动链 较短；2 数控机床机械结构具有较高的刚度,阻尼精度及耐磨性,热变形小；3 更多地采纳高效传动部件,

16、如滚动丝杠副,直线滚动导轨等；除了上述四个主要部格外,数控机床仍有一些帮助装置和附属设备,如电器,液压,气动 系统与冷却、排屑、照明、储运等装置以及编程机、对刀块等；1.2.2 数控机床的分类（1）按掌握系统的特点分类1）点位掌握数控机床点位掌握机床的特点是只掌握移动部件的终点位置,即掌握移动部件 由一个位置到另一个位置的精确定位,而对它们运动过程中的轨迹没有严格的要求,在移 动和定位过程中不进行任何加工；2 线掌握数控机床直线掌握数控机床的特点是刀具相对于工件的运动不仅要掌握两点键的精确位置（距离）,仍要掌握两点之间移动的速度和轨迹；3 廓掌握数控机床轮廓掌握又称连续掌握,大多数数控机床具有

17、轮廓掌握功能；其特点是能同时掌握两个以上的轴,具有插补功能；4 执行机构的掌握方式分类开环掌握系统 它是指不带反馈装置的掌握系统；闭环掌握系统 它是指在机床的运动部件上安装位移测量装置,将加工中测量到的实际 位置值反馈到数控装置中,与输入值的指令相比较,用比较的差值掌握移动部件,直到差 值为零,即实现移动部件的精确定位；名师归纳总结 半闭环掌握系统它是在开环掌握系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装第 5 页,共 9 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 置；2 按工艺要求 金属切削类数控机床 金属成型类数控机床 数控特种加工机床 其它类的数控机

18、床3 按数控机床的性能分类 档数控机床 中档数控机床 高档数控机床1.3 数控机床的特点及应用范畴 1.3.1 数控机床的特点 数控机床是一个装有程序掌握系统的机床；它是一种高度机电一体化的产品；特点如下：（1）工精度高（2）工生产率高（3）减轻劳动强度、改善劳动条件（4）良好的经济效益（5）有利于生产治理的现代化 1.3.2 数控机床的应用范畴 从最经济的方面动身,数控机床适用于加工：（1）多品种小批量零件；（2）结构较复杂,精度要求较高的零件；（3）需要频繁改型的零件；（ 4）价格昂贵,不容许报废的关键零件；（5）需要小生产周期的急需零件；第2章 设计主要参数及基本思想2.1 课题要求2.

19、1.1 题目名称（包括主要技术参数）及技术要求立式升降台数控铣床（1）Z 轴的行程分别为 300 、300、250mm；（2）进给精度 0.01mm ；（3）X、Y、 Z 轴快速进给速度分别为 6 、6、 3m/min；（4）工作台面尺寸 300x500mm；（5）脉冲当量 0.01mm/ 步；名师归纳总结 （6）重复定位精度 0.01mm. 第 6 页,共 9 页2.1.2 课题内容及工作量1 简易数控铣床总图A0一张2 X-Y工作台部件图A1一张- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 3 部分零件图折合A1一张4 轴部件图 A0一张 5 掌握原理图设计

20、A0一张 6 计说明书一份 2万字以上 7 翻译 5000汉字 8 上机编程 100句以上注：全部图纸用运算机绘制,说明书由运算机输出；2.2 设计原就依据设计要求和铣床的详细情形,课题的基本设计方案如下：（1）机床采纳连续掌握系统,定位方式采纳增量坐标掌握；（2）考虑到机床加工精度要求不高,为了简化结构,降低成本,采纳步进电机开环伺服系 统驱动；（3）进给传动的设计是机床设计的重点,数控机床必需有精确的进给传动系,才会有高的 精度和表面质量；考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选用,为达到辨论率 0.01mm的 要求,需采纳齿轮降速传动,利用电子掌握系统排除误差；（4）为了保证肯定的传动精度

21、和平稳性,又要求机构紧凑,所以选用丝杠螺母副；为提高 传动刚度和排除间隙,采纳有预加载荷的结构；（5）传动系统要加上脉动装置；以上为基本的设计方案,除了这些,课题应留意机床的几何精度的修正,数控指令的 显示和使用等；2.3 总结构设计 2.3.1 数控机床的机构设计要求 数控机床的结构设计要求主要有以下方面 : （1）有良好的抗振性能和很大的额定切削功率、高的静、动态刚度；（2）有较高的热稳固性和较高的几何精度、传动精度、定位精度；（3）有数控系统及其介质；下面我们详述数控机床结构设计的主要要求2.3.2 提高机床的结构刚度机床的刚度是指切削力和其它力作用下, 抗击变形的才能；机床在切削过程当

22、中,要承担各种外力的作用,承担的静态力有运动部件和被加工零件的自重；承担的动态力有：切削 力、驱动力、加减速时引起的惯性力、摩擦阻力等；组成机床的结构部件在这种力作用下 将产生变形；如固定连接表面或啮合运动表面的接触变形；各支撑零件不得弯曲和扭转变 形,以及某些支撑件的局部变形等,这些变形都会直接或间接的引起刀具和工件之间的相 对位移,从而导致工件的加工误差,或者影响机床切削过程的特性；1 挑选及布置隔板和筋条床身的静刚度是直接影响机床的加工精度和其生产率的主要因素之一；而静刚度及固有频名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - -

23、- 率,是影响动刚度的重要因素；支承件的隔板和筋条的合理性,可提高构件的静、动刚 度；2 结构刚度与一般机床相比,数控机床应有更高的静、动刚度,更好的抗振性；机床的导轨和支 承件往往是局部刚度最弱的部分,在本次设计中,采纳双臂联接形式,X、 Y轴导轨较窄；3 采纳焊接结构的构件采纳钢板和型钢而不采纳铸件的缘由：1）钢的弹性模量约为铸铁的两倍,因此采纳钢板焊接结构床身有利于提高固有频率；在形 状和轮廓尺寸相同的前提下,如要求焊接件与铸件的刚度相同,就焊接件的臂厚只需铸件 的一半；2）假如要求局部刚度相同,因局部刚度与臂厚的三次方成正比,所以焊接件的臂厚只需铸 件的 80%左右；3）钢可以提高构件

24、的谐振频率使共振不易发生；4）钢板焊接能将构件做成全封闭的箱形结构,提高刚度；焊接结构床身的突出优点是制造周期短,一般比铸铁快1.7-3.5倍；省去了制作木模和铸造工序,不易出废品；焊接结构设计敏捷,便于产品更新、改进结构；焊接件能达到与铸件相同,甚至更好的结构特性,可 提高抗弯截面惯性矩,削减质量；合理的结构布局可以提高刚度,机床的工作头部分由于重力作用将会使机床立柱产生弯曲 变形,切削力将使立柱产生弯曲和扭转变形；这些变形将影响到加工精度；故本次设计中 将实行通过在立柱上方安装两组定滑轮来平稳重力的方法,来削减立柱的变形,提高机床 的刚度；2.3.3 提高进给运动的平稳性和精度 数控机床各

25、坐标轴进给运动的精度极大的影响零件的加工精度；在开环进给系统中运 动精度取决于系统各组成环节,特殊是机械传动部件的精度；在闭环和半闭环进给系统 中,位置监测装置的辨论率对运动精度有打算性的影响,但是机械传动部件的特性对运动精度也有肯定的影响；通常在开环进给系统中,设定的脉冲当量为0.01mm时,实际的定位精度最好的情形也只能达到 0.025 ；在闭环进给系统中,设定的脉冲当量（或称最小设定单位）一般为 0.001mm,实际上定位精度只能达到0.003mm,当指令进给系统做单步进给（即每次移动 0.001mm）时,开头一两个单步指令,进给部件并不动作,到第三个单步指令时才 突跳一段距离,以后又如此重复；这些现象都是由于进给系统的低速爬行现象引起的,而 低速爬行现象又打算于机械传动部件的特性；名师归纳总结 本设计实行的方案有：（1）削减静、动摩擦系数之差（2）提高系统的传动刚度；第 8 页,共 9 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 9 页