XK5040数控立式铣床及控制系统设计-外文翻译

附 录 控制系统设计 摘要 ： 本 文根据立式铣床工作要求及加工特点，对 其能满足高效、经济等要求。 数控机床是一种高技术设备 ,它可以通过改变数控程序 ,适应不同零件的自动加工 ,而且可以采用较大的切削用量 ,利用软件进行精度校正和补偿 ,从而提高生产效率、加工精度和加工质量 ,可以实现工序集中、一机多用 ,能完成复杂型面的加工。数控机床是现代制造业的关键设备 ,一个国家的数控机床的产量和技术水平在某种程度上反映了这个国家的制造业 水平和竞争力。因此数控机床是将来机床研制的重点。本文针对经济型数控立式铣床及其控制系统的设计作简要的讨论。 数控铣床是机械和电子技术相结合的产物，它的机械结构随着电子控制技术的在铣床上的饿应用，以及铣床性能提出的新要求，而逐步变化。与不同铣床相比数控铣床用三个数控伺服系统替代了传统的机械进给系统，其外形和结构与普通铣床类似。数控铣床的设计主要是进行主运动系统与进给系统的机械结构设计和控制系统设计。下面分别作简单介绍。 一、总体方案设计 本文主要是针对经济型数控立式铣床进行设计，为了锻炼自己的机床设 计的能力，这里主运动系统采用常规机床设计的方法，即采用齿轮变速系统来实现主轴的变速。进给系统采用步进电机开环控制，经过齿轮传动带动滚珠丝杠传动，通过滚珠丝杠螺母副时间进给运动。控制系统采用 二、主运动系统设计 由于这里采用齿轮变速系统来实现主轴的变速， 选定公比，确定各级传送机床常用的公比 为 虑适当减少相对速度损失，这里取公比为 =据给出的条件：主运动部分 Z=18 级，根据标准数列表，确定各级转速为：（ 30， 60， 75， 95， 118， 150， 190， 235， 300， 375， 475， 600，750， 950， 1180， 1500R/根据“前多后少”、“前密后疏”的原则确定其结040 数控立式铣床及控制系统设计 论文 1 构式为 18=13 1、传动比的分配 由于齿轮传动比的限制，机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比： a, 升速传动中，最大传动比 2 ，过大，容易引起振动的噪音。 b, 降速传动中，最小传动比 1/4。过小，则主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大将导致结构庞大。 分配最小传动比 a,决定轴 的传动比，根据台式铣床的结构特点，及对同类车床的比较，为使传动平稳取其传动比为 1， b,决定各变速组的传动比； 由 前面 2轴的转速及中间轴转速的分析，及齿轮传动比的现在，根据“前缓后急”的原则，取轴 ， =4，轴 2、主运动系统的机械结构设计 这里采用齿轮变速系统 ,这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩 大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位拨叉实现。 着与普通机床的设计一样。 数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有直接影响。由于加工过程中不对数控机床进行人工调整，因此这些影响就更为严重。 机床主轴采用 双列和单列圆锥滚子轴承 ， 这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限制了主轴的最高转速和精度，因此使用中等精度、低速与重载的数控机床。在主轴的机构上，要处理好 卡盘和刀架的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、 主轴部件的润滑和密封以及工艺上的其他一系列问题。为了尽可能减少主轴部件温升热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油的循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度。在某些数控镗、铣床上采用专用的制冷装置，比较理想的实现了温度控制。近年来，某些数控机床的主轴轴承采用高级油脂，用封入方式进行润滑，每加一次油脂可以使用 7年至 10年。为了使润滑油和油脂不致混合，通常采用迷宫密封方式。 三、 进给系统设计 通常，一个典型的数控机床进给系 统，由位置比较，放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成。其中，机械传动装置是位置控制中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链，包括齿轮装置、丝杠螺母副等中间传动机构。 040 数控立式铣床及控制系统设计 论文 2 齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一是使滚珠丝杠和工作台的转动 惯量在系统中专有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。 为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。 这里进给系统采用步进电机开环控制，由滚珠丝杠螺母副来实现 ，纵向和横向进给采用 130步进电机驱动，经圆柱齿轮传动带动滚珠丝杠传动，通过丝杠螺母机构来实现；垂直方向进给运动由 150圆锥齿轮带动滚珠丝杠传动。纵向 和横向齿轮可采用斜齿轮弹簧调整法来消除齿轮间隙；垂直方向的齿轮间隙可采用圆锥齿轮周向弹簧调整法来消除。 为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传动效率高达 85%是普通滑动丝杠副的 2珠丝杠副的摩擦角小于 1 ，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。 滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加 预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造。 我们根据载荷选用即可。 四、控制系统硬件设计 根据 经济性和 机械结构的控制要求， 式铣床控制系统选用 向、横向及垂直方向均采用步进电机控制，三个坐标均采用硬件环形分配器，控制系统的功能包括 X 向、 Y 向、 Z 给伺服运动； 键盘显示； 面板管理 ； 行程控制 和 其他功能、例如光隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示 等。这里我们选用 8031 芯片作为 由于 8031 芯片内部无程序存储器，需要扩展外部程序存储器支持，同时 8031内部只有 128不能满足控制系统的要求，故需要扩展程序存储器 2764和数据存储器 6264各两片 。8031 单片机共有四个位并行 I/O，但可供用户使用的只有1能满足输入输出口的需要，因此系统必须扩展输入输出接口电路。这里根据系统功能及需要 ,扩展一片 8155 和一片 8255 可编程接 I/O 口芯片 。另外还需设计一些 辅助电路 如越界报警和急停处理电路、 复位电路、光电隔离电路、 脉冲 分配器（环形分配器） 等。 整个设计过程中，都是根据 数控立式铣床 的实际情况，以 高效 、经济为目的，使我们设计的 铣床 应用于实际，具有实际利用价值。 040 数控立式铣床及控制系统设计 论文 3 he is is is by of 1. he is so on to As is As a of of to be to to by up is as to to to on up 2. of by in We in in of to we K 5040 数控立式铣床及控制系统设计 论文 4 to is so on of of In D, so on D, D, D, D on We AD in M AD AD/AM I) on C in on of to At to on on C G, on an on in to l to is an (on as of oK 5040 数控立式铣床及控制系统设计 论文 5 do to to to in to of to he by in in as to to on to to a by of 3. of by to be as is as by NC on to On as a in is is it a by of 4. on of so on to to in to 1on K 5040 数控立式铣床及控制系统设计 论文 6 J. 1,999, 18 (1): 14l 144. 2Du ,M)/AM J. 1998, 28 (5): 5155. 3, on . to 1,999, 28 (2): 12 040 数控立式铣床及控制系统设计 论文 7 数控机床开环控制伺服系统 开环系统的优点是系统简单、成本低，但缺点是精度 不高 。反向间隙、丝杠螺距误差、起停误差等都会影响定位精度。下面几种改进措施可以使定位精度明显改善。 1 反向间隙误差补偿 数控机床加工刀具与工件的相对运动是依靠驱动装置带动齿轮、丝杠转动，从而推动工作台面等移动部件产生位移来实现的。作为传统元件的齿轮、丝杠尽管制造精度很高，但总免不了存在间隙。由于这种间隙存在，当运动的方向改变时，开始段时间必然会引起驱动元件的空走，出现指令脉冲推不动执行元件的局面。这就影响了机床的加工精度， 即指令脉冲与实际进给步数不相符合，产生加工误差 因此，开环数控系统一般都设置有反向间隙误差补偿功能，用以补足空走的步数反向间隙差补偿就是首先实测反向进给的误差，把它折算成脉冲当量数，作为间隙补偿子程序的输出量，当计算机判断出现的指令为反向运动时，随即调用间隙补偿子程序，通过输出补偿脉冲消除反向间隙后再进行正常的插补运行 。 2 常值系统性定位误差补偿 类库以供设计者调用。这样在零件的设计阶段，设计者只需输入特征的参数，系统直接生成特征的实例模型：在数据库中我们必须存储相关的特征类的结构信息，数据库表集 就是用于存储这一部分的相关信息。根据特征类型定义的需要，我们定义了特征类编码表、特征类版本信息表表示特征类型；定义了特征类构造表表达特征类的结构；并通过零件特征配置表与零件的特征层信息联系起来。特征层数据表集是本零件模型数据库设计的核心，记录了特征实例模型的设计、工艺等信息。特征构造表记录了特征的几何结构；特征尺寸表、特征形位公差表、特征表面粗糙度表记录了特征的工程语义引用；尺寸表、形位公差表、表面粗糙度表存储了所有零件特征的数据信息。在特征层，利用特征 何要素 寸 差 糙度 进行数据检索。我们将该零件信息模型的数据库应用于工厂环境下某型组件的 M 集成系统中，较好地实现了 该系统中主要使用现成的 件 (I)进行产品设计和 通过对该软件进行二次开发获取零件的尺寸信040 数控立式铣床及控制系统设计 论文 8 息；同时利用自行开发的对话窗体，让设计人员交互输入其它特征信息，实现该软件与系统的共享数据库的连接。在辅助工艺设计时，工艺设计人员通过程序的查询功能，从共享数据库中查询所需的零件信息，进行交互工艺设计。从而方便了 取，提高了工艺设计的效率。在利用 以从共享数据库中获取所需的工艺及制造信息，进行各工序的刀轨设计与加工仿真在数控机床上建立一个绝对零点，实测出各坐标轴相对点的全部定位误差，做出曲线以便确定补偿点。图 这个曲线的纵坐标 (误差 )以脉冲当量为单位进行分割，作出横线，每个横线与曲线的交点即为目标补偿点。图 1中的 1到 6点处的定位误差为正，需要作减脉冲补偿；而 6至 9处需要进行加脉冲补偿图中阴影部分为补偿区。把这些补偿点列成误差 工作台由零点位置移 动时，安装在绝对原点处的微动开关发出绝对原点定位信号，以后计算机将随时发出目标补偿点的补偿信号，对机床进行定位误差补偿。 3 反馈补偿开环控制 该系统由开环控制和感应同步器直接位置测量两个部分组成。这里的位置检测不用作位置的反馈，而是作为位置误差的补偿反馈。其基本的原理是：由机床数控装置 方面供给开环系统，控制步进电机按指令运转，并直接驱动机床工作台移动，构成开环控制；另一方面该指令脉冲又供给感应同步器的测量系统 (即数字式正、余弦发生器 )，作为位置给定信号。工作在鉴幅方式的感应 同步器此时既是位置检测器，又是比较器，它把由正、余弦发生器给定的滑尺激磁信号 传送给 步进电 机 。 4 结 论 样提高特征设计所能完成的零件复杂度；如何使特征设计适应特征识别、特征语义转换的要求等问题还有待人们去解决。本文介绍了特征技术在零件信息建模中的应用，重点描述该零件数据模型的数据库实现；所建立的零件信息数据库系统可以较好地满足 参考文献： 1. 张华书并行环境下基于特征的零件定义模型 J机械科学与技术， 1999，18(1)： 14l 144 2. 林晓星，杜全文，许建新特征与 (,M) 成系统 J计算机辅助设计与制造， 1998， 28(5)： 51 55 3. 曾慧娥，周庆忠基于特征的机械产品造型研究 J机械设计与制造 程，1999， 28(2)： 1 2 040 数控立式铣床及控制系统设计 论文 9 学生 实习报告 （限 1500 字以上） 院（系）： 机械工程学院 专业 ： 机械设计制造及其自动化 班级： 名： 樊义祥 一、 实习的主要内容 参加金工实习的第一天，我们观看了安全生产教育片，里面描述了 各种不注意操作规范而造成伤害的情况。看完以后，大家心理都对接下来将要经历的两个星期有点担心了，害怕自己不小心而造成事故。但事实打消了我们的恐惧的念头，尤其是第一天要进行的钳工，连老师都笑称这个可能金工实习里相对最简单的一类工种了。虽然这么说，但钳工无疑是整个金工实习其间最累人的一项工作了。由于我们只有半天的上班时间，所以按要求，我们在 10 到 12 点之间磨制三根长85下底面光滑的圆柱体工件下料。 在我们所参与过的实习课程中，比较危险的可以算是车工了。面对着这样一个工件高速转动，同时带有利刀的机器，要不断 地防止铁屑飞溅到脸上，还要注意观察工件的车制情况，同时要切记衣服或者其他身上的东西不能缠绕到工作的机器上，实在是有一定的难度。当然老师也提醒我们要带上眼镜或者面罩来保护自己。我们车工的任务还是比较简单的，只需要把已经制作好的圆柱工件下料的一头按要求车制成一个带槽的球体。刚开始的时候，要先制作推刀槽，只需要计算好刀的进退距离，然后按照计算的结果推进刀就可以了。但接下来的切削球体就很让人痛苦了。要求左手控制纵向推进，右手负责横向推进，又要注意两手的速度不能一样，要按位置变换，还要注意要分别匀速。由于我是新手，对 机器的操作不熟悉，两手的配合也不够好，我在切削球体的时候，几次切削深度过大，差点造成了工件的损坏。上午的学习内容基本是练习使用机器，尽量熟悉工序手势。到下午上班的时候大家才