完整版)三坐标铣床的数控化改造机电一体化毕业论文

1、目录摘要第一章概论1.1 数控机床的产生及发展 1.2数控机床的组成及分类1.2.1 数控机床的组成1.2.2 数控机床的分类 1.3数控机床的特点及应用范围 1.3.1 数控机床的特点1.3.2数控机床的应用范围第二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 2.1.2 课题内容及工作量 2.2 设计原则2.3总结构设计2.3.1数控机床的机构设计要求232提高机床的结构刚度233提高进给运动的平稳性和精度第三章三坐标数控铣床的设计和计算 3.1主传动系统的设计 3.1.1主传动变速系统 3.2 主轴系统计算3.3.1对进给伺服系统的基本要求3.

2、3.2进给伺服系统的设计要求3.3.3进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 3.4进给传动的计算3.4.1 X轴滚珠丝杠副.3.4.2 Y轴滚珠丝杠副3.4.3 Z轴滚珠丝杠副.3.4.4滚珠丝杠的安装与使用结论致谢参考文献18三坐标铳床的数控化改造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

3、，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：铣床，数控，三坐标ABSTRACTThis paper is aimed to solve the problem of lowefficiency， bad accuracy and the workers technicallevel ，t

4、hrough the technical reform on mechanical drivesystem (PLC con trols the two stepp ing motors to driveworkpieces double positi on feed)A n idle old com mon latheis refit in to a specialequipme nt by using nu merical con trolled tech niqueThe refit machine promoted its processing accuracy and level o

5、f automatic controlof the partsand greatlyimproved the productive efficiency and it 、6mmin、3mmin；(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) 控制原理图设计A0 一张(3) 计说明书一份1.2万字以上翻译500汉字注：全部图纸用计算机绘制，说明书由计算机输出。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

6、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。以上为基本的设计方案，除了这些，课题应注意机床的几何精度的 修正，数控指令的显示和使用等。2.3 总结构设计2

7、.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较大的额定切削功率，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。下面我们详述数控机床结构设计的主要要求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；各支撑零件的弯曲

8、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通常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、丫轴导轨较窄。（3）采用焊接结构的构件采用钢板和焊钢而不采用铸件的原因：1）钢的弹性模量约为铸铁的两倍

9、，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

10、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，位置检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0.025mm

11、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。本设计采取的方案有：（1）减少静、动摩擦系数之差（2）提高系统的传动刚度。第三章三坐标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

12、源为执 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。现代切削加工正向着高速、高效和高精度方向发展，对机床的性能提出越来越高的要求，如转速高，调速范围大，恒扭矩调速范围达1: 1001: 1000,恒功率调速范围达1: 10以上；更大的功率范围达2.2250kVV 能在切削加工中自动变换速度；机床结构简单，噪声小，动态性能好，可 靠性高等。数控机床主传动设计应满足如下特点：（1）主传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

13、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。无级变速传动在一定的 变速范围内连续改变转速，以便得到最有利的切削速度；能在运转中变速， 便于实现变速自动化；能在负载下变速，便于车削大端面时保持恒定的切 削速度，以提高生产效率和加工质量。（2）具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度 的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的精度与刚 度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。（3

14、）良好的抗震性和热稳定性。数控机床一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀运动部件不平稳以及 切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生 振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工 无法进行。因此主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的刚度，而 且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力一抗振性。抗振性 用动刚度或动柔度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度阻尼比及固有频率等参数。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

15、 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，切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的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。无级变速主传动系统设计原则：一为尽

16、量选择功率和扭矩特性符合传动系统要求的无级变速装置。如 铣床主传动系统要求恒功率传动，就应该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 装置与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 .主轴部件设计主轴部件的性能要求主轴部件是机床主要部件之一，它是机床的执行元件。它的功用是支 承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表 面成型运动。主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件 等组成。主轴部件的工作性能对整机性能和加工质量以及机

17、床生产效率有着 直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此，对主轴部 件有如下要求：(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变形时，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

18、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）温升因为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

19、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

20、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，常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。轴向膨胀对与背靠背组 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

21、主轴轴承必须采用背靠背组配。（4）角接触角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。轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高 运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而 在预紧前只有部分滚导体与滚道接触。预紧后，滚导体和滚道都有了一定 的变形，参加工作的滚动体将增多，各滚动体的受力将更加均匀。这些都 有利提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都 有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高；而 且较大的预紧力将使寿命下降

22、，故预紧要适量。角接触角轴承在轴向力的作用下，使内外圈产生轴向错位实现预紧,衡量预紧力大小的是轴向预紧力，简称预紧力FaO,单位为2多联角接角球轴承是根据预紧力组配的。轴承厂规定了轻预紧、中预紧和重预紧三 级预紧。订货时可指定预紧级别。轴承厂在内圈（背靠背组配）或外圈（面 对面组配）的端面根据预紧力磨去 S。装配时挤紧，便可得到预定的预紧 力。如果两个轴承间需要隔开一定的距离，可在两轴承之间加入厚度相同 的内外隔套。在轴向载荷的作用下，不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱 离接触。而满足这个条件的最小预紧力， 双联组配为最大轴向载荷的35%（5）承载能力和寿命主轴轴承通常载荷相对较轻。一些特殊重载

23、主轴外轴承的承载能力是 没有问题的。主轴轴承的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是由于磨损 而降低精度。通常，如轴承精度为 P4级，经使用磨损后跳动精度降为 P5 级,这个轴承就认为应该更换了。虽然还未达到其疲劳寿命，但这种“精 度寿命”目前还难以估计。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

24、（平移）和第二阶（摇摆）模态，则应提高轴承 的刚度。如果属于主轴的弯曲振动，贝U应提高主轴的刚度，如加粗直径。激振力可能来自主轴组件的不平衡，这时激振频率等于主轴转速乘以n 30。也可能来自断续切削，这时激振频率还应乘以刀齿数乙（2）增大阻尼。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

25、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 系统，没有漏油问题。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。脂润滑可选用锂基脂，如 SKFLGLT(常用于球轴承)。(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

26、反而会增加。最好用油润滑，用空气冷却。油 雾润滑能达到这个目的，但是易污染环境。比较好的方法是油气润滑：在 吹向轴承的空气中定期地注入油， 油并不雾化，用后可回收，不污染环境。 油用于润滑，空气用于冷却。结论由于数控机床的精密要求，所以在设计的时候不得不考虑它的刚度要 求及抗振性要求，这使得在设计床身的时候就要考虑到它所承受的各种外 力的情况，在这方面，我针对床身的材料、厚度及其机构几方面进行了设 计。在传动方面为适应其加工范围、工艺要求、加工精度及自动化要求等 方面，对主轴进行了设计使其具有较高的热稳定性，并能保证配合精度， 并且还对X、丫、Z轴及其它相关零件进行了计算。在进给伺服系统的设计

27、 中，因其要求定位精度高、跟踪指令信号的响应快、系统的稳定好等，首 先对其进行了分析并根据其要求完成这方面的设计。在设计微机控制系统时，在选取主控制器及存储器时通过对本系统的 考虑，在从性能价格比上选取了合适的硬件结构，在电路设计方面以达到 简洁明了实用为目的，做出了设计。在选取电机时，以丝杠的最大负载及 不影响电路的正常工作。最后根据所加工的工件形状针对刀具及工作平台 设计了相应的工作程序。致谢紧张的毕业设计就要结束了。回首这几个月的毕业设计生活，虽然辛 苦，但看到自己能顺利的完成毕业设计还时感到由衷的高兴。要想自己的 设计从头至尾，每一个细节，每一步计算都明明白白，做到心中有数。并 不是一

28、件简单的事情。不下一番苦功夫，不花大力气是不可能做到这一点 的。但只要你用心做了，成功总是伴随你左右的。通过这次设计，我不敢说获得了丰富的知识，但起码也小有收获。这 使我在拿到一个题目时不再担心害怕，因为在我的脑中已形成了一种思考 问题解决问题的思路。当然，今后我们工作在一个集体中做的只是一个工 作中的某一部分，所以我们要学会配合，学会虚心听取别人意见等。这都 是在这次毕业设计中我所学到的。最后，我要感谢我的指导老师，在整个毕业设计过程中，不辞辛劳的为我找资料，为我细心的指导、讲解各种问题。在此，我要再次衷心的感 谢每一位帮助我的老师参考文献1 实用数控机床技术手册，机械工业出版社2 数控机床

29、上海交通大学教研，上海科学技术出版社3 金属切削机床设计简明手册范云涨陈兆年主编，机械工业出版社4 机床改造的思路与使用技术刘庶民编著，机械工业出版社机械设计手册15徐灏主编，机械工业出版社6 机电一体化设计基础唐可洪主编，机械工业出版社7 机电一体化系统设计张建民等编，北京理工出版社8 机床计算机数控及应用毕承思等编，机械工业出版社9 机床设计图册，上海科学技术出版社10 金属切削机床标准手册，机械工业出版社11 机械制造装备设计冯辛安编，机械工业出版社12 机电传动控制邓星钟编，华中理工大学出版社以下免费送您一百个优秀毕业论文题目，供参考。1. 企业集团激励与绩效评价问题研究2. XXX地

30、区中小企业财务管理现状问题研究3. XXX地区上市公司盈利质量实证研究4. XXX地区企业集团整合过程中的财务问题研究5. XXX地区中小企业的信用担保体系问题研究6. XXX地区上市公司财务预警问题研究7. 企业并购前后财务状况变化问题研究8. 以平衡计分卡为核心的绩效评价体系研究9. EVA在企业绩效评价中的作用研究10. 关于我区中小企业引入风险投资问题研究11. 我国上市公司经营目标的实证分析12. 对内含报酬率法的再思考13. 利用平衡计分卡落实战略的案例分析14. 基于EVA的企业业绩评价指标体系的构建与实施研究15. 基于不同发展周期的企业财务战略选择研究16. 集团公司全面预算

31、目标的制定与分解17. 现金流量折现法在评估公司战略中的应用分析18. 财务指标与非财务指标在评估管理者业绩中的应用拟合19. 我国企业财务管理目标的现实选择20. 财务管理目标与企业财务核心能力问题研究21. 企业财务管理中运用税收筹划的探讨22. 建立以财务管理为核心的资源配置制度23. 财务预警系统在财务管理中应用评价24. 基于Excel的财务预警模型研究25. 中西部地区中小企业财务战略选择问题研究26. 中小企业纳税筹划问题研究27. 企业投资过程中的纳税筹划问题研究28. 企业集团纳税筹划问题研究29. 企业纳税筹划中的风险规避问题研究30. 从公司治理结构透视财务管理目标31. 作业成本管理模式及其应用研究32. 论管理层并购在我国的运用33. 企业并购中的财务风险与防范34. 跨国公司财务管理策略及其在我国的实践35. 关于上市公司并购的财务分析36. 跨国公司财务管理体制的比较与选择37. 跨国公司财务管理策略及其在中国的实践38. 全球化与财务管理发展趋势及其模式选择39. 财务治理与财务管理之异同40. EVA对传统财务管理的冲击41. 企业财务管理机制重塑问题探讨42. 财务管理发展的文化分析43. 利益相关者合作模式下的财务管理目标选择44. 行为财务管理探索一一以价