一种三坐标数控铣床的设计

一种三坐标数控铣床的设计摘要:本文介绍对三坐标数控铣床进行分析和设计，该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线。从而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，机床整体结构的设计，并提供了相应的原理图和电路图。提高了数控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, 伺服, 闭环, 半闭环, 三坐标1 引言随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控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，以及工件装置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。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。2 数控铣床的构成与工作原理2.1数控铣床的组成1控制介质数控机床工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。 2数控系统数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进出并加工零件，数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置4大部分组成 。3伺服系统伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。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的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求的工件。每一个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。目前所使用的数控系统脉冲当量通常为0.001mm/脉冲。 伺服系统一般由基本结构比较元件、调节元件、执行元件、被控对象、测量、反馈元件组成。4辅助控制系统辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。 5机床本体机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。 2.2数控铣床的关键结构部件（1）伺服系统驱动电机1步进电动机步进电动机通常用于开环伺服系统机床。 2直流伺服电动机 小惯量直流电动机 宽调速直流电动机 无刷直流电动机 3交流伺服电动机近年来新型功率开关器件、专用集成电路和新的控制算法等的发展带动了交流驱动电源的发展，使其调速性能更能适应数控机床伺服系统的要求。交流速度控制系统正逐步取代直流速度控制系统。（2）位置检测装置检测装置是把位移和速度测量信号作为反馈信号，并将反馈信号转换成数字送回计算机，和脉冲指令信号相比较，以控制驱动元件正确运转。 1感应同步器感应同步器是一种电磁式的高精度位移检测元件，按其结构方式的不同可分为直线式和旋转式两种，前者用于长度测量，后者用于角度测量。 感应同步器的特点是：精度高，工作可靠，抗干扰性强，维护简单，寿命长，可测量长距离位置，成本低，易于批量生产。2光栅光栅就是在一块长条形的光学玻璃上均匀地刻划很多条与运动方向垂直的条纹，条纹之间的距离成为栅距。 光栅测量装置是一种非接触式测量，利用光路减少了机械误差，具有精度高，响应速度快等特点，因此是数控机床和数显系统常用的检测元件。3磁栅磁栅是用电磁的方法计算磁波数目的一种位置检测元件，磁栅测量装置由磁性标尺、读取磁头和检测电路组成。磁栅位置检测电路的特点是：容易制造，检测精度高（能达到每米3mm），安装使用方便，对环境条件要求较低，若磁性标尺膨胀系数与机床一致，可在一般车间使用。由于磁头与磁栅为有接触的相对运动，因而有磨损，使用寿命受到一定的限制。一般使用寿命可达到5年，涂上保护膜后寿命则可进一步延长。4旋转变压器旋转变压器是一种角位移检测元件，由定子和转子组成，分为有刷和无刷两种形式。有刷旋转变压器定子和转子均为两相交流分布绕组。 数控机床检测装置主要使用无刷旋转变压器，因为无刷旋转变压器具有可靠性高、寿命长、体积小、不用维修以及输出信号大、抗干扰能力强等优点。 5脉冲编码器脉冲编码器是把机械转角转化为电脉冲的一种常用角位移传感器。6测速发电机测速发电机是速度反馈元件，相当于一台永磁式直流电动机。 （3）进给运动传动部件滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型理想传动装置。 o具有如下优点。o1传动效率高。o2摩擦力小。o3使用寿命长。o4经预紧后可以消除轴向间隙，提高系统的刚度。o5反向运动时无空行程，可以提高轴向运动精度。(4)CRT显示及其接口(5)数控机床通信RS-232接口2.3工作原理根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺，选择加工参数。通过手工编程或利用CAM 软件自动编程，将编好的加工程序输入到控制器。控制器对加工程序处理后，向伺服装置传送指令。伺服装置向伺服电机发出控制信号。主轴电机使刀具旋转，X、Y 和Z向的伺服电机控制刀具和工件按一定的轨迹相对运动，从而实现工件的切削。数控铣床的床身固定在底座上，用于安装和支承机床各部件，控制台上有彩色液晶显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。纵向工作台、横向溜板安装在升降台上，通过纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机和垂直升降进给伺服电机的驱动，完成X、Y、Z坐标的进给。电器柜安装在床身立柱的后面，其中装有电器控制部分。工作原理如图（1）如图1 工作原理 3 数控铣床的设计3.1 主传动系统的设计主传动系统一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行元件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机构等部分组成。动力源给执行元件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向,变速装置传递动力以及变换运动速度，执行元件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。3.2主轴系统计算 三角胶带传动的计算和选定 三角带的选用应保证有效地传递最大功率（不打滑）并有足够的使用寿命（一定的疲劳强度）。 (1) 确定计算功率P kW式中：K工况系数P电机额定功率 Kw (2) 选择三角带型号 根据P、n由图7-8选SPA型窄V带 (3) 确定带轮直径D、D 小带轮直径D应满足：DD 查表7-4取D,故选择D (4) 计算胶带速度 故 D选择合格 D (5) 确定中心距a和带长L 得 初选 带长 查表7-3，取 中心距 a的调整范围： (6) 验算小带伦包角 得 ， 即满足条件。 (7) 确定V带根数z 由表7-6a查得 由表7-10查得 由表7-11查得 由表7-9查得 由表7-3查得 代入求根公式，得 取z=6,符合表7-4推荐的轮槽数 (8) 确定出拉力 由表7-5得 (9) 计算作用在轴上的压力 3.3 进给伺服系统的设计3.3.1 对进给伺服系统的基本要求进给伺服系统不但是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度高；跟踪指令信号的响应快；系统的稳定好。(1) 稳定性伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行,或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及组成元件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等），与外界的作用信号（包括指令信号或扰动信号）的性质或形式无关。(2) 精度 伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度。伺服系统工作过程中通常存在三种误差：动态误差、稳定性误差和静态误差。实际中只要保证系统的误差满足精度指标就行。(3) 快速响应性快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。3.3.2 进给伺服系统的设计要求在静态设计方面有：(1)能够克服摩擦力和负载(2) 很小的进给位移量(3) 高的静态扭转刚度(4) 足够的调速范围(5) 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象在动态设计方面的要求有：(1) 具有足够的加速和制动转矩(2) 具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量(3) 负载引起的轨迹误差尽可能小对于数控机床机械传动部件则有以下要求(1) 被加速的运动部件具有较小的惯量(2) 高的刚度(3) 良好的阻尼(4) 传动部件在拉压刚度 扭转刚度 摩擦阻尼特性和间隙等方面尽可能小的非线性3.3.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析(1). 时间响应特性进给伺服系统的动态特性，按其描述方法的不同，分为时间响应特性和频率响应特性.(2) 频率响应特性(3) 快速性分析3.3.4提高进给运动的平稳性和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。所以本进给伺服系统采用闭环进给控制系统，闭环进给控制系统带有X、Y、Z坐标方向的检测元件，随时可以检测出工作台的实际X、Y、Z坐标方向的位移，并反馈给数控装置，并与设定的指令值进行比较，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零为止。 如图24 微机控制系统的设计4.1微机控制系统的组成微机控制系统主要由微型计算机和伺服系统两大部份组成，其中微机又包括硬件和软件两部分。 （1） 微机控制系统基本硬件组成硬件时组成系统的基础，有了硬件软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。数控系统的硬件电路概括起来由以下部分组成。1）主控制器，即中央处理单元CPU2）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写数据存储器3）接口（2） 微机数控系统软件软件是指为实现微机控制系统各项功能编制的专用程序，它一般由以下几部分组成：1）输入数据处理程序 它接受输入的零件加工程序，用标准代码表示的加工指令和数据整理成便于解释执行的格式后存放。2）插补运算程序 它完成普通数控系统中插补器的功能。3）速度控制程序 它根据给定的速度代码或每分毫米数控制插补运算的频率，以保证预定速度进给。4）管理程序和诊断程序 管理程序对数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序进行调度，还可以对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。诊断程序可以在运行中及时发现系统的故障，并指示故障类型。4.2 微机控制系统设备介绍4.2.1主控制器CPU的选择从性能价格比上，我们拟采用MCS-51系列单片机中的8031作为主控制器。4.2.2 步进电机驱动电路步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机。在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲成正比。在多数情况下，用步进电机作为执行元件的数控系统不需要A/D或D/A转换，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济性数控机床最主要的一种伺服驱动元件。（1）计算机接口在控制系统中，步进电机的接口电路至关重要，没有它将无法实现微机对步进电机的控制。如前所述，8031系列单片机含有4个并行输入/输出口，其中P1口可以提供给用户使用，作为步进电机及其它控制对象的接口。也可采用8155或8255A等可编程并行输入、输出接口芯片设计扩展接口电路，来控制步进电机即其它外部设备。本系统即采用8155的PA口作为步进电机的控制端口。（2）脉冲分配器脉冲分配器又叫做环形分配器，是驱动步进电机必不可少的环节。步进电机的控制方式由环形分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列脉冲指令按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各项绕组，实现电机的正传或反转。在数控系统中使用较多的是集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。而在本系统中使用的是软件脉冲分配，通过编程来达到脉冲分配的目的，从而控制步进电机的各项绕组。（3）隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大，如果将输出信号直接与功率放大器相联，将会引起强电器干扰，轻则影响计算机程序的正常进行，重则导致计算机和接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。图为光电耦合器与步进电机的接口电路。如图3 光电隔离与步进电机接