三坐标铣床的数控化改造设计

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：铣床,数控,三坐标目录摘要......................................................1Abstract..................................错误!未定义书签。前言......................................................4第一章概论..............................................51.1数控机床的产生及发展....................................51.2数控机床的组成及分类....................................61.2.1数控机床的组成.......................................61.2.2数控机床的分类.......................................81.3数控机床的特点及应用范围.................................91.3.1数控机床的特点.......................................91.3.2数控机床的应用范围...................................9第二章设计主要参数及基本思想...........................102.1课题要求................................................102.1.1题目名称（包括主要技术参数）及技术要求.............102.1.2课题内容及工作量...................................102.2设计原则...............................................102.3总结构设计.............................................112.3.1数控机床的机构设计要求..............................112.3.2提高机床的结构刚度..................................112.3.3提高进给运动的平稳性和精度.........................12第三章三坐标数控铣床的设计和计算.......................133.1主传动系统的设计........................................133.1.1主传动变速系统......................................143.2主轴系统计算...........................................173.3.1对进给伺服系统的基本要求............................203.3.2进给伺服系统的设计要求..............................203.3.3进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析............213.4进给传动的计算..........................................213.4.1X轴滚珠丝杠副......................................223.4.2Y轴滚珠丝杠副.......................................253.4.3Z轴滚珠丝杠副......................................293.4.4滚珠丝杠的安装与使用.................................33第四章微机控制系统的设计...............................344.1微机控制系统组成及特点.................................344.1.1微机控制系统的组成..................................344.1.2微机数控系统的特点...................................354.2微机控制系统设备介绍.................................364.2.1主控制器CPU的选择..................................364.2.2存储器电路的扩展....................................374.2.3I/O口电路的扩展.....................................394.2.4步进电机驱动电路....................................414.2.5其它辅助电路设计....................................424.3程序部分...............................................43结论.....................................................46参考文献..................................错误!未定义书签。致谢.....................................错误!未定义书签。前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。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。第一章概论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。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，高可靠性，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。如图（1）所示。、图1.1数控机床组成示意图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软件在其控制介质数控装备伺服装置机床本体辅助装备他计算机上编程，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。如图（2）所示，划线框内位数控装置。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。图1.2数控装置组成示意图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0.001mm～0.01mm)。从自动控制理论的角度来分析，无论多么复杂的伺服系统，都是有一些功能元件组成的。图（3）是由各功能元件组成的伺服系统基本结构方框图。输入输出量指令图1.3伺服系统基本结构方框图目前数控机床的伺服系统中，常用的位移执行机构有功率步进电机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，后两者都带有光电编码器等位置测量元件。控制介质阅读机输入装备控制器输出装置