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1、精选优质文档-倾情为你奉上 数控铣床系统设计分析 摘要目前，数控技术已被世界各国列为优先发展的关键工业技术，成为国际间科技竞争的重点。数控技术的应用将机械制造与微电子、计算机、信息处理、现代控制理论、检测技术以及光电磁等多种学科技术融为一体，使制造业成为知识、技术密集的大学科范畴内的现代制造业，成为国民经济的基础工业。数控技术是当今柔性自动化和智能自动化的技术基础之一，它使传统制造工艺发生了显著的、本质的变化。随着数控技术的不断发展和应用，工艺方法和制造系统的不断更新，形成了CAD、CAM、CAPP、CAT、FMS等一系列具有划时代意义的新技术、 新工艺的制造系统。开环系统不需要位置和速度检测
2、功能的控制系统，一般采用步进电机作为驱动元件。因此控制简单、价格低廉、精度低，可靠性和稳定性难以保障。 半闭环系统位置和速度检测元件一般是安装在伺服电机的非输出轴端上，稳定性相对较好，调试、维修简单，精度比较高。 全闭环系统位置和速度检测元件一般是安装在机床工作台或某些部件上，精度和稳定性高，但调试、维修较麻烦。数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两者的加工工艺基本相同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床,所以其结构也与普通铣床有很大区别. 铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成： 1、主轴箱 包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带
3、动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。 2、进给伺服系统 由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。 3、控制系统 数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。4、辅助装置 如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。 5、机床基础件 通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。工作流程图数控机床功能结构图总体黑箱图子系统分析一，动力系统动力系统包括动力机及其配套装置，是机械系统工作的动力源，是机械设备的驱动部分。普通车床中的原动机是电动机，它具有较高的驱动效率，与工作机械连接方便，
4、具有良好的调速，启动，制动，和反向控制性能，并且工作时无环境污染。一般使用的电动机是伺服电机，其额定功率P，额定转速n可根据车床的负载情况来具体选择。1. 伺服电机 伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名。伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控
5、制的非常灵活方便。伺服电机的工作原理： 伺服电机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。伺服电机的控制： 标准的伺服电机有三条控制线，分别为：电源、地线及控制。电源线与地线用于提供内部的电机及控制线路所需的能源，电压通常介于4V6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服电机会产生噪音）。甚至小伺服电机在重负载
6、时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间。二，控制系统1 技术概念和组成结构伺服控制技术 概念和组成结构伺服控制技术是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制技术。运用该技术构成的系统进给伺服系统是一个典型的机电一体化系统，主要由以下几个部分组成：位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元和机械执行部件。进给伺服系统各模块(单元)之间的联系。从调节原理的角度，进给伺服系统是一种精密的位置跟踪与定位系统，按其位置环路的开放与否，可以分为
7、开环与闭环两种，其中闭环系统按其位置检测元件的安装部位又可分为：全闭环与半闭环两种。全闭环的位置检测元件安装在进给传动链的末端，半闭环的位置检测元件安装在进给传动链中的某个传动元件上。如果说CNC装置是数控装备的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控装置的“四肢”，是一种“执行机构”。进给伺服系统忠实地执行由CNC 装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向、进给速度与位移量。通常在数控机装备往往需要对多个运动部件进行控制，如：数控车床一般有两个进给轴，数控铣床一般有3个进给轴，加工中心则有更多的进给轴(包括直线轴或回转轴)。这些进给轴有的带动装有工件的工作台运动，
8、有的则带动装有刀具的刀架(如车床)或主轴箱(如铣床等)。每个进给轴均是一个进给伺服系统。多个进给伺服系统问的配合和协调，是通过CNC 装置(以指令的方式)实现的。通过多个进给伺服系统的协调，可使刀具相对于加工工件产生复杂的曲线运动，加工出复杂形状的工件。2.工作原理1)开环进给伺服系统开环进给伺服系统的原理与图1相似，只是没有检测与反馈单元(包括相应的位置和速度检测元件)，驱动电机只能用步进电机，因为通过脉冲既可以控制其速度(脉冲的频率)，又可以控制其位置(脉冲的个数)。图1 进给伺服系统的原理图 开环进给伺服系统的工作原理如图2所示。图2 开环进给伺服系统工作原理图 系统接受来自CNC插补指
9、令，即该轴在插补周期内的位移量，按该系统的脉冲当量，将位移量转换成相应的脉冲个数n 和脉冲频率，输出给脉冲环形分配器，由它将脉冲逐一分配给步进电机各相的驱动电源，经其放大后驱动步进电机运行。2)闭环和半闭环进给伺服系统的工作原理 闭环和半闭环进给伺服系统所使用驱动电机通常是直流伺服电机和交流伺服电机。由于这类驱动电机只能控制其速度，不能控制其位置，当用于位置控制系统时，只能采用闭环或半闭环控制，不能用于开环控制，所以系统的结构要比开环的复杂。系统接受来自CNC 插补指令，即该轴在插补周期内的位移量，并以该位移量和由检测与反馈单元测得的执行部件的实际位置值，作为位置控制单元的输入，经过比较器比较
10、，即得位置跟随误差： 跟随误差=位置指令值-实际位置值 以跟随误差为位置控制调节器的输入，按给定的调节规律(P、PI、PID 或其他方法)计算出速度指令值，经数模转换(DA)后变成速度指令电压，该电压即为速度控制单元的一个输入量。 速度控制单元以位置控制单元输出的速度指令电压和由检测与反馈单元测得的实际速度值为输入，经过比较器比较，即得速度跟随误差： 速度跟随误差=速度指令电压-实际速度电压 以速度跟随误差为速度调节器的输入，按给定的调节规律进行调节可得出伺服电机控制电压，该电压根据伺服电机的不同将变换成不同形式的电量，并经过放大后输出以控制电机的运行。三，传动系统主运动机械部件 数控机床的主
11、传动运动是指生产切屑的传动运动，例如，数控车床上主轴带动工件的旋转运动，立式加工中心上主轴带动铣刀、镗刀和砂轮等的旋转运动。数控机床的主传动运动是通过主传动电机拖动的。 一、主传动运动的变速系统 目前，数控机床的主传动电机已经基本不再使用普通交流异步电机和传统的直流调速电机，他们与逐步被新兴的交流变频调速伺服电机和直流伺服调速电机代替。数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。为了适应各种工件和各种工件材料的要求，多恭喜自动换刀的数控机床和加工中心主运动的调速范围应进一步扩大。数控机床的变速时按照控制指令自动进行的，因此变
12、速机构必须适应自动操作的要求。 由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越性。为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流和直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。由于主运动采用了无级变速，在大型数控车床上测斜端面时就可实现恒速切屑控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。数控机床主传动主要有三种配置方式。 1.带有变速齿轮的主传动 这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传
13、动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。 2.通过皮带传动的主传动 这主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。但它只能使用与要求的扭矩特性的主轴。 3.由调速电机直接驱动的主传动 这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。 二、数控机床主轴部件 数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有直接影响。由于加工过程中不对数控机床进行人工调整，因此这些影响就更为严重。目前数控机床的主轴厂主要有三种型式。 1.前后支撑采用不同轴承 前支撑采
14、用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承。此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切屑的要求，因此普遍应用于各类数控机床。 2.前轴承采用高精度双列向心推力球轴承 向心推力球轴承高速时性能良好，主轴最高转速可达4000r/min。但是，它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和紧密的数控车床。 3.双列和单列圆锥滚子轴承 这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限制了主轴的最高转速和精度，因此使用中等精度、低速与重载的数控机床。在主轴的机构上，要处理好卡盘和刀架的装夹、主轴的卸荷、主轴轴
15、承的定位和间隙调整、 主轴部件的润滑和密封以及工艺上的其他一系列问题。为了尽可能减少主轴部件温升热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油的循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度。在某些数控镗、铣床上采用专用的制冷装置，比较理想的实现了温度控制。近年来，某些数控机床的主轴轴承采用高级油脂，用封入方式进行润滑，每加一次油脂可以使用7年至10年。为了使润滑油和油脂不致混合，通常采用迷宫密封方式。 对于数控车床主轴，因为在它的两端安装着结构笨重的动力卡盘和夹紧油缸，所以主轴刚度必须进一步提高，并应设计合理的连接端，以改善动力卡盘与主轴端度的连接刚度。 对于数控镗床或铣床的主轴，
16、考虑到实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还配有刀具自动装卸、主轴准停和主轴孔内切屑的清除装置。 进给传动机械部件 通常，一个典型的数控机床闭环控制进给系统，由位置比较，放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成。其中，机械传动装置是位置控制中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链，包括齿轮装置、丝杠螺母副等中间传动机构。四，执行系统执行系统是直接完成系统预期工作任务的部分，因此，也称工作机或工作装置。执行机构的作用是传递和变换运动与动力，即把传动系统传递过来的运动与动力进行必要的变换，以满足执行构件的要求。执行机构变换运
17、动，就其变换形式来说，常见的有转动变换变为移动或摆动，或反之。就变换的节拍来看，这可分为将连续运动变换为不同形式的连续运动或间歇运动。（一） 刀具数控铣床上所采用的刀具要根据被加工零件的材料、几何形状、表面质量要求、热处理状态、切削性能及加工余量等，选择刚性好、耐用度高的刀具。1）铣刀类型选择根据被加工零件的几何形状,选择刀具的类型有：1） 加工曲面类零件时，为了1保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，而避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀,。2） 铣大的平面时：为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形铣刀，3） 铣小平面
18、或台阶面时一般采用通用铣刀。4） 铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀。 5） 加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工类刀具。 1)平面铣刀选择平面铣刀直径时主要需考虑刀具所需功率应在机床功率范围之内，也可将机床主轴直径作为选取的依据。平面铣刀直径可按D1.5d（d为主轴直径)选取。在批量生产时，也可按工件切削宽度的1.6倍选择刀具直径。2)立铣刀立铣刀直径的选择主要应考虑工件加工尺寸的要求，并保证刀具所需功率在机床额定功率范围以内。如系小直径立铣刀，则应主要考虑机床的最高转数能否达到刀具的最低切削速度(60m/min)。3)槽铣刀槽铣刀的直径和宽度应根据加工工件尺寸选择，并保证其切削
19、功率在机床允许的功率范围之内（二） 夹具数控机床主要用于加工形状复杂的零件，但所使用夹具的结构往往并不复杂。数控铣床夹具的选用可首先根据生产零件的批量来确定。对单件、小批量、工作量较大的模具加工来说，一般可直接在机床工作台面上通过调整实现定位与夹紧，然后通过加工坐标系的设定来确定零件的位置。 对有一定批量的零件来说，可选用结构较简单的夹具。例如，加工图1所示的凸轮零件的凸轮曲面时，可采用图2中所示的凸轮夹具。其中，两个定位销3、5与定位块4组成一面两销的六点定位，压板6与夹紧螺母7实现夹紧。图中：1-凸轮零件，2-夹具体，3-圆柱定位销，4-定位块，5-菱形定位销，6-压板，7-夹紧螺母。系统方案分析总结经过对铣床的系统分析，我对机械系统有了进一步的了解，对数控铣床有了进一步的认识。参考文献：机械系统设计 朱龙根编数控铣床用户手册专心-专注-专业