1、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
2、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 第 2 页 英文摘要This design is for tri-coordinate numerical control grinding machine .This machine tool can work along the curve and straight line th
3、rough co-operation of three axles .By changing the abrasive wheel it can also process different type and outline .And thus improve the quality of its surface .Furthermore, this machine tool can handle the face-improving process of other tools and components .The tri-coordinate NC curved surface grin
4、ding machine work head is connected with stand post by means of a mouse-tooth device .It can change the angle between the main axle and work desk. The motion of tri-coordinate direction is urged by DC. The work desk is fixed at both ends, thus it can reach the high accuracy .Three coordinate directi
5、on move and urge by direct current serve electrical machinery and realize half close ring system through speed feedback and position feedback. Main shaft adopt and exchange electrical machinery by electrical machinery ,go on step speed regulation to their by converter. All electrical machineries are
6、 controlled by the one-chip computer.In this way the product produced are with high quality we mainly design the structure of the numerically controlled milling machine, and find out control prnciple of single tool machine: The design of the transmission structure of X、Y worktable .Mainly the applic
7、ation of boll beany; Assiting system with the control of open-loop system and its working prinples; The design of the whole machine structure and it advantages and disadvantages; The design of the numerically controlled device ,and its control principles.In this design ,we fully consider the practic
8、al orders of economy , technology and applicability and choose the least plan to get the least effect.Key Words: Numerical Control Tri-coordinate Milling Machine第 3 页 目录中文摘要 .1英文摘要 .2目录 .3第一章 概论 .11.1 数控机床的产生与发展 .11.2 何谓数控机床 .11.3 数控机床的应用范围 .11.4 数控机床的基本组成 .21.5 数控机床的分类 .21.6 数控机床的工作过程 .21.7 数控机床的特点
9、 .21.8 磨削概论 .21.9 三坐标数控磨床 .3第二章 总体结构设计 .62.1 提高机床的结构刚度的设计 .62.2 提高机床的抗振性的措施 .72.3 提高机床灵敏度 .7第三章 进给伺服系统结构设计 .83.1 进给伺服系统的作用 .83.2 进给伺服系统的设计要求 .83.2.1 对进给伺服系统的基本要求 .83.2.2 进给伺服系统的设计要求 .93.3 进给伺服系统的组成 .93.4 进给伺服系统的分类 .93.5 给伺服系统的数学模型。 .103.5.1 数控机床的位置调节系统 .103.5.2 进给伺服系统的数字模型 .103.6 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分
10、析 .103.6.1 时间响应性 .103.6.2 频率响应特性 .113.6.3 稳定性分析 .113.6.4 快速性分析 .113.6.5 伺服精度 .113.7 驱动元件的设计 .123.7.1. 选用伺服电动机 .123.7.2 选用交流伺服电机 .123.8 机械传动部件的设计 .14第四章 床身与导轨 .204.1 床身设计 .204.1.1 床身结构的基本要求 .204.1.2 床身的结构 .204.1.3 床身的截面形状 .204.1.4 钢板焊接结构 .21第 4 页 4.1.5 箱体封沙结构 .214.2 导轨设计 .214.2.1 对导轨的要求 .214.2.2 滑动导轨
11、 .214.2.3 贴塑滑动导轨 .214.2.4 导轨结构 .224.2.5 导轨设计 .224.2.6 导轨的材料 .22第五章 主传动系统结构设计 .235.1 主传动系统的设计要求 .235.2 主传动变速系统的设计 .235.3 主轴组件设计 .235.3.1 对主轴组件的性能要求 .235.3.2 主轴组件的组成和轴承选型 .245.3.3 主轴组件的技术要求 .255.3.4 主轴组件的动态特性 .265.3.5 主轴轴承的润滑 .265.4 选择主轴电机 .275.5 高速带的设计计算 .29第六章 控制系统设计 .316.1 确定硬件电路的总体方案 .316.2 主控制器 C
12、PU 的选择 .316.3 存储器扩展电路设计 .316.4 I/O 口扩展电路设计 .326.5 交流伺服电机驱动电路 .326.6 主轴电机驱动电路 .326.7 越界报警 .32程 序 .33设 计 小 结 .36参考文献 .37第 1 页 第一章 概论设计任务书1、三坐标数控磨床的主要技术要求（1）X、Y、Z 行程分别为 300mm、300mm 、300mm。（2）进给精度为 0.001mm（3）X、Y、Z 轴快速移动速度分别为 10m/min、10m/min、10m/min(4 )工作台面尺寸 420300mm2、课题内容及工作量（1） 三坐标数控磨床总体布置图 Ao 1 张（2）
13、X-Y 工作台装配图（机构图）Ao1 张（3） 磨头机构装配图 Ao1 张（4） 单片机控制原理图 Ao1 张（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1.1 数控机床的产生与发展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
14、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（MNC 微处理机控制系统） 。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
15、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。1.2 何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。第 2 页 1.3 数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：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；
16、需要全部检测的零件。1.4 数控机床的基本组成如图所示：1.5 数控机床的分类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。1.6 数控机床的工作过程 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
17、步骤都是由数控系统和机床自动进行的。 1.7 数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1.8 磨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。从当第 3 页 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
18、的生产率 （4）适应性广1.9 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
19、长度 420mm300mm工作台 X 轴行程 300mm工作台 Y 轴行程 300mm工作台 Z 轴行程 350mmX、Y、Z 轴快速移动速度 都为 10r/minX、Y、Z 电机 70SL5A2 交流伺服电机主轴转速级数 无级调速主轴转速范围 （398014920）r/min主电机功率 7.0kw主轴交流电机 1HP6103-4CG4机床外形尺寸 1792mm1308mm2018mm 3 机床的主要结构机床主要有工作台、主轴箱、立柱、电气柜、CNC 系统等组成。 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
20、夹具定位和安装固定工件使用。中间一个第 4 页 梯形槽是定位梯形槽。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 C 级向心推力角接触球轴承 3 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 D 级向心推力球轴承 5，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
21、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
22、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1.主传动图及说明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（398014920）r/min。实现第 5 页 无级调速。2.进给传动图及说明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
23、接带动滚珠丝杠，功率都为 1.4kw，无级调速。三个轴的进给速度均为 1400mm/min。快移速度都为 10m/min。三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.本次设计主要对总体结构进行设计.数控机床的功能设计和普通机床有着很大的差别.对数控机床的结构设计要求可归纳为如下几个方面:(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
24、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。2.1 提高机床的结构刚度的设计机床的刚度是指切削力和其它力作用下,抵抗变形的能力.该磨床要求具有高的静刚度和动刚度。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
