0087-三坐标数控磨床设计【全套4张CAD图+说明书】
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中文摘要
本次设计为三坐标数控磨床，该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线，同时可以通过更换砂轮来加工不同的型腔和轮廓提高其表面质量。另外该机床也能够对其它一些工具零件进行表面加工。
所设计的三坐标数控磨床，磨头与立柱之间用鼠齿器相连，可以改变主轴与工作台的角度。三个坐标方向的移动均由交流伺服电机带动丝杠驱动，所选用的联轴器为十字滑块联轴器，工作台选用双推与双推轴承组成两端固定支承，达到所要求的高精度。三个方向通过速度反馈和位置反馈实现闭环系统。主轴电机采用交流电机，由变频器对其进行无级调速。所有电机均有单片机进行控制。
此设计主要对数控磨床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，主要有以下几个方面：X、Y工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；伺服系统应用开环控制，了解它的工作原理；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；数控装置的设计，了解其控制原理。
设计中充分考虑经济性、工艺性、适用性等要求，选择最好的方案，以达到最佳的效果。
关键词：数控 三坐标 铣床
目录
中文摘要 1
英文摘要 2
目录 3
第一章 概论 1
1.1数控机床的产生与发展 1
1.2 何谓数控机床 1
1.3 数控机床的应用范围 1
1.4 数控机床的基本组成 2
1.5 数控机床的分类 2
1.6 数控机床的工作过程 2
1.7 数控机床的特点 2
1.8 磨削概论 2
1.9 三坐标数控磨床 3
第二章 总体结构设计 6
2.1提高机床的结构刚度的设计 6
2.2提高机床的抗振性的措施 7
2.3提高机床灵敏度 7
第三章 进给伺服系统结构设计 8
3.1 进给伺服系统的作用 8
3.2 进给伺服系统的设计要求 8
3.2.1对进给伺服系统的基本要求 8
3.2.2 进给伺服系统的设计要求 9
3.3进给伺服系统的组成 9
3.4 进给伺服系统的分类 9
3.5给伺服系统的数学模型。 10
3.5.1 数控机床的位置调节系统 10
3.5.2 进给伺服系统的数字模型 10
3.6 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 10
3.6.1 时间响应性 10
3.6.2 频率响应特性 11
3.6.3 稳定性分析 11
3.6.4 快速性分析 11
3.6.5 伺服精度 11
3.7 驱动元件的设计 12
3.7.1. 选用伺服电动机 12
3.7.2选用交流伺服电机 12
3.8 机械传动部件的设计 14
第四章 床身与导轨 20
4.1 床身设计 20
4.1.1 床身结构的基本要求 20
4.1.2 床身的结构 20
4.1.3 床身的截面形状 20
4.1.4钢板焊接结构 21
4.1.5箱体封沙结构 21
4.2导轨设计 21
4.2.1对导轨的要求 21
4.2.2 滑动导轨 21
4.2.3 贴塑滑动导轨 21
4.2.4 导轨结构 22
4.2.5 导轨设计 22
4.2.6导轨的材料 22
第五章 主传动系统结构设计 23
5.1主传动系统的设计要求 23
5.2主传动变速系统的设计 23
5.3主轴组件设计 23
5.3.1 对主轴组件的性能要求 23
5.3.2 主轴组件的组成和轴承选型 24
5.3.3 主轴组件的技术要求 25
5.3.4主轴组件的动态特性 26
5.3.5 主轴轴承的润滑 26
5.4选择主轴电机 27
5.5 高速带的设计计算 29
第六章 控制系统设计 31
6.1 确定硬件电路的总体方案 31
6.2 主控制器CPU的选择 31
6.3 存储器扩展电路设计 31
6.4 I/O口扩展电路设计 32
6.5 交流伺服电机驱动电路 32
6.6 主轴电机驱动电路 32
6.7 越界报警 32
程 序 33
设 计 小 结 36
参考文献 37
- 内容简介：
-
目 录 设计任务书 1 开题报告 1 摘要 2 正文： 第一章 概论 3 第二章 总体结构设计 7 第三章 进给伺服系统机构设计 8 第四章 床身与导轨 18 第五章 主传动系统结构设计 20 第六章 控制系统设计 27 程序 28 参考文献 30 切削刀具的维护 维护意味着产品的保养。在机械行业，它也指通过对产品设备的管理来防止其损坏也包括损坏后的修理。 对切削刀具的维护保养包括：以一种不会引发恶性结果的方式管理刀具和根据刀具的知识来合理应用刀具的切削特性两方面内容。像对黄铜制刀具的维护是指制造和打磨刀具，使非常规的损坏（像打磨的裂缝等）不会出现。更进一步 ,如果恶劣的切削环境发生。具有能恢复到原来的状态以致于达到理想的切削效果。 这章的内容包括 4个部分： : 象其他的设备如：机床、传动系和机器人，切削刀具的管理知识对于产品的生产的影响意义重大。 如果由于刀具的保养不善出现刀具断裂的情况，那么，无论有多么好的设备 ,顺畅的切削过程也是不可能出现的。更不用说提高切削的精度和效率和降低成本了。 在过去对产品设备维护的要求程度决定了设备的价钱。机床、空气过滤器系统和自动化设备一般都会给予很多的维护和保养。然而，相对于刀具等便宜的小件对它们的保养以前认为是不必要的。 以前几乎没有什么文章和书籍在深层次上讨论刀具的维护和保养。 刀具可按应用分类 金 刚石 ,立方碳化硼以及以三氧化二铝都是的不能用普通刀具加工的机加工材料。 而几乎所有的金属都能用刀具加工 (铝合金刀具的切削速度高于 5000m/当于300km/h.)。 然而，具有如此优良的切削特性的刀具具有明显的缺点。象刀片非常的脆，易对螺栓体和刀柄造成损害造成安装问题 .。生噪声、振动以致断裂破碎，结果出现象切削精度下降等问题。 当对刀具进行维护时实行以下的过程是很必要的： 要避免象图 要戒除象图 确保象 每隔放置一把刀片。 刀具的相互接触将导致边缘的脱落和碎裂 刀片之间的接触会对接触的部分造成伤害，从而是它们的切削能力下降。 将刀具掉落在硬地面上将会造成切削边缘的损坏。这种问题特别容易放生在很脆的陶瓷刀具上和又长又脆的刀具像滚花刀和钻头。操作工人要防止在地面不太平坦的时候 ,用手推车搬运放在盒子里的刀具，这样是将会造成刀具的损坏的。图 的例子。 免用手拿很多刀片 免 将刀片以无续的状态放在刀片盒里 当将刀具放置在金属架子上和金属盒子里时，必须保证切削的刀边不能接触金属的表面，放置时的轻拿轻放也是必要的。 图 议使用塑料和橡胶或是聚乙烯盒子。 在刀具的安装处损坏将导致安装精度的下降，在这种情况下不能在好的经济效益下 ,获得好的刚度和稳定性，结果产生振动和噪声导致刀具的寿命变短，切削边缘的稳定性变差。 和刀片一样 ,刀片座也是由碳化物制成的。因此刀片的振动经常会导致刀片座的变形损坏。 在这种情况下 ,度下降 不能很好的切削。如果在使用多重刀具时候 (像滚花刀 )将会导致切削边缘的可靠度下降和切削精度下降。使用可分类刀片时注意保护刀片座也是和必要的 . 像图 手拿刀片是非常不明智的。当刀片被安装在到刀片座上时 ,就存在损坏的危险。当刀具上涂上油的时候就增加了这种危险性。手上的汗和油将导致刀具的生锈，铁锈使刀具的表面不平使安装的稳定性下降 ,产生振动和噪声 ,使切削精度下降。 适当的对刀具管理，以取得顺畅的切削过程是很必要的。这门学问不是机械上设备的操作知识而是管理学的知识。大体知识结构概括如下： 1刀具的管理不意味着单单保存它，而是为刀具深层次的使用作准备而使刀具在一个可以立即使用的状态下保存它。 2像可分离的刀片，在下一道工序还没有确定的时候一定要把它拿下来 3如果刀具要是有一段时间不能应用的话 ,一定要对刀具进行防锈处理。 4应根据刀具的用途、型号、使用频率来安排保管刀具。 5储存刀具时要使它们容易接近。 6要确保损坏的刀具在保存前要先进行修理。 7对于已经永 久损坏的刀具要及时丢弃，不要保存没有用的刀具。 8对工人进行刀具管理方面知识的教育，对刀具的管理建立规章制度，并且对所有工人逐渐灌输这种思想。 可分类的切削刀片是由硬度在 34合金钢通过热处理制造的。刀具体是由高碳钢和硬度低于 35合金钢制成的。刀具的接触将导致接触区的损坏而导致切削精度的下降，以下几点注意事项被认为可以防止这些问题出现： 1储存时就要避免刀具的接触 ，在刀具表面产生的不可修复的粗糙度的变化情况。分体刀具安装处的粗糙度的数值过大使得其安装到机床上极其困难。更主要的是如果损坏发生在刀座上，安装分体刀片是很麻烦的。象表 切削表面将会导致表面不平。在这种情况下，消除不平的表面的方法是用油性磨刀石。图 为和其他的刀座的接触 螺栓体表面粗糙度的变化 表 于刀具的相互接触而产生塑性扭曲的例子 2保持刀具在一个安全的条件下使用 3从光滑的架子上移动的时候，保证刀具在箱子没打开前不被移动。 4 如果刀具的备件很容易损坏，保存多余的备件是很必要的。理后一个小洞的重大影响 表 图 表 铁锈大大安装处的坚固程度。 1当室外的潮湿度很高的时候，要保证窗子是关着的。虽然刀具表面的涂层能够防锈，但是长时间放置在潮湿的环境下还是会生锈的。 切削刀具频繁从冷的地方使用而后又移入温暖的环境，这将导致刀具表面生锈。 3通常金属架子没有防锈涂层，所以特别容易生锈。把刀具放置在其上也会导致刀具生锈。办法是在架子上盖上像塑料、橡胶或聚乙烯材料。 4如果刀具长时间不用，就要周期性的检查刀具 的情况。刀具特别是刀座和安装的部分尤其不能生锈。 刀片是刀具的的切削韧因此是刀具的重要部分。它又小又轻故此方便携带和处理；而另一方面 ,处理不认真 ,将不同等级的刀片混在一起，或是将同一种类不同等级的刀片防在一起 ,以上这种情况都会使刀片的辨别变得困难 1 个箱子只放一个刀片 ,以防刀片之间的相互接触。 2 于分类刀片 ,使用者要做有效的记号。 同一种刀片作同样的记号。 一定要将这些盒子放在一起。 3根据刀具的生产公司和产 品的数目来保存它。 4根据刀片的公差等级来储存它 、 C、 E、 G、 5可以根据刀片的等级 ,用途 6确保同样形状不同等级的可分类刀片不放在一起。 在产品设备的保养维护中最重要的使用技术 .。 但是，无论保养和维修的技术多么先进 ,但是操作者在选刀的时候范了错误，选了不合适的切削条件的刀具 对刀具也是如此 . 所有的产品设备像切削刀具、 手动工具和贵重机器都有其专门的用途。为了将起所有的 特性都发挥出来利用，我们必须选择最合适的操作方法。刀具的选择应该基于刀具的特性。 1选择切削刀具必须适用于工件的材料特性。例如：不能用切削铸铁的刀具来切削刚。选择不适合的刀具会引起刀具边缘的损害，这将导致切削温度的提高和提高切削抗性这都将导致对刀具体的损害。 在选择刀具的等级和刀片的形状时必须小心，特别对于难于切削的材料。如图 削热使工件和刀具熔为合金之后很短时间内刀具外部生成的非常薄的层 。在切削难加工的工件时，等级和形状选择不正确会在刀具上很快出现裂痕也会导致刀片座的损坏。 不合适的到造成的非正常的损失 2根据使用切削刀具规定的用途来使用它。在一般的情况，在粗切和精切时使用一把刀是不可能的 3在刀具合适的使用范围使用它，应用范围包括：切削状态、切削模式、刀具寿命标准和切削流。在合适的切削范围以外使用导致的损伤将引发精度的问题。 4 根据工件的形状和宽度来选择表面的滚花刀，选择不合适的滚花刀将导致振动，使刀具的寿命严重下降。 5对于专用刀或是高速刀具，它们更是要在合适的使用范围内使用，不能使用精切刀来代替粗切刀。用高速刀具象陶瓷刀具来代替低速刀具也会导致断裂的问题。 切削技术的硬件主要是由机床和切削刀具组成的。足够的柔性来掩盖其他部分的缺点，可以防止麻烦的产生。 1如果机床的轴向力很小或是刚度很差，这时要选择锋利的和低切削抗力的刀具。 2如果机床的精度不高选择圆角半径小的，锋利和切削抗力小的刀具。更重要的 是选择具有好的切削边缘可信度的刀具，这样在振动和噪声的条件下滑落和断裂都不会发生。 象自动化和非人的操作使得在准备阶段的核查工作变的很重要， 1当使用来自不同厂家的刀片时有种可能是切削性不同。这种情况的切削振动和异常损害要特别小心。 对磨削表面和刀具寿命的列表 2在使用多把刀具的时候 ,要保证工序表被安排在可接受的范围内 示由于工序表安排不合适印发的刀片上的损害。 3当使用可分类的切削刀具时 ,对刀片座的损害和扭曲是要特别小心的。 4当将刀片安装在刀具上时 ,保证不要安装的过紧 如 5当将刀片安装在刀具上时 ,要选择合适夹具螺母形状和大小的扳手 示对于同一个夹具螺空用合适和不合适的扳手的后果。 每一把刀具和机床一样都有不同的结构 1当将切削刀具安装在 机床上时，保证没有灰尘和铁屑在刀具体，刀具空和各个部分。 2当安装刀片时 ,特别是薄刀片时 ,保证没有扭弯和弯曲是很必要的 . 3当安装多功能时 ,要保证切削边缘已经经过过热处理。 当刀具和切削条件不相适应时，刀刃就会像图 19 那样折断，如图 20 那样焊接，高速刀具的疲劳情形如图 21，塑性疲劳变形如图 22，这些都是何容易发生的。以下是选刀具时应注意的。 1依据刀具的性能参数来选择切削条件。以下就是刀具的各种参数 A：端铣和立铣 刀具的等级，直径，倾角，轴倾角，内倾角，引脚，螺旋角，立铣刀尖形状（圆或方），刀齿的数目，刀片槽的尺寸，刀把的大小，刀具的长度，机器安装环境，刀具突出的长度。存在实体，刀刃几何形状，精度和系列刀片的形状。破碎机的实体和 几何形状，刀具的结构。 B: 运转时的刀把和钻杆 刀具等级，前倾角，侧倾角，前面角，侧面角，切削刃前角，切削刃后角，修圆角尺寸，侧面大小，机器安装环境，刀具突出的长度，刀刃的的几何形状，刀片的精度和形状，刀具的结构（镀铜的，成系列的刀片，实心的等） C：钻具 钻刀的等级，直径，伸出长度，顶角大小，刀刃数目，间隙大小，横刃的几何厚度，钻刀的形状（如麻花钻，直钻等）锥度大小，定位导向 依据刀具不同等级的性能来选择切削环境 。以下是刀具的等级类型及性能。 A：高速钢，炭化钢，陶瓷，金属陶瓷， B： 级的性能（高温硬度，内应力，疲劳强度，抗氧化能力，高温气流稳定性，塑性变形抗力，节点抗力，高强度抗力，热爆抗力和热震抗力） 3依据工件性能来选择切削条件。以下是工件的性能： A：刀具的化学成分，硬度，强度，扭曲率，热处理条件，拉伸强度，高温硬度，易碎性，可淬性，亲和性和可煅性。 B：工件和成品的形状，原料的去除，刚度，毛边表面性能（硬度和面的缩放比例）材料密度（厚度变量 ）长度和直径的关系，节点抗力。 4依据现况和切削液特点来选择切削环境。切削液的性能包括冷却方法，冷却体和冷却类型。 图 23 如图 23是 高速切削后，而产生的裂纹引起的永久的震动 在切削后把刀具从车床上移走时，要特别注意在维护中所涉及的刀具管理的项目。当往箱子里或架子上存放刀具时要特别注意维护的规则和管理的技术。 5刀具的再修复和维护 镀铜刀具是由切削刃和与其不同材料的长柄组成的，在 这种情况下很多问题容易发生。 在许多情况下，研磨和再研磨时所出现的毛病是由制造镀铜刀具过程中的问题所引起的。首先，由镀铜的技术所关联的问题，再者，也有成本的问题。 通常，银或铜比较适合做镀层材料。吸湿性依赖于材料被粘结剂连接的强度。镀铜材料的吸湿性因依赖于刀具的等级和钢材料的性能而有不同的意义。 1 刀具等级和吸湿性 拥有大量粘结材料的刀具的吸湿性高，而只有很少；量的粘结材料的刀具的吸湿性是很低的。 具有高吸湿性而 有较低的吸湿性。当 含量增加时，吸湿性就会降低。 下来依次是 级。陶瓷具有比 陶瓷相比镀铜和镀银的吸湿性已经是很低的了。 2吸湿性与柄的材料 含铬高的钢，含锰高的钢和经过热处理的材料有较低的吸湿性。 3助熔剂是用来提高镀铜材料的吸湿性的。助熔剂可以阻止镀铜表面的氧化。经过清除杂质的镀铜材料不仅可以提高其吸湿性也能氧化其表面的分子。 由于柄的等级和其具有吸湿性的材料，镀铜很容易出现问题，再者，助熔剂没有及时起作用时问题也是很容易出现的。 7. 刀具的热膨胀性和刀柄的材料实质上时不同的。图表 4 是某一等级的刀具和刀柄在室温下镀铜的残余应力图。 碳化物和柄的材料的热膨胀率是 1： 2，故当湿度正常时，刀具就能经得起会导致断裂得内应力。 为了降低镀铜时的变形，在柄上钻些空或凹槽。为了多面镀铜可以在刀具和刀柄间放上铜片或者铜网。如表 者，也可以如表 示，刀座的厚度可以是刀片层面的 3倍或更多。 不要在空气中冷却镀铜刀具，因为温度迅速下降会造成断裂。把刀具放在盐水盆里或木灰里或硅土里 来冷却，一直到 7 摄氏度，然后在放到热水里来清洗，若不洗干净，在研磨时就会轧伤，这将引起并造成碎裂。 由于在磨石上进行粗磨或挤轧而引起研磨温度迅速上升的原因，产生的残余应力，会引起研磨裂缝。此外，不适当的操作也会引起碎裂，就像研磨后把它放在水里。图 24是手柄的研磨碎裂，图 25是这些碎裂的放大图，图 26是延长后的碎裂。图 27是刀柄的最后破坏情况。 表框 1是关于研磨镀铜刀具的要点概括。表框 2和图表 8是车刀的研磨顺序，图表 9是边磨刀的研磨顺序。 表 对铜件的影响 表 裂 的措施 表 表 表 本科生毕业论文（设计）开题报告 论文题目： 三坐标数控 磨床 设计 现代制造技术，如柔性制造系统（ 计算机集成制造系统（ 并行工程（ 精益生产（ 敏捷制造（ 正在我国兴起并逐步实施。作为以上各项现代化生产哲理和生产模式的最低层设备 控机床不仅能提高产品的质量、生产效率、降低生产成本，还能大大改善工人的劳动条件。本次设计的就是数控机床的一种，即三坐标数控磨床，其主要技术要求和工作量如 下： 1、三坐标数控磨床的主要技术要求 （ 1） X、 Y、 Z 行程分别为 300300 300 （ 2）进给精度为 3） X、 Y、 Z 轴快速移动速度分别为 10m/10m/10m/4 )工作台面尺寸 420 300、课题内容及工作量 （ 1） 三坐标数控磨床总体布置图 张 （ 2） 作台装配图（机构图） （ 3） 磨头机构装配图 （ 4） 单片机控制原理图 （ 5） 设计说明书 15000 字、开题报告 2000 字 （ 6） 外文翻译 5000 汉字 （ 7） 编制源程序 100 句以上 一、三坐标 数控磨床的工作原理 用数控磨床加工曲面零件时，首先应编制该曲面零件的加工程序，这是数控曲面磨床的工作指令。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。 二、 三坐标数控磨床的组成 三坐标数控磨床主要有控制介质、数控装置、伺服系统、机床主机和测量反馈装置等五部分组成。 （ 1）控制介质 用于记载各种加工信息的载体，以控制机床的运动，实现零件的加工。数控介质有穿孔带、穿孔卡、磁带及 磁盘等，用键盘将加工程序直接键入，并且可在数码显示器或 示器上显示出来。 （ 2）数控装置 数控装置是数控机床的核心，是高技术密集型产品。任何一个微机控制系统都由硬件和软件两部分组成。有了硬件才有软件运行的基础，而只有配置了软件的硬件才能构成控制系统。构成微机控制系统的基本硬件有以下四部分组成： 1） 中央处理单元 即 ） 总线 有数据总线（ 地址总线（ 控制总线（ 3） 存储器 包括可编程存储器和随机可读存储器 4） 输入输出接口电路 （ 3）伺服系统 由伺服驱动装置和伺服进给系统组成， 是数控系统的执行部分。作用是把来自数控装置的各种指令转换成机床移动部件的运动速度、运动方向和位移量。 伺服驱动装置：直流伺服电机。 进给伺服系统：有驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统；检测元件与反馈电路组成检测装置亦称检测系统。进给伺服系统中采用的驱动装置为直流伺服电机。 （ 4）机床主机 机床是数控机床的主体，包括床身、箱体、导轨、主轴、进给机构等机械部件。 1）床身 三坐标数控磨床应具有更好的刚性和抗振性，因此床身采用密封式箱型结构，在床身底内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，当发生振动时，利用阻尼材料之间的相对摩擦耗散振动能量。 2）导轨 导轨由运动件和承导件组成。运动件：需要做直线运动的零部件。承导件：用于支承并限制运动件，使其只能按给定的要求和规定的方向作直线运动。设计中可采用滑动导轨，对导轨要求有以下几点：要有一定的导向精度。要有良好的耐磨性。要有足够的刚度。有减小热变形影响。要使运动轻便平稳。要有一定的工艺性。 滑动导轨间隙的 调整：采用刮、磨相应的结合面或加垫片的方法以获得相应的间隙；镶条调整，这是侧向间隙常用的调整方法，镶条有直镶条和斜镶条两种。 三坐标数控磨床采用贴塑导轨，这是一种金属对塑料的摩擦形式。属于滑动摩擦导轨，导轨一滑移面上贴有一层抗磨软带，导轨的另一滑移面上贴为淬火磨削面，软带是以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和高氧化物的高分子复合材料。塑料导轨刚性好、动静摩擦系数差值小、耐磨性好、无爬行、抗振性好、化学的稳定性好、维护修理方便、经济性好。 三个方向的导轨副、滚珠丝杠副由自动间隙润滑油泵进行定时润滑，润滑油泵 安装在立柱侧面，通过分油器将润滑油分送到各润滑点上。 3）主轴 主轴部件包括主轴轴承、传动件和相应的紧固件。主轴的端部是标准的。传动件如齿轮、带轮等与一般的机械零件相同。机床主轴部件，三个方向的进给及其它部件滚动轴承，均采用润滑脂润滑。 4）工作台 ： X、 Y 工作台传动机构； X 向齿轮减速和滚珠丝杠传动方式（ Y 向和 、 Y 工作台的组成相同）；驱动机构（ X、 Y 向两个电机）。 X、 Y 工作台工作原理：通过控制 X、 Y 向电机驱动传动机构，从而带动 X、 Y 工作台沿 X 向 Y 向运动。 滚珠丝杠螺旋传动： 在螺母和螺杆间放入适当数量的滚珠，使螺母和螺杆之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种装置。有螺母、螺杆、滚珠及滚珠循环返回装置四个部分组成。当螺杆转动螺母移动时，滚珠沿螺杆螺旋滚道而滚动，在螺杆上滚动数周后，滚珠从滚道的一端滚出并沿返回装置返回另一端，重新进入轨道，从而构成闭合回路。 三 参考资料 1数控机床设计手册； 2机械设计手册； 3机电传动控制； 4标准件手册。 5. 磨削原理 四 进度计划 第一阶段：完成所选课程，完成英文翻译。 第二阶段： 完成毕业设计的总体规划，查阅相关资料。 第三 阶段：完成 第四阶段： 完成磨头设计。 第五阶段： 完成控制系统设计。 第六阶段：撰写毕业设计说明书，出图，准备答辩。 第 1 页 中文 摘要 本次设计为三坐标数控磨床，该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线，同时可以通过更换砂轮来加工不同的型腔和轮廓提高其表面质量。另外该机床也能够对其它一些工具零件进行表面加工。 所设计的三坐标数控磨床，磨头与立柱之间用鼠齿器相连，可以改变主轴与工作台的角度。三个坐标方向的移动均由交流伺服电机带动丝杠驱动，所选用的联轴器为十字滑块联轴器，工作台选用双推与双推轴承组成两端固定支承，达到所要求的高精度。三个方向通过速度反馈和位置反馈实现闭环系统。主轴电机采用交流电机，由变频器 对其进行无级调速。所有电机均有单片机进行控制。 此设计主要对数控磨床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，主要有以下几个方面： X、 要是滚珠丝杠的运用；伺服系统应用开环控制，了解它的工作原理；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；数控装置的设计，了解其控制原理。 设计中充分考虑经济性、工艺性、适用性等要求，选择最好的方案，以达到最佳的效果。 关键词 ：数控 三坐标 铣床 第 2 页 英文摘要 is of By it of of C is by of a It of is C. is at it by by go on to by by In we of of of 、 Y of of of it of In we of to 第 3 页 目录 中文摘要 . 1 英文摘要 . 2 目录 . 3 第一章 概论 . 1 控机床的产生与发展 . 1 谓数控机床 . 1 控机床的 应用范围 . 1 控机床的基本组成 . 2 控机床的分类 . 2 控机床的工作过程 . 2 控机床的特点 . 2 削概论 . 2 三坐标数控磨床 . 3 第二章 总体结构设计 . 6 高机床的结构刚度的设计 . 6 高机床的抗振性的措施 . 7 高机床灵敏度 . 7 第三章 进给伺服系统结构设计 . 8 给伺服系统的作用 . 8 给伺服系统的设计要求 . 8 进给伺服系统的基本要求 . 8 给伺服系统的设计要求 . 9 给伺服系统的 组成 . 9 进给伺服系统的分类 . 9 伺服系统的数学模型。 . 10 控机床的位置调节系统 . 10 给伺服系统的数字模型 . 10 给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 . 10 间响应性 . 10 率响应特性 . 11 定性分析 . 11 速性分析 . 11 服精度 . 11 动元件的设计 . 12 选用伺服电动机 . 12 用交流伺服电机 . 12 械传动部件的设计 . 14 第四章 床身与导轨 . 20 身设计 . 20 身结构的基本要求 . 20 身的结构 . 20 身 的截面形状 . 20 板焊接结构 . 21 体封沙结构 . 21 第 4 页 轨设计 . 21 导轨的要求 . 21 滑动导轨 . 21 塑滑动导轨 . 21 轨结构 . 22 轨设计 . 22 轨的材料 . 22 第五章 主传动系统结构设计 . 23 传动系统的设计要求 . 23 传动变速系统的设计 . 23 轴组件设计 . 23 主轴组件的性能要求 . 23 轴组件的组成和轴承选型 . 24 轴组件 的技术要求 . 25 轴组件的动态特性 . 26 轴轴承的润滑 . 26 择主轴电机 . 27 速带的设计计算 . 29 第六章 控制系统设计 . 31 定硬件电路的总体方案 . 31 控制器 选择 . 31 储器扩展电路设计 . 31 、三坐标数控磨床的主要技术要求 （ 1） X、 Y、 00300 300 （ 2）进给精度为 3） X、 Y、 0m/10m/10m/4 )工作台面尺寸 420 300、课题内容及工作量 （ 1） 三坐标数控磨床总体布置图 张 （ 2） 构图） （ 3） 磨头机构装配图 （ 4） 单片机控制原理图 （ 5） 设计说明书 15000字、开题报告 2000字 （ 6） 外文翻译 5000汉字 （ 7） 编制源程序 100句以上 注：所有的尺寸均由计算机绘制 1952年，美国麻省理工学院成功的 研制出一套三坐标联动，利用脉动乘法器原理的实验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管，这就是世界上的第一台数控机床。 1959年，数控装置中广泛采用电子管和印刷电路板，从而跨入数控的第二代。 1965年，出现了小规模集成电路，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，从此数控发展到第三代。 1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上首次展出的数控系统采用计算机数控系统的机床，这便是数控的第四代。 1974年，出现了第五代数控系统（ 我国是从 1958 年开始研制数控技术的，一直到 60年代中期处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出实验样机，开发也是从电子管开始的。1965 年国内开始研制晶体管数控技术。从 70 年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工等领域全面展开，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果简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。 80 年代我国数控机床有了新的发展。 90年代以及接下来主要是向高档数控机床发展 。 谓数控机床 数控机床是一种综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控 制、精密测量和机床结构等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床，是一种典型的机电一体化产品。它是机械加工自动化的核心设备。 控机床的应用范围 数控机床在加工下面这些零件中更能显示出它的优越性： 第 2 页 批量小（ 200件以下）而又多次生产的零件；在加工过程中必须进行多种加工的零；几何形状复杂的零件；切削余量大的零件；必须控制公差（即公差范围小）的零件；工艺设计经常变化的零件；加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；需要全部检测的零件。 控机床的基本组成 如图所示： 控机床的分类 1. 按工艺用途分类：数控磨床、数控铣床、数控折弯机等 2. 按控制类型的方式分类： 点位控制数控机床（如：数控钻床、数控坐标铣床） ； 直线控制数控机床（如：数控车床、加工中心） ； 轮廓控制数控机床（如： 数控磨床） 3. 伺服系统的类型分类：开环数控机床、闭环数控机床、半闭环数控机床 次设计的三坐标数控磨床属于金属切削类，半闭环轮廓控制的数控机床。 控机床的工作过程 在上述工作过程中，要求数控机床使用者完成的工作主要是工艺分析和数控编程（有手工编程、自动编程、计 算机辅助编程三种方法），并将程序存到存储介质上，其它步骤都是由数控系统和机床自动进行的。 控机床的特点 数控机床作为一种高自动化、高柔性的加工设备，具有以下特点： （ 1）适应范围广 （ 2）生产准备周期短（ 3）生产效率和加工精度高 （ 4）工序高度集中（ 5）能完成复杂型面的加工 （ 6）技术含量高 削概论 磨削是指用砂轮等固结的磨具进行加工的过程，是机械加工的重要方法。从当前掌握的先进技术的情况来看，美国、俄罗斯、德国、英国和日本等国家居于前列。我国的磨削技术在建国后得到了很大的发展， 现在已门类比较齐全。同其它加工方 第 3 页 法相比，磨削加工具有以下特点：（ 1）能获得很高的加工精度 （ 2）能适应各种不同性质的材料加工 （ 3）能获得较高的生产率 （ 4）适应性广 三坐标数控磨床 本次设计的三坐标数控磨床主要是对总体结构、工作台、主轴箱等的机械部分的设计，以及整机电气控制部分的设计。 机械部分 如下： 1 主要用途和适用范围 三坐标数控磨床是三轴联动的经济型数控机床 . 利用三轴联动来形成砂轮与工件的相对运动，通过更换不同的砂轮来达到各种不同的形状尺寸的要求。可以精确高效的完成平面 内各种复杂曲线的零件的自动加工。更能完成复杂曲面的加工，且获得高的精度。因为通过数控，加工时不通过模具就能保证零件的加工精度，提高了劳动生产率，具有较高的性能价格比。本磨床属中型磨床，适用于企业的模具、异型零件的加工。 2机床的基本参数 名称 参数 工作台面宽度 长度 420300作台 300作台 300作台 350、 Y、 都为 10r/、 Y、 70流伺服电机 主轴转速级数 无级调速 主轴转速范围 （ 3980 14920） r/电机功率 轴交流电机 1床外形尺寸 17923080183 机床的主要结构 机床主要有工作台、主轴箱、立柱、电气柜、 工作台 工作台的 X、 Y 向进给是由交流伺服电机通过十字滑块联轴器传动，结构简单，调整维修方便。 工作台面有三个梯形槽（见下图），供夹具定位和安装固定工件使用。中间一个梯形槽是定位梯形槽。 第 4 页 主轴箱 (参看下图 ) 主轴部件有主轴、刀具的自动夹 紧松开机构、前后轴承等组成。 动力由电机轴经一级带传动给主轴，通过调整电压调整伺服电机的转速，从而实现无级变速。 主轴为中空外圆柱零件，前端装定向键，与刀柄配合部位采用 7： 24的锥度。为了保证主轴部件刚度，前支承由三个 组成，前两个大口朝上，承受切削力，提高主轴刚度，后一个大口朝下，后支承采用两个 ，小口相对，后支承仅承受径向载荷，故外圈轴向不需要定位。轴承采用油脂润滑。 刀具自动拉紧与松开机构及切削清除装置装在主轴内孔中，刀夹自动拉紧松开机构由拉杆 7和 头部的两瓣弹力卡爪 2、碟形弹簧 7、活塞 9和螺旋弹簧 8组成。夹紧时，活塞 9的上端无油压，弹簧 8使活塞 9向上移到图示位置。碟形弹簧 7使拉杆 6上移至图示位置，卡爪上移，将刀具拉紧。当需要松开刀柄时，液压缸的上腔进油，活塞 9向下移动压缩弹簧 8，并推动拉杆 6向下移动。与此同时，碟形弹簧 8被压缩。卡爪随拉杆 6一起向下移动。移到主轴孔较大处时，便松开了刀柄，刀具连同刀柄一起被拔出。 刀柄夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中如果突然停电，刀柄不会自行松脱。 活塞杆孔的上端接有压缩空气。刀具从主轴中拔出后，压缩空气通 过活塞杆和拉杆中孔，把主轴锥孔吹净。 弹性卡爪的外周是锥面，与主轴的锥孔相配合使爪收紧，从而卡紧刀柄。这种卡爪与刀柄的接合面与拉杆垂直，故拉紧力大。卡爪与刀柄为面接触，接触应力较小，不易压溃。 立柱 立柱用于实现主轴箱的垂直移动和支撑。固定在立柱上端的电机直接传动丝杠，可使主轴箱垂直移动。 4机床的传动系统 主传动图参看传动系统图。主运动由主运动电机，经一级高速带传到主轴，并通过调节电机的控制电压获得各级转速，主轴转速为（ 3980 14920） r/现无级调速。 第 5 页 进给传动图参看传动系统图。 X、 Y、 Z 三个轴各有一套基本相同的进给伺服系统。电压调速交流伺服电机直接带动滚珠丝杠，功率都为 级调速。三个轴的进给速度均为 1 400mm/移速度都为 10m/个伺服电机分别由数控指令通过计算机控制，任意两个轴都可联动 。 传动系统图 第 6 页 第二章 总体结构设计 该磨床的总体设计包括 :系统设计 (包含数控装置的功能设计、元件和部 件设计 ,程序段格式设计及系统的总体设计 );逻辑设计 (包含运算器设计、控制器设计及电路设计 );机床主机的结构设计 数控机床的功能设计和普通机床有着很大的差别 (1) 具有很大的饿切削功率、高的静、动态刚度和良好的抗振性能； (2) 具有较高大的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性； (3) 具有实现辅助操作自动化的结构部件。 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，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重；承受的动态力有砌学力、驱动力、加减速器时引起的惯性力、摩擦阻力等。组成机床的结构部件在这些力作用下将产生变形，从而导致工件的加工误差。为了使机床达到高大结构刚度，获得符合要求的工件，进行如下结构设计： 1、 构件的结构形式的选择 （ 1） 选择截面的形状和尺寸 由于形状相同的截面，当保持相同的截面积时，应减小臂厚，加大截面的轮廓尺寸，所以该机床的立柱、床身等支撑件做成型腔。圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度比方形截面小，所以立柱、床身等承受弯曲载荷的部 件做成方形，而象主轴等承受扭转载荷的零件做成圆形。 由于封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多，因此该磨床采用封闭式床身。 由于臂上开孔将使刚度下降，所开孔部部件对刚度要求又很高，就在孔的周边加上凸缘，以使抗弯刚度得到恢复。 （ 2） 隔板和筋条的布置 合理布置支承件的隔板和筋条，可提高构件的静、动刚度，磨床采用叉筋板的支承件，立柱内部就是布置了交叉的筋条。 （ 3） 构件的局部刚度 磨床的导轨和支承件的连接部件，往往是局部刚度最弱的部分，但是联接方式对局部刚度影响很大。在本次设计中，由于 ，故采用双臂联接形式； X、用单臂联接，但在单臂上增加垂直筋条以提高局部刚度。 （ 4） 采用焊接结构的构件 机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减小质量，提高刚度的显著特点。 第 7 页 采用钢板和型钢而不采用铸件的原因： 钢的弹性模量约为铸铁的两倍，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。 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。 钢可以提高构件的谐振频率使共振不易发生 。 钢板焊接能将构件做成全封闭的箱形结构，提高刚度。 2、结构布局的设计 三坐标数控磨床设计的主轴中心位于立柱的对称面内，主轴箱的自重不再引起立柱的变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲变形和扭转变形均大为减小，这相当于提高了机床的刚度。另在立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力，以减小立柱的变形。 机床在加工时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性就是抵抗这两种振动的能力。 改善和提高抗振性应从以下几个方面 着手： （ 1） 减少机床的内部振源 机床高速旋转主轴、带轮均应进行平衡；装配在一起的旋转部件，应该保证同轴，并且消除传动间隙，采用平衡装置和降低往复运动件的重量，以减小可能的激振力，装在机床上的电机需隔振安装。 （ 2） 提高静态刚度 提高静态刚度可以提高构件或系统的谐振频率，从而避免发生共振。但为了提高情态刚度而引起的构件质量的增加，会使共振频率发生骗移，这是不利的。因此，在结构设计时应强调提高单位质量的个刚度。 （ 3）增加构件和结构的阻尼 该磨床对滚动轴承适当预紧以增大阻尼，将型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零 部件臂中，可以提高阻尼性。以减少振动。 该三坐标数控磨床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部分采用贴塑滑动导轨，以减少摩擦力使其在低速时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动采用支流伺服电机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了运动精度和运动平稳性。 第 8 页 第三章 进给伺服系统结构设计 给伺服系统的作用 伺服系统接受数控装置发出的进给脉冲或进给位移量，并把它变换 成模拟量 (如转角、电压、相位等 )，经功率放大后去驱动工作台，使工作台进行精确的定位或按照规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合于精度要求的零件。因此，伺服系统的性能也是决定数控机床的加工精度、加工表面质量、生产率和机床的可靠性的关键之一。 给伺服系统的设计要求 进给伺服系统的基本要求 带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别与一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应 要快；系统的稳定性要好。 1. 稳定性 所谓的稳定的系统，即系统在输入量的改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在新的或原有的平衡状态下。它是伺服系统能够进行正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性和相对稳定性。 进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及 系统增益 都有关系。适当选择系统的机械参数（主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等）和电气参数，并使它们达到最佳区配，是进给伺服系统的设计的目标之一。 2. 精度 所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复线输入量的精确程度，即准确性。它 包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差及干扰误差。 常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。精度用误差来表示，定位误差是工作台由一点到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值。重复定位误差是指工作台进行一次循环动作之后，回到初始位置的偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标连动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂，采用数字调节技术可以提高伺服驱动系统的精度。 3. 快速响应特性 所谓的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。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统的不稳定。因此，应适当选择快速响应特性。 该三坐标数控磨床是轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良好 第 9 页 的快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。该三坐标数控磨床采用的是是闭环控制型式，对于闭环系统主要是稳定性问题。 给伺服系统的设计要求 机床的位置调 节对进给伺服系统提出很高的要求。其中在静态设计方面有： 1. 能够克服摩擦力和负载 ： （ 1） 很小的进给位移量； （ 2） 高的静态扭转刚度； （ 3） 足够的调速范围； 2. 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象； 3. 在动态设计方面的要求有： （ 1） 具有足够的加速和制动转矩，以便完成启动制动过程； （ 2） 具有良好的动态传递性能 以保证在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的小； 4. 机械传动部件的设计要求有： (1) 被加速的运动部件具有小的惯量； (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方面尽可能小的非线性； 进给伺服系统的分类 按控制方式不同
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