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摘要
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。
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。
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。
关键词： 三坐标铣床， 设计计算， 控制系统， 编程
ABSTRACT
As the field of artificial intelligence in computer penetration and development, the introduction of Adaptive Control, CNC fuzzy systems and neural network control mechanism, not only has the automatic feedforward control programming ,Learning Control, Fuzzy Control, Adaptive Control, Parameter Automatic generated three-dimensional tool compensation,features such as motion parameters of dynamic compensation, and human-machine section is extremely friendly, and there is fault diagnosis expert system enables self-diagnosis and fault monitoring functions even better. AC spindle servo system of intelligent servo drive and intelligence into the device can automatically identify the load and automatically adjust the parameters optimized.
Linear motor drive system to use the technology.
D NC milling machine is digitally controlled feed motion of the direct object, regardless of position control or continuous control, the final coordinates of the workpiece to be machined precision and contour accuracy are subject to the movement of the drive into the accuracy of the sensitivity and stability. To this end, we should note the following three feed motion requirements:
(1) Reduce the moving parts of the friction. Although many components into a system, but mainly from the screw and guide rail friction, screw and rolling guide structure is the one of the important measures to reduce friction.
(2) To improve transmission accuracy and rigidity. In the ball screw feed system and the supporting structure is the driving accuracy and rigidity of its major components, therefore, must first ensure their accuracy.
(3) Reduce the movement of inertia. Feed system inertia of each component of the servo start-up and braking characteristics have a direct impact, especially in high-speed operation of the parts, the inertia of more.
General milling machine in the original design is based on the conduct of its transformation into coordinate CNC milling machine. The three-axis machine tool through the linkage, and curve lines, such as different processing routes.
CNC milling machine designed to coordinate the three coordinate directions of movement by the step motor to drive the spindle motor AC motor, all motor control by the microcontroller.
The design of the main body of the CNC milling machine design, understanding of microcontroller works, mainly in the following areas: X, Y, Z table of the driving mechanism, mainly the use of ball screws; machine tool structural design, understanding of strengths and weaknesses, take full account of the principal contradiction, merit selection; microcomputer control system, become more familiar with their application.
Key words: coordinate milling machine, design and calculation, control systems, programming
目 录
第1章 绪论1
1.1 数控铣床的分类1
1.2 数控铣床的组成及特征2
1.3 数控铣床的主要功能及应用5
第2章 设计主要参数及基本思想6
2.1 课题要求6
2.2 设计原则7
2.3 总结构设计7
第3章 立式数控铣床的设计和计算9
3.1 主传动系统的设计9
3.2 主轴系统计算14
3.3 进给伺服系统的设计16
3.4 进给传动的计算18
第4章 微机控制系统的设计30
4.1 微机控制系统组成及特点30
4.2 微机控制系统设备介绍31
4.3 程序部分36
结论40
参考文献41
致谢42
第1章 概论
数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两者的加工工艺基本相同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床。
1.1数控铣床的分类
1.1.1按主轴布置形式分类
（1）立式数控铣床
立式数控铣床的主轴轴线与工作台面垂直，是数控铣床中最常见的一种布局形式。立式数控铣床一般为三坐标 （ X 、 Y 、 Z ）联动 , 其各坐标的控制方式主要有以下两种：
1 ）工作台纵、横向移动并升降，主轴只完成主运动。目前小型数控铣床一般采用这种方式 。
2 ） 工作台纵、横向移动，主轴升降。这种方式一般运用在中型数控铣床中 。立式数控铣床结构简单，工件安装方便，加工时便于观察，但不便于排屑。
（2）卧式数控铣床
卧式数控铣床的主轴轴线与工作台面平行，主要用来加工箱体类零件。一般配有数控回转工作台以实现四轴或五轴加工，从而扩大功能和加工范围。卧式数控铣床相比立式数控铣床，结构复杂，在加工时不便观察，但排屑顺畅。
（3）立卧两用数控铣床
立卧两用数控铣床的主轴轴线可以变换，使一台铣床具备立式数控铣床和卧式数控铣床的功能。这类机床适应性更强，应用范围更广，尤其适合于多品种、小批量又需立卧两种方式加工的的情况，但其主轴部分结构较为复杂。
1.1.2按数控系统的功能分类
（1）经济型数控铣床
经济型数控铣床一般是在普通立式铣床或卧式铣床的基础上改造而来的，采用经济型数控系统，成本低，机床功能较少，主轴转速和进给速度不高，主要用于精度要求不高的简单平面或曲面零件加工。
（2）全功能数控铣床
全功能数控铣床一般采用半闭环或闭环控制，控制系统功能较强，数控系统功能丰富，一般可实现四坐标或以上的联动，加工适应性强，应用最为广泛 。
（3）高速铣削数控铣床
我们一般把主轴转速在 8000 ～ 40000 r/min 的数控铣床称为高速铣削数控铣床，其进给速度可达 10 ～ 30 m/min，这种数控铣床采用全新的机床结构（主体结构及材料变化）、功能部件（电主轴、直线电机驱动进给）和功能强大的数控系统，并配以加工性能优越的刀具系统，可对大面积的曲面进行高效率、高质量的加工。高速铣削是数控加工的一个发展方向，目前，其技术正日趋成熟，并逐渐得到广泛应用，但机床价格昂贵，使用成本较高。
1.2数控铣床的组成及特征
1.2.1数控铣床的组成
数控铣床的组成及结构如图1.1所示。
图1.1
1-X向导轨防护 2-Y轴伺服驱动 3-Z向导轨防护 4-立柱 5-冷却水箱 6-底座 7-Y向导轨防护 8-工作台 9-十字滑台 10-X轴伺服驱动 11-操纵台 12-主轴箱 13-主轴总成 14-Z轴伺服驱动
（1）辅助装置 如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。
（2）主轴箱 包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。
（3）控制系统 数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。
（4）机床基础件 通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。
（5）进给伺服系统 由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动
1.2.2数控铣床的结构特征
⑴控制机床运动的坐标特征 为了要把工件上各种复杂的形状轮廓连续加工出来，必须控制刀具沿设定的直线、圆弧或空间的直线、圆弧轨迹运动，这就要求数控铣床的伺服拖动系动能在多坐标方向同时协调动作，并保持预定的相互关系，也就是要求机床应能实现多坐标联动。数控铣床要控制的坐标数起码是三坐标中任意两坐标联动，要实现连续加工直线变斜角工件，起码要实现四坐标联动，而若要加工曲线变斜角工件，则要求实现5坐标联动。因此，数控铣床所配置的数控系统在档次上一般都比其他数控机床相应更高一些。
⑵数控铣床的主轴特征 现代数控铣床的主轴开启与停止，主轴正反转与主轴变速等都可以按程序介质上编入的程序自动执行。不同的机床其变速功能与范围也不同。有的采用变频机组(目前已很少采用)，固定几种转速，可任选一种编入程序，但不能在运转时改变；有的采用变频器调速，将转速分为几档，程编时可任选一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮在本档范围内自由调节；有的则不分档，程编可在整个调速范围内任选一值，在主轴运转中可以在全速范围内进行无级调整，但从安全角度考虑，每次只能调高或调低在允许的范围内，不能有大起大落的突变。在数控铣床的主轴套筒内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒种内完成装刀与卸刀，使换刀显得较方便。此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕X、Y或Z轴作数控摆动，也有的数控铣床带有万能主轴头，扩大了主轴自身的运动范围，但主轴结构更加复杂。
数控铣削加工除了具有普通铣床加工的特点外，还有如下特点：
1）零件加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件，如模具类零件、壳体类零件等。
2）能加工普通机床无法加工或很难加工的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件。
3）能加工一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件。
4）加工精度高、加工质量稳定可靠。
5）生产自动化程序高，可以减轻操作者的劳动强度。有利于生产管理自动化。
6）生产效率高。
7）从切削原理上讲，无论是端铣或是周铣都属于断续切削方式，而不像车削那样连续切削，因此对刀具的要求较高，具有良好的抗冲击性、韧性和耐磨性。
1.3数控铣床的主要功能及应用
1.3.1数控铣床的主要功能
各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。
（1）点位控制功能
此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工。
（2）连续轮廓控制功能
此功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加工。
（3）刀具半径补偿功能
此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算。
（4）刀具长度补偿功能
此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求。
（5）比例及镜像加工功能
比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现。
（6）旋转功能
该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行。
（7）子程序调用功能
有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状，将这一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工。
（8）宏程序功能
该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对变量进行运算，使程序更具灵活性和方便性。
1.3.2数控铣床的应用
与数控车削相比，数控铣床有着更为广泛的应用范围，能够铣削加工各种平面、斜面轮廓和立体轮廓零件，还能够进行外形轮廓铣削、曲面型腔铣削及三维复杂型面的铣削，如各种凸轮、模具等，若再添加圆工作台等附件（此时变为四坐标），则应用范围将更广，可用于加工螺旋桨、叶片等空间曲面零件。配上相应的刀具还可进行钻、扩、铰、锪、镗孔和攻螺纹等。此外，随着高速铣削技术的发展，数控铣床可以加工形状更为复杂的零件，精度也更高 。
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、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.
2.1.2 课题内容及工作量
(1)简易数控铣床总图A0一张
(2)电气控制原理图A0一张
(3)主轴装配图A0一张
(4)计说明书一份18000字左右
(5)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。
川公网安备: 51019002004831号