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1、摘 要摘 要论文详细介绍了实验型数控铣床的设计过程，此设计过程大致可分为以下两部分：论文第一部分主要进行了数控铣床的机械部分设计。首先，论证了各种方案的优缺点，从而在总体布局上有所把握。其次，我们通过分析比较各种设计方案，根据合理性和经济性的指导思想，决定采用立式结构，十字工作台式，床身导轨水平放置。最后，通过对各零部件进行选择和校核，最终采用了在生产中已经非常专业化的角接触球轴承、圆柱形滑动导轨、混合式步进电动机和滚珠丝杠等。在机械部分设计过程中，尽量考虑节约成本和互换性，保证X、Y进给选用相同的步进电机、滚珠丝杠等零部件。论文第二部分主要进行了数控铣床的控制部分设计。其主要成果是：对电气控
2、制系统的组成作简单阐述，通过比较多种控制系统，选择采用PLC进行控制。了解数控铣床的全部工作要求，确定采用三菱公司的FX2N系列可编程控制器构成的控制系统来实现对步进电机的启停、正反转、两轴联动和变频调速的控制，从而实现加工过程的自动控制。通过弱电控制强电，计算机数字化控制电路，成功地实现了工作要求，使其具有能控制电动机启停、正反转、变频调速和两轴联动等功能。关键词：数控铣床，两坐标，实验型，可编程控制器第二章 实验型数控铣床的总体设计2.1 总体设计的基本要求(1)满足各种加工要求，如加工范围、加工精度等。(2) 确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在既经济又合理的条
3、件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率。(3) 确保铣床具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪声水平。(4) 应便于观察加工过程，便于操作、调整和维修。(5) 结构简单，合理可靠。(6) 体积小，重量轻。2.2 总体设计的主要内容(1) 运动功能设计。包括确定机床所需运动的个数、形式（直线运动、回转运动）、功能（主运动、进给运动、其他运动）及排列顺序，最后画出机床的运动功能图。(2) 基本参数设计。包括整体尺寸参数、零件尺寸参数、运动参数和动力参数设计。(3) 传动系统设计。包括传动方式、传动原理图及传动系统设计。(4) 总体结构布局设计。包括运动功能分
4、配、总体布局结构形式及总体结构布局方案图设计。(5) 控制系统设计。包括控制方式及控制原理、控制流程图设计、控制电路图设计以及PLC选用和控制程序编写。根据前面所提到的数控铣床应满足的基本要求就可以进行总体设计。在各项基本要求中以加工工艺要求最为重要。由加工工艺要求决定铣床所需要的运动。完成每个运动又有相应的功能部件，这就可以确定各部件的相对运动和相对位置关系。铣床的总体布局也就可以大体确定下来。2.3 方案的比较与选择数控铣床与一般的数控机床一样，是由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。对实验型数控铣床的设计，一方面，要求其功能完善、结构开放，具有与一般生产实用型数控铣床一样的工作原
5、理和工作性能；另一方面，要求其体积小、价格低，以利于此类实验型铣床的普及推广。本课题的设计主要是两个方面：其一：机械结构的设计；其二：控制系统的设计。这里有两个方案：方案一、采用减速箱，并对滚珠丝杠进行两端支撑；减速箱采用圆柱齿轮变速，这种方案可以通过增加减速箱，达到：1.增大转动扭矩；2.提高脉冲当量；3.匹配惯量。对滚珠丝杠进行两端支撑，可以尽量减少由于一端支撑，可能产生的弯曲，减少误差，提高精度。方案二、直接采用套筒式联轴器连接步进电动机和滚珠丝杠，对滚珠丝杠进行一端支撑或两端支撑。这种设计结构简单，加工安装方便。综合考虑，由于切削石蜡、塑料等材料，根据计算切削力较小，最终选用步进电机，
6、脉冲当量为0.01mm/step，无减速装置，直接采用套同式联轴器联接电动机轴和滚珠丝杠。因为实验型数控铣床主要目的是用于演示实验，行程较短，对加工精度要求不高，传递的转动扭矩也不是很高，而一端固定一自由的支承形式结构简单，刚度、临界转速、压杆稳定性比较低，适用于较短和竖直的丝杠。2.4 实验型数控铣床的方案拟定机械系统部分：实验型数控铣床采用立式结构，十字工作台式，床身导轨水平放置，这样布局不仅有利于减少占地面积。总体机床长为560mm，宽为420mm，高为700mm，工作台宽160mm，长160mm，可以实现X轴、Y轴两坐标联动。电动机与丝杠的连接可以通过套筒式连轴器来实现。在工作过程中，
7、X轴和Y轴都是步进电机带动丝杠旋转，滚珠螺母沿丝杠做水平移动，从而带动工作台沿导轨在水平面前后左右移动。Z轴的进给则是手动来实现的。电动机带动主轴旋转，从而完成铣削过程。控制系统部分：通过采用三菱公司的FX2N系列可编程控制器构成的控制系统来实现对步进电机的启停、正反转、两轴联动和变频调速的控制，从而实现加工过程的自动控制。其中重点是确定硬件电路的总体方案和软件设计，主要有：输入输出接口选用及电路设计，步进电机接口和驱动电路。由此，可以大体画出整体结构的系统框图，如下图2-1所示。图2-1 总体的系统框图v第三章 数控铣床机械部分设计的一般过程3.1 铣削力的计算3.2 主轴电机的选择3.3
8、X、Y轴铣削力的计算3.4 步进电机的选择步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得所需的转角转速及转向，很容易用微机实现数字控制。（1）应用中需要注意的几点：步进电机应用于低速场合每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效
9、率高，噪音低。步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。转动惯量大的负载应选择大机座号电机。电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电
10、机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少。电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。应遵循先选电机后选驱动的原则。（2）步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相
11、电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。选用1.5度。静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）综上所述选择电机一般应遵循步骤如图3-
12、1所示： 图3-1 选择电机的步骤力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=M=2n/60P=2nM/60其中P为功率，单位为瓦；为每秒角速度，单位为弧度；n为每分钟转速；M为力矩，单位为牛顿米。P=2fM/400(半步工作)其中f为每秒脉冲数（简称PPS）。（3）混合式步进电机控制系统优缺点混合式步进电机控制系统的优点正是由混合式步进电机特殊的结构所带来的，简而言之它具有稳定可靠、性能好、运行平稳等优点，以和最具有可比性的反应式步进电机系统相比为例。首先，混合式步进电机系统可靠性和稳定性较高，由于驱动器是系统中可靠性最薄弱的一
13、个部分，所以系统可靠性和稳定性主要是由驱动器的可靠性来决定的。混合式电机转子上有永磁体，部分磁场已由转子上的磁钢产生，所以混合式电机绕组电流可以设计得比较小，而反应式电机磁场完全由绕组电流产生，故欲和混合式电机产生相同的转矩，在电机体积相差不太大的情况下，反应式电机所需电流就要大得多。在当前电力电子器件水平限制下，混合式电机的驱动器就比反应式电机的驱动器要可靠得多，同时由于大的绕组电流，反应式电机本体的发热情况也要严重的多。实际上，为产生相同的转矩，反应式电机不仅线圈电流大，而且定子线圈匝数多，电机体积大，绕组电感也大。由于绕组电感大，反应式驱动器必须要以高压驱动才会有比较好的高频性能，但这样
14、驱动器的可靠性会明显变差；如果反应式驱动器取和混合式驱动器一样的驱动电压时，电机的高频转矩明显要小，这也是反应式电机系统性能比混合式电机系统差的一个重要原因。混合式步进电机一般步距角较小，再加上混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，在控制步进电机升降频规律一致的情况下，运行要比反应式步进电机稳定。混合式步进电机系统的缺点在于混合式步进电机的制造比较复杂，电机的成本相对较高；其次是虽然混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，但依然影响性能。脉冲当量应根据系统精度要求来确定，一般取为0.010.02mm。如取得太大，无法满足系统精度要求，如取得太小，或者机械系统难以实现，或者对其精度和动态性能提出过
15、高要求，使经济性降低。所以根据数控钻铣床的精度要求，步进电动机脉冲当量：，步角距。由于无减速装置，所以由=/360可知，滚珠丝杠螺距，即基本导程=4mm。一般来讲，反应式步进电机步距角较小，运行频率高，价格较低，但功耗较大，永磁式步进电机功耗较小，断电后仍有制动力矩，但步距角较大，启动和运行频率较低，混合式步进电机由上述两种电机的优点，但价格较高。考虑到该机床垂直进给方向需用自锁机构，所以选用具有自锁功能的混合式步进电机。（4）计算选择步进电机转轴上启动力矩的计算铣削时：=1051.9N, =841.5N，分别取=0.03，G=300N,=1.8mm/step=360.011051.9+0.03（300+841.5）/(21.80.7) =49.4由手册可知：/=0.866，步进电机最大静转矩=/0.866=49.4/0.866=57 确定步进电机最高工作频率，假定=0.025m/s=10000.025/0.02=1250根据以上参数，初选混合式步进电机。57BYGH6403采用两相四拍的通电方式。相数，3；步距角，；电流，2.5A；静力矩,110；转动惯量，280；引线数，4。3.5 滚珠丝杠的选择（一） 滚珠丝杠的特点滚珠丝杠螺母副（以下简称
