三坐標銑床的數控化改造設計畢業論文(已修改)

　

【正文】 摘要畢業設計是在原有普通銑床的基礎上,對其進行改造,成為三坐標數控銑床。該機床能通過三軸聯動，實現曲線直線等不同的加工路線。所設計的三坐標數控銑床，三個坐標方向的移動均由步進電機帶動，主軸電機采用交流電機，所有電機均由單片機進行控制。設計主要對數控銑床的機構進行設計，了解單片機的工作原理，主要有以下幾個方面：X、Y,Z工作臺的傳動機構設計，主要是滾珠絲杠的運用；機床整體結構的設計，了解優缺點，充分考慮主要矛盾，擇優選取；單片機控制系統的設計，進一步熟悉其應用。在數控機床系統中，加工精度和加工可靠性是伺服系統決定的，本文對普通銑床的數控化改造進行了分析和設計，通過對普通銑床的數控化改造，提高了普通銑床的加工能力和加工范圍，節省了直接購買機床的部分資金，具有很好的經濟效益。關鍵詞： 銑床, 數控, 三坐標目錄摘要 1Abstract 2前言 5第一章 概論 6 數控機床的產生及發展 6 數控機床的組成及分類 6 數控機床的組成 6 數控機床的分類 8 數控機床的特點及應用范圍 9 數控機床的特點 9 數控機床的應用范圍 9第二章 設計主要參數及基本思想 10 課題要求 10 題目名稱（包括主要技術參數）及技術要求 10 課題內容及工作量 10 設計原則 10 總結構設計 11 數控機床的機構設計要求 11 提高機床的結構剛度 11 提高進給運動的平穩性和精度 12第三章 三坐標數控銑床的設計和計算 13 13 主傳動變速系統 14 主軸系統計算 17 對進給伺服系統的基本要求 19 進給伺服系統的設計要求 20 進給伺服系統的動態響應特性及伺服性能分析 20 21 X軸滾珠絲杠副 21 Y軸滾珠絲杠副 24 Z軸滾珠絲杠副 28 31第四章 微機控制系統的設計 34 34 微機控制系統的組成 34 34 微機控制系統設備介紹 35 主控制器CPU的選擇 35 存儲器電路的擴展 36 I/O口電路的擴展 38 步進電機驅動電路 40 其它輔助電路設計 41 程序部分 42結論 46參考文獻 47致 謝 48前言隨著人工智能在計算機領域的滲透和發展，數控系統引入自適應控制﹑模糊系統和神經網絡的控制機理，不但具有自動編程﹑前饋控制﹑模糊控制﹑學習控制﹑自適應控制﹑工藝參數自動生成﹑三維刀具補償﹑運動參數動態補償等功能，而且人機截面極為友好，并且有故障診斷專家系統使自診斷和故障監控功能更趨完善。伺服系統智能化的主軸交流驅動和智能化進給伺服裝置，能自動識別負載并自動優化調整參數。直線電機驅動系統以使用化。用數控銑床加工零件時，首先應編制該零件的加工程序，這是數控銑床的工作指令。將加工程序輸入數控裝置，再由數控裝置控制機床主運動的變速﹑啟動﹑停止﹑進給運動的方向﹑速度和位移量，以及工件裝夾和冷卻潤滑的開關等動作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴格按照加工工序規定的順序﹑運動軌跡加工出符合要求的零件。三坐標數控銑床的進給運動是數字控制的直接對象，不論點位控制還是連續控制，被加工工件的最后坐標精度和輪廓精度都受到進給運動的傳動精度﹑靈敏度和穩定性的影響。為此，要注意以下三點進給運動要求：(1) 減少運動件的摩擦力。進給系統雖有許多元件，但摩擦阻力主要來自絲杠和導軌。絲杠和導軌結構的滾動化是減少摩擦的重要措施之一。(2) 提高傳動精度和剛度。在進給系統中滾珠絲杠和支承結構是決定其傳動精度和剛度的主要部件，因此，必須首先保證它們的加工精度。(3) 減少運動慣量。進給系統中每個元件的慣量對伺服機構的啟動和制動特性都有直接的影響。尤其是處于高速運轉的零件，其慣性的影響更大。設計是在原有普通銑床的基礎上,對其進行改造,成為三坐標數控銑床。該機床能通過三軸聯動，實現曲線直線等不同的加工路線。所設計的三坐標數控銑床，三個坐標方向的移動均由步進電機帶動，主軸電機采用交流電機，所有電機均由單片機進行控制。此設計主要對數控銑床的機構進行設計，了解單片機的工作原理，主要有以下幾個方面：X、Y、Z工作臺的傳動機構設計，主要是滾珠絲杠的運用；機床整體結構的設計，了解優缺點，充分考慮主要矛盾，擇優選取；單片機控制系統的設計，進一步熟悉其應用。第一章 概論 數控機床的產生及發展隨著社會生產和科學技術的發展，機械產品日趨精密復雜，且需頻繁改型。特別是在宇航、造船、軍事等領域所需的零件，精度要求高，形狀復雜，批量小。普通機床已不能適應這些需求。為了滿足上述要求，一種新型的機床——數字程序控制機床（簡稱數控機床）應運而生。最早進行數控機床研制的是美國人。1952年，美國麻省理工學院成功地研制出一套三坐標聯動，利用脈沖乘法器原理的數控機床。但這臺數控機床僅是一臺試驗性的機床，當時用的電子元件是電子管。直到1954年11月，第一臺工業用的數控機床才生產出來。從此以后，世界上其他一些工業國家也多開始開發、生產及應用數控機床。我國數控機床的研制是從1958年起步的。1965年國內開始研制晶體管數控系統。從70年代開始，數控技術廣泛應用于車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、點加工等領域，數控加工中心在上海、北京研制成功。在這一時期，數控線切割機床由于結構簡單，使用方便、價格低廉，在模具加工中得到了推廣。1985年，我國數控機床品種有了新的發展。早期的數控機床控制系統采用電子管，體積大、功耗高，只在軍事部門應用。只有在微處理機用于數控機床后，才真正使數控機床得到了普及。目前數控技術的主要發展趨勢是：實現高速度，高可靠性，高精度，大功率，多功能；采用微處理機和微型計算機，向著增強功能、降低造價、方便使用的目標進展；積極應用計算技術、系統工程理論和控制技術的最新成果，像這綜合自動化方向變革。 數控機床的組成及分類 數控機床的組成控制介質數控裝備伺服裝置機床本體輔助裝備 數控機床的種類繁多，但從組成一臺完整的數控機床上講，它由控制介質、數控裝置、伺服系統和機床本體絲大部分以及輔助設備組成。如圖（1）所示。、 數控機床組成示意圖1．控制介質控制介質是指零件加工信息傳送到數控裝置去的信息載體。控制介質有多種形式，它隨著數控裝置的類型不同而不同，常用的有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。另外，隨著CAD/CAM技術的發展，有些數控設備利用CAD/CAM軟件在其他計算機上編程，然后通過計算機與數控系統通信，將程序和數據直接傳送給數控裝置。2. 數控裝備數控裝置是數控機床的控制中心。它由輸入裝置、控制裝置和輸出裝置等組成。如圖（2）所示，劃線框內位數控裝置。輸入裝置受控制介質上的信息，經過識別與譯碼之后，送到控制運算器。這些信息將作為控制與運算的原始依據。控制運算器根據輸入裝置送來的信息進行運算，并將控制命令輸送往輸出裝置，輸出裝置將控制器發出的控制命令送到伺服系統，經功率放大，驅動機床完成相應的動作。控制介質閱讀機輸 入 裝 備控 制 器輸 出 裝 置伺 服 機 構 數控裝置組成示意圖伺服系統，亦稱隨動系統，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動控制系統。它是數控機床的執行機構，包括驅動和執行兩大部分。伺服系統接受數控系統的指令信息，并按照指令信息的要求帶動機床移動部件運動，以加工出符合要求的零件。指令信息是以脈沖信息體現的，每一脈沖使機床移動部件產生的位移叫脈沖當量(～)。從自動控制理論的角度來分析，無論多么復雜的伺服系統，都是有一些功能元件組成的。圖（3）是由各功能元件組成的伺服系統基本結構方框圖。調節元件執行元件被控對象比較元件輸入 輸出量 指令 測量、反饋元件 伺服系統基本結構方框圖目前數控機床的伺服系統中，常用的位移執行機構有功率步進電機、直流伺服電動機和交流伺服電動機，后兩者都帶有光電編碼器等位置測量元件。4. 機床本體機床本體是數控機床的主體，是用于完成各種切削加工的機械部分，它是在原有的普通機床的基礎上改進而得到的，具有以下特點：（1）數控機床采用了高性能的主軸及伺服系統傳動系統，機械傳動結構簡化，傳動鏈較短。（2）數控機床機械結構具有較高的剛度，阻尼精度及耐磨性，熱變形小。（3）更多地采用高效傳動部件，如滾動絲杠副，直線滾動導軌等。除了上述四個主要部分外，數控機床還有一些輔助裝置和附屬設備，如電器，液壓，氣動系統與冷卻、排屑、照明、儲運等裝置以及編程機、對刀塊等。 數控機床的分類1． 刀具相對于工件移動的軌跡分類（1） 點位控制數控機床 點位控制機床的特點是只控制移動部件的終點位置，即控制移動部件由一個位置到另一個位置的精確定位，而對它們運動過程中的軌跡沒有嚴格的要求，在移動和定位過程中不進行任何加工。（2）點位直線控制數控機床 直線控制數控機床的特點是刀具相對于工件的運動不僅要控制兩點間的準確位置（距離），還要控制兩點之間移動的速度和軌跡。（3）輪廓控制數控機床 輪廓控制又稱連續控制，大多數數控機床具有輪廓控制功能。其特點是能同時控制兩個以上的軸，具有插補功能。（4） 執行機構的控制方式分類2． 按驅動裝置的特點分類（1）開環控制系統 它是指不帶反饋裝置的控制系統。它是根據穿孔帶上的數據指令經過控制運算發出脈沖信號輸出到伺服驅動裝置，使驅動伺服裝置轉過相應的角度，然后經過減速齒輪和絲杠螺母機構，轉換為移動部件的直線位移。（2） 閉環控制系統 它是指在機床的運動部件上安裝位移測量裝置，將加工中測量到的實際位置值反饋到數控裝置中，與輸入值的指令相比較，用比較的差值控制移動部件，直到差值為零，即實現移動部件的精確定位。（3） 半閉環控制系統 它是在開環控制系統的絲杠上或進給電動機的軸上裝有角位移檢測裝置。通過檢測伺服機構的滾珠絲杠轉角間接測移動部件的位移，然后將數據反饋給比較器進行比較，輸出比較后的差值進行控制。3. 按加工方法分類（1） 金屬切削類數控機床；（2） 金屬成型類數控機床；（3）數控特種加工機床；（4） 其它類的數控機床4. 按數控機床的性能分類(1)低檔數控機床；(2) 中檔數控機床；(3) 高檔數控機床； 數控機床的特點及應用范圍 數控機床的特點數控機床是一個裝有程序控制系統的機床。它是一種高度機電一體化的產品。特點如下：（1）適應性強，加工精度高，質量穩定（2）生產率高（3）減輕勞動強度、改善勞動條件（4）良好的經濟效益（5）有利于生產管理的現代化 數控機床的應用范圍從最經濟的方面出發，數控機床適用于加工：（1）多品種小批量零件；（2）結構較復雜，精度要求較高的零件；（3）需要頻繁改型的零件；（4）價格昂貴，不容許報廢的關鍵零件；（5）需要小生產周期的急需零件。 第二章 設計主要參數及基本思想 課題要求 題目名稱（包括主要技術參數）及技術要求三坐標數控銑床設計（1）X、Y、Z軸的行程分別為 300mm、300mm、250mm。（2）；（3）X、Y、Z軸 快速進給速度分別為 6m/min、6m/min、3m/min；（4）工作臺面尺寸300x500mm。（5）；（6）重復定位精度 . 課題內容及工作量(1) 簡易數控銑床總圖A0一張(2)控制原理圖設計A0一張(3)(4)翻譯500漢字注：全部圖紙用計算機繪制，說明書由計算機輸出。 設計原則根據設計要求和銑床的具體情況，課題的基本設計方案如下： （1）機床采用連續控制系統，定位方式采用增量坐標控制。（2）考慮到機床加工精度要求不高，為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環伺服系統驅動。（3）進給傳動的設計是機床設計的重點，數控機床必須有精確的進給傳動系，才會有高的精度和表面質量。考慮到電機步距角和絲杠導程只能按標準選用，需采用齒輪降速傳動，利用電子控制系統消除誤差。（4）為了保證一定的傳動精度和平穩性，又要求機構緊湊，所以選用絲杠螺母副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的