毕业设计 毕业论文 三坐标数控铣床设计.doc

宁波职业技术学院标题：毕业论文正文或毕业设计方案（作品）修改状态：01教育质量管理体系质量记录编号：NZQMS-QR-2014-26生效日期：2007.9.1三坐标数控铣床设计系（分院）： 三坐标数控铣床设计 专业班 级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 二一O年 4 月 27 日三坐标数控铣床设计摘 要 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： 数控, 铣床，改造, 三坐标Three Coordinate NC Milling Machine DesignABSTRACTBasing on the common milling machine，this thesis reconstructs it and turns it to a NC milling with three coordinate.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 focuses 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 the machine tool 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.目 录摘 要1ABSTRACT1第1章 引 言4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13致谢16参考文献17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，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 （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。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)。（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1.3.1 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（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； （6）重复定位精度 0.01mm. 立式升降台数控铣床2.1.2 课题内容及工作量1.计说明书一份 2.开题报告一份 3任务书一份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。 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。该设计中采用了1）减少静、动摩擦系数之差（2）提高系统的传动刚度。 第3章 立式数控铣床的设计和计算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。数控机床主传动设计应满足如下特点：（1）动采用直流或交流电动机无级调速（2）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计（3）数控机床高速主传动设计（4）数控机床采用部件标准、模块化结构设计（5）数控机床的柔性化、复合化（6）虚拟轴机床设计为了适应数控机床加工范围广、工艺适应性强、加工精度高和自动化程度高等特点，要求主传动装置应具有以下特点： 1） 具有较大的调速范围，并实现无级调速。2） 具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低3） 良好的抗振兴和热稳定性。机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件有较高的热稳定性，通过保持合适的配合精度，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。3.1.1 主传动变速系统普通机床一般采用机械有级变速调速传动，而数控机床需要自动变速；且在切削阶梯轴的不同直径，且削曲线旋转面和断面时，需要随切削的直径的变化而自动变速，以保持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选用到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。机床主传动中常采用得无级变速装置有三大类：变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。无级变速主传动系设计原则：一为尽量选择功率和扭矩特性符合传动系要求的无级变速装置。如铣床主传动系要求恒功率传动，就应选择恒功率无级变速装置。二为无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，尤其是恒功率调速范围往往小于机床实际需要的恒功率变速范围。为此，常把无级变速装置宇机械分级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。（1） 主轴部件设计1）轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面（如车床轴端的定心短锥、锥孔，铣床轴端的7：24锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。2 ）刚度 主轴部件的刚度是指其在外载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性便形时，在位移方向上所施加的作用力来定义的。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此，主轴的尺寸和形状、滚动轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量等都影响主轴部件的刚度。3）温升 因个相对运动处的摩擦生热，切削取得切削热等使主轴温度升高将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。因此，各类机床对温升都有一定的限制。4）可靠性 数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性，可喜的地方是这方面的研究正在发展。5）精度保持性 它指长期保持其原始制造精度的能力。对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。（2）主轴部件的组成和轴承选型1) 主轴部件，它由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。2) 主轴的传动件，可以位于前后支承之间，也可位于后支承之后的主轴后悬伸端。目前传动件位于后悬伸端的越来越多。这样做，可以实现分离传动和模块化设计：主轴组件（称为主轴单元）和变速箱可以做成独立的功能部件，又专门的工厂集中生产，作为商品出售。变速箱和主轴间可用齿轮副或带传动联接。本三坐标曲面数控铣床采用带传动联接。主轴支承分径向和推力（轴向）。角接触球轴承兼起径向和推力支承的作用。推力支承应位于前支承内，原因是数控机床的坐标原点，常设定在主轴前端。为了减少热膨胀造成的坐标原点的位移，应尽量缩短坐标原点支推力支承之间的距离。3) 主轴轴承，选用角接触球轴承。这种轴承即可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，长采用多联组配的办法。有三种基本组配方式，分别为背对背，面对面和同向组配，背靠背和面对面组配都能受双向轴向载荷；同向组配只能承受单向轴向载荷。背对背比面对面安装的轴承具有较高的抗颠覆力矩的能力。运转时，轴承的外圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀对背靠背组配将使过盈减少，于是，可以补偿一部分径向膨胀；而对于面对面组配，将使过盈进一步加大。基于上述分析，主轴受到弯距，又属高速运转，因此主轴轴承必须采用背靠背组配。4) 角接触球轴承的间隙调整和预紧主轴轴承的内部间隙，必须能够调整，多数轴承，还应在过盈状态下工作，使滚动体和导轨之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧。（3） 主轴组件的动态特性通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴，特别是带内装式电动机高速主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共振。改善动态特性，可采取下列措施：1) 是主轴组件的固有频率避开激振力频率。通常使固有频率高于激振频率的30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚体振动的第一阶（平移）和第二阶（摇摆）模态，则应提高轴承的刚度2） 增大比尼。如前所述，降低模态，常是主轴的刚度振动。这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大。如果要求得到很光的加工表面，滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减少，故选择预紧时还因考虑阻尼因素。3） 采用消振装置。（4）主轴轴承的润滑滚动轴承在接触区的压强很高，在这么高的压强下，接触区产生变形，是一块小面积的接触而不是一条线或一个点的接触；润滑剂在高压下被压缩，粘度升高了。因此，才能在滚动体与滚道的接触区，形成一定厚度的油膜，把两者隔开，滚道体与滚道的接触面积很小，所以，滚动轴承所需的润滑剂很少的。当然，也可用脂润滑，还有用油气润滑的。(1) 脂润滑 滚动轴承能用脂润滑是它的突出优点之一。脂润滑不需要供油管路和有漏油问题。如果脂的选择合适、洁净、密封良好，不使灰尘、油、切削液等进入，寿命是很长的。一次充填可用到大修，不需补充，也不要加脂孔。(2) 油气润滑如果dn值较大时，还需对轴承进行冷却。如果用油兼作润滑和冷却，则由于油的搅拌作用，温升反而会增加。最好用油润滑，用空气冷却。油雾润滑需能达到这个目的，但是易污染环境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。(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