机电一体化毕业设计_数控铣床设计.doc

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1、机电一体化毕业设计数控铣床设计 (2009-03-31 19:21:40)中文摘要 三坐标数控铣床设计 毕业设计是在原有普通铣床的基础上,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，主轴电机采用交流电机，所有电机均由单片机进行控制。设计主要对数控铣床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，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，了解优缺点，充分考虑主要矛盾，择优选取；单片机控制系统的设计，进一步熟悉其应用。在数控机床系统中，加工精度和加工可靠

2、性是伺服系统决定的，本文对普通铣床的数控化改造进行了分析和设计，通过对普通铣床的数控化改造，提高了普通铣床的加工能力和加工范围，节省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 coordinate.This reconstructed machine

3、 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 focuses on designing the mechanism

4、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 the machine tool depend on the s

5、erve 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. Keywords Milling Machine, NC , Reconstruct, Three Coordinate 目录中文摘要. 1英文摘要. 2目录. 3前言.

6、1第1章 概论. 21.1 数控机床的产生及发展. 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围. 4第2章 设计主要参数及基本思想. 52.1 课题要求. 52.2 设计原则. 52.3 总结构设计. 5第3章 立式数控铣床的设计和计算. 83.1主传动系统的设计. 83.2 主轴系统计算. 113.3 进给伺服系统的设计. 133.4 进给传动的计算. 15第4章 微机控制系统的设计. 254.1 微机控制系统组成及特点. 254.2 微机控制系统设备介绍. 254.3 程序部分. 29致 谢. 33参考文献. 34 前言 随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控

7、系统引入自适应控制模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程前馈控制模糊控制学习控制自适应控制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交流驱动和智能化进给伺服装置，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，首先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，再由数控装置控制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辅助装置严格按照加工工序规定的顺序运

8、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控制的直接对象，不论点位控制还是连续控制，被加工工件的最后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定性的影响。为此，要注意以下三点进给运动要求：(1) 减少运动件的摩擦力。进给系统虽有许多元件，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减少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决定其传动精度和刚度的主要部件，因此，必须首先保证它们的加工精度。(3) 减少运动惯量。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。尤其是处于高速运转的零件，其惯性的影响更大。

9、设计是在原有普通铣床的基础上,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，主轴电机采用交流电机，所有电机均由单片机进行控制。此设计主要对数控铣床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，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，了解优缺点，充分考虑主要矛盾，择优选取；单片机控制系统的设计，进一步熟悉其应用。 第1章 概论1.1 数控机床的产生及发展随着社会生产和科学技术的发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型。特别是在宇航、造船、军事等领域所需

10、的零件，精度要求高，形状复杂，批量小。普通机床已不能适应这些需求。为了满足上述要求，一种新型的机床数字程序控制机床（简称数控机床）应运而生。 最早进行数控机床研制的是美国人。1952年，美国麻省理工学院成功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。从此以后，世界上其他一些工业国家也多开始开发、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年国内开始研制晶体管数控系统。从70年代开始，数控技术广泛应用于车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域，

11、数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结构简单，使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代，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发展。 早期的数控机床控制系统采用电子管，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发展趋势是：实现高速度，搞可靠性，高精度，大功率，多功能；采用微处理机和微型计算机，向着增强功能、降低造价、方便使用的目标进展；积极应用计算技术、系统工程理论和控制技术的最新成果，像这综合自动化

12、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讲，它由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体丝大部分以及辅助设备组成。如图（1）所示。 （1）控制介质控制介质是指零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，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技术的发展，有些数控设备利用CAD/CAM软件在其他计算机上编程，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控制中心。它由输入装置、控制装置和输出装置等组成。

13、如图（2）所示，划线框内位数控装置。输入装置受控制介质上的信息，经过识别与译码之后，送到控制运算器。这些信息将作为控制与运算的原始依据。控制运算器根据输入装置送来的信息进行运算，并将控制命令输送往输出装置。输出装置将控制器发出的控制命令送到伺服系统，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控制系统。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，并按照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体现的，每一脉冲使机

14、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)。从自动控制理论的角度来分析，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、直流伺服电动机和交流伺服电动机，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，它是在原有的普通机床的基础上改进而得到的，具有以下特点：1) 数控机床采用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) 更多地采用高效传动部件，如

15、滚动丝杠副，直线滚动导轨等。除了上述四个主要部分外，数控机床还有一些辅助装置和附属设备，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）按控制系统的特点分类1）点位控制数控机床点位控制机床的特点是只控制移动部件的终点位置，即控制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) 线控制数控机床 直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动不仅要控制两点键的准确位置（距离），还要控制两点之间移动的速度和轨迹。3) 廓控制数控机床 轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床具

16、有轮廓控制功能。其特点是能同时控制两个以上的轴，具有插补功能。4) 执行机构的控制方式分类 开环控制系统 它是指不带反馈装置的控制系统。 闭环控制系统 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，用比较的差值控制移动部件，直到差值为零，即实现移动部件的精确定位。 半闭环控制系统 它是在开环控制系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置。(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围1

17、.3.1 数控机床的特点 数控机床是一个装有程序控制系统的机床。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） 有利于生产管理的现代化1.3.2 数控机床的应用范围从最经济的方面出发，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2.1.1 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、3

18、00、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；（6）重复定位精度 0.01mm.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(3) 部分零件图折合A1一张(4) 轴部件图A0一张(5) 控制原理图设计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：全部图纸用计算机绘制，说明书由计算机输出。2.2 设计原则根据设计要求和铣床的具体情况，课题的基本设计方案如下：（1）机

19、床采用连续控制系统，定位方式采用增量坐标控制。（2）考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用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，数控机床必须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，为达到分辨率0.01mm的要求，需采用齿轮降速传动，利用电子控制系统消除误差。（4）为了保证一定的传动精度和平稳性，又要求机构紧凑，所以选用丝杠螺母副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。（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，课题应注意机床的几何精度的修正，数控指令的显示和使用等。2.3

20、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）有较高的热稳定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,抵抗变形的能力。机床在切削过程当中，要承受各种外力的作用，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重；承受的动态力有：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

21、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) 选择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 与普通机床相比，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，采用双臂联接形式，X、Y轴导轨较窄。(3) 采用焊接结构的构件 采用钢板和型钢而不采用铸件的原因：1）钢的弹性模量约为铸铁的

22、两倍，因此采用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，则焊接件的臂厚只需铸件的一半。2）如果要求局部刚度相同，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。焊接结构设计灵活，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，减少质量。合理的结构布局可以提高刚度，机床的工作头部分由

23、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。故本次设计中将采取通过在立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力的方法，来减少立柱的变形，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，特别是机械传动部件的精度；在闭环和半闭环进给系统中，位置监测装置的分辨率对运动精度有决定性的影响，但是机械传动部件的特性对运动精度也有一定的影响。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况也只能达到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，开始一两个单步指令，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。这些现象都是因为进给系统的低速爬行现象引起的，而低速爬行现象又决定于机械传动部件的特性。 本设计采取的方案有：（1）减少静、动摩擦系数之差（2）提高系统的传动刚度。