一种三坐标数控铣床的设计

一种三坐标数控铣床的设计摘要:本文介绍对三坐标数控铣床进行分析和设计，该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线。

从而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，机床整体结构的设计，并提供了相应的原理图和电路图。

提高了数控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,伺服,闭环, 半闭环, 三坐标1．引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，以及工件装置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。

2．数控铣床的构成与工作原理2.1数控铣床的组成1控制介质数控机床工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。

2．数控系统数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。

它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进出并加工零件，数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置4大部分组成。

3．伺服系统伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。

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的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求的工件。

每一个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。

目前所使用的数控系统脉冲当量通常为0.001mm/脉冲。

伺服系统一般由基本结构比较元件、调节元件、执行元件、被控对象、测量、反馈元件组成。

4．辅助控制系统辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。

5．机床本体机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。

2.2数控铣床的关键结构部件（1）伺服系统驱动电机[1]步进电动机步进电动机通常用于开环伺服系统机床。

[2]直流伺服电动机①小惯量直流电动机②宽调速直流电动机③无刷直流电动机[3]交流伺服电动机近年来新型功率开关器件、专用集成电路和新的控制算法等的发展带动了交流驱动电源的发展，使其调速性能更能适应数控机床伺服系统的要求。

交流速度控制系统正逐步取代直流速度控制系统。

（2）位置检测装置检测装置是把位移和速度测量信号作为反馈信号，并将反馈信号转换成数字送回计算机，和脉冲指令信号相比较，以控制驱动元件正确运转。

[1] 感应同步器感应同步器是一种电磁式的高精度位移检测元件，按其结构方式的不同可分为直线式和旋转式两种，前者用于长度测量，后者用于角度测量。

感应同步器的特点是：精度高，工作可靠，抗干扰性强，维护简单，寿命长，可测量长距离位置，成本低，易于批量生产。

[2] 光栅光栅就是在一块长条形的光学玻璃上均匀地刻划很多条与运动方向垂直的条纹，条纹之间的距离成为栅距。

光栅测量装置是一种非接触式测量，利用光路减少了机械误差，具有精度高，响应速度快等特点，因此是数控机床和数显系统常用的检测元件。

[3] 磁栅磁栅是用电磁的方法计算磁波数目的一种位置检测元件，磁栅测量装置由磁性标尺、读取磁头和检测电路组成。

磁栅位置检测电路的特点是：容易制造，检测精度高（能达到每米±3mm），安装使用方便，对环境条件要求较低，若磁性标尺膨胀系数与机床一致，可在一般车间使用。

由于磁头与磁栅为有接触的相对运动，因而有磨损，使用寿命受到一定的限制。

一般使用寿命可达到5年，涂上保护膜后寿命则可进一步延长。

[4] 旋转变压器旋转变压器是一种角位移检测元件，由定子和转子组成，分为有刷和无刷两种形式。

有刷旋转变压器定子和转子均为两相交流分布绕组。

数控机床检测装置主要使用无刷旋转变压器，因为无刷旋转变压器具有可靠性高、寿命长、体积小、不用维修以及输出信号大、抗干扰能力强等优点。

[5] 脉冲编码器脉冲编码器是把机械转角转化为电脉冲的一种常用角位移传感器。

[6] 测速发电机测速发电机是速度反馈元件，相当于一台永磁式直流电动机。

（3）进给运动传动部件滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型理想传动装置。

具有如下优点。

[1]传动效率高。

[2]摩擦力小。

[3]使用寿命长。

[4]经预紧后可以消除轴向间隙，提高系统的刚度。

[5]反向运动时无空行程，可以提高轴向运动精度。

(4)CRT显示及其接口(5)数控机床通信RS-232接口2.3工作原理根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺，选择加工参数。

通过手工编程或利用CAM 软件自动编程，将编好的加工程序输入到控制器。

控制器对加工程序处理后，向伺服装置传送指令。

伺服装置向伺服电机发出控制信号。

主轴电机使刀具旋转，X、Y 和Z向的伺服电机控制刀具和工件按一定的轨迹相对运动，从而实现工件的切削。

数控铣床的床身固定在底座上，用于安装和支承机床各部件，控制台上有彩色液晶显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。

纵向工作台、横向溜板安装在升降台上，通过纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机和垂直升降进给伺服电机的驱动，完成X、Y、Z坐标的进给。

电器柜安装在床身立柱的后面，其中装有电器控制部分。

工作原理如图（1）如图1 工作原理3．数控铣床的设计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。

动力源给执行元件提供动力，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。

3.2主轴系统计算三角胶带传动的计算和选定三角带的选用应保证有效地传递最大功率（不打滑）并有足够的使用寿命（一定的疲劳强度）。

(1) 确定计算功率P dP A d K =P 4.14122.1=⨯=kW式中：K A —工况系数P —电机额定功率 Kw(2) 选择三角带型号根据P d 、n 1由图7-8选SPA 型窄V 带(3) 确定带轮直径D 1、D 2小带轮直径D 1应满足：D ≥1D m in 查表7-4取D mm 90min =,故选择D mm1001=(4) 计算胶带速度 s m s m n D v /25/5.660000125010010006011<=⨯⨯=⨯=ππ故 D 1选择合格D mm iD 200100212=⨯==(5) 确定中心距a 和带长L d)(7.021D D +)(2210D D a +≤≤得 mm a mm 6002100≤≤初选 mm a 3000=带长 mm a D D D D a L d 10784)()(220212210'=-+++=π查表7-3，取mm L d 1000=中心距 mm a a dd 26120=+=a 的调整范围：mm L a a d 246015.0min =-=mm L a a d 29103.0max =+=(6) 验算小带伦包角1α ︒︒⨯--=3.57180121a D D α得 ︒︒>=1201621α， 即满足条件。

(7) 确定V 带根数z LdK K P P P z α)(00∆+=由表7-6a 查得 kW 27.20=P )11(10ib K n K -=∆P由表7-10查得 3107862.2-⨯=b K由表7-11查得 1199.1=i K )1199.111(1250107862.23-⨯⨯=∆-i PkW 38.0=由表7-9查得 96.0=αK由表7-3查得 89.0=L K代入求根公式，得 96.089.0)38.027.2(4.14⨯⨯+=z02.6=取z=6,符合表7-4推荐的轮槽数(8) 确定出拉力0F20)1(500qv K zv F d +-=α由表7-5得 m kg q /12.0= 205.612.0)115.2(5.664.14500⨯+-⨯=F N 282= (9) 计算作用在轴上的压力Q 2sin 21αz Q = 2162sin 28262⨯⨯⨯= N 3383=3.3 进给伺服系统的设计3.3.1 对进给伺服系统的基本要求进给伺服系统不但是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。

数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度高；跟踪指令信号的响应快；系统的稳定好。

(1) 稳定性伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行,或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。

伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及组成元件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等），，与外界的作用信号（包括指令信号或扰动信号）的性质或形式无关。

(2) 精度伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度。

伺服系统工作过程中通常存在三种误差：动态误差、稳定性误差和静态误差。

实际中只要保证系统的误差满足精度指标就行。

(3) 快速响应性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。