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1、第一章 绪论1.1数控铣床简介科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；FMS的迅速发展和CIMS的不断成熟，又将对数控机的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日益完盖，数控技术的应用颔域日益扩大。数控铣床是在数控加工中心领域中最具代表性的一种典型机床，在数控机床中所占的比率最大，数控加工中心、柔性制造单元等都是数控铣床基础上派生或发展起来的。它具有功能性强、加工范围广、工艺较
2、复杂等点，主要用于各种复习的平面、轮廓、曲面等零件的铣削加工，同时还可以进行钻、扩、镗、攻螺纹等加工，在航空航天、汽车制造、机械加工和模具制造业中应用非常广泛。1.2数控铣床的组成 数控铣床一般由数控系统、机床基础部件、主轴箱、进给伺服系统及辅助装置等几大部分组成。（1）数控系统数控系统是机床运动控制的中心，通常数控铣床都配有高性能、高精度、集成软件的微机数控系统，具有直线插补、圆弧插补、刀具补偿、固定循环、用户宏程序等功能，能完成绝大多数的基本铣削以及镗削、钻削、攻螺纹等循环加工。（2）机床基础部件通常是指底坐、立柱、工作台、横梁等，是整个机床的基础和框架。（3）主轴箱包括主轴箱和主轴传动系
3、统，用于装刀具并带动刀具旋转、主传动大多采用专用的无级调速电动机驱动。（4）进给伺服系统由进给电动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，其主轴垂直方向进给运动及工作台的横向和纵向进给运动均由各自的交流伺服电机来驱动。（5）辅助装置包括液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。1.3数控铣床的分类 数控铣床品种繁多，规格不一，可按通用铣床的分类方法分为以下3类：(1)数控立式铣床：数控立式铣床主轴轴线垂直于水平面，这种铣床占数控铣床的大多数，应用范围也最广。目前三坐标数控立式铣床占数控铣床的大多数，一般可进行三轴联动加工。(2)卧式数控铣床：卧式数控铣床的
4、主轴轴线平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转台或万能数控转台的方式来实现四轴和五轴联动加工。这样既可以加工工件侧面的连续回转轮廓，又可以实现在一次装夹中通过转台改变零件的加工位置也就是通常所说的工位，进行多个位置或工作面的加工。(3)立卧两用转换铣床：这类铣床的主轴可以进行转换，可在同一台数控铣床上进行立式加工和卧式加工，同时具备立、卧式铣床的功能。1.4数控铣床的用途和工艺特点铣床是用铣刀进行切削加的机床,铣床的加工情况如图1-1所示。在铣床上，用不同铣刀可以对平面、斜面、沟槽、台阶、T形槽、燕尾槽等表面进行加工，另外配上分度头或回转台还可以加工齿轮、螺旋
5、面、花键轴、凸轮等各种成型表面。故铣床的万能性强，应用范围很广。铣床的主参数是工作台面宽度及长度。图1-1 铣床上的典型工作铣床的工艺特点如下：(1)铣床的主轴带动铣刀作旋转主运动；(2)铣刀是多齿、多刃连续进行切削；(3)多数铣床由工作台带动工件作直线进给运动；(4)铣刀在切削时，每个刀齿的切削过程是断续的，同时参加切削的齿数是变化的，每个刀齿的切削厚度也是变化的，因此容易引起机床振动；(5)铣削时，铣刀同时参加切削的齿数较多，便于采用较大的铣削速度和进给给量，因而生产效率高。1.5我国数控产业的现状当前，我国的数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期。也是由封闭型系统向开放
6、型系统过渡的时期。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国外先进水平。目前，已新开发出数控系统80种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。1.6数控产业发展面临的问题 当前,我国数控机床产业面临的挑战是国内市场占有率偏低。据有关资料表明,1999年国产数控机床的市场占有率仅为38.88%。造成这种严峻的形势,除客观原因外,主要是产品的质量、可靠性不过硬。“十五”期间,我国机械制造工业正朝着精密化、柔性化、集成化、自动化、智能化方面迅速发展,国内数控机床需求强劲,我
7、国数控机床产业适逢极好的发展机遇。然而,我国加入后,国外生产的数控机床将会更多的进入我国市场,市场竞争更为激烈。提高国产数控机床市场占有率,关键在于提高质量和可靠性。几年来,经过对国内外数控机床的机械结构剖析和使用性能的调研,探索和总结了数控机床机械结构设计和制造的新技术。现时主要存在有以下几个问题：（1）缺乏产业规模（2）缺乏发展数控产业的政策和技术配套体系（3）缺乏技术创新，产品更新和产业调整的内在动力（4）面临国外强手竞争的巨大压力1.7发展趋势随着科学技术的发展、制造技术的进步和人类生活水平的提高，以及社会对产品质量和品种的多样化的要求趋势日益增强。中、小批量生产的比例明显增加，对数控
8、机床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地构筑面向用户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求具有网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式。为此，近10年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。就体系结构而言，当今世界上的数控系统大致分为4种类型：传统数控系统、“PC嵌入NC”结构的数控系统、“NC嵌入PC”结构的开放式数控统、开放式数控系统。特别是进入20世纪90年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正在不断采用计算机、控制理论
9、等领域的最新技术成就。目前,国外数控机床的性能正朝着高速化、高精度、高效率、高柔性、高自动化、高可靠性、智能化、复合化、网络化、开放式体系结构等方向迅速发展,这将对数控机床机械结构设计和制造的质量和可靠性提出更高的要求。“十五”期间,我国机械制造行业必须瞄准国际数控机床发展的科学前沿,开拓创新,消化吸收国外先进技术,开创我国数控机床设计和制造技术的新局面。1.8经济型数控铣床的改造 纵横向进给系统原机床挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠,光杠等全部拆除，纵向、横向以伺服电机作为驱动，通过联轴器与滚珠丝杠联接实现传动。纵向进给机构：纵向伺机服电机为FB15型直流伺服电机，滚珠丝杠仍安装在原丝杠位
10、置,其螺母副通过托架安装在床鞍底部,滚珠丝杠两端加装接套、接杆及支承,与床身尾部步进电机相联接。伺服电机经减速后,减速器输出轴用套筒联轴器与丝杠直接联接,这种结构简单,径向尺寸小,可防止被联接轴的位移和偏斜所带来装配困难和附加应力。改造后的数控机床应有以下发展方向：单一的数字控制应向数控中心发展，数控机床总体布局更加合理，机床控制系统的控制和运算功能更进一步加强，机床的伺服系统采用交流数字伺服系统代替直流伺服系统，编程更趋合理化，加工工艺更趋简单化90%机床的检测和监控系统要能实现自动化。第二章 数控铣床进给传动装置设计要求 数控机床伺机服进给系统是由伺服驱动电路、伺服驱动装置。机械传动机构及
11、执行部件组成。从位置控制的角度看，伺服系统有开环、闭环、半闭环之分。开环控制不需要位置检测与反馈；闭环和半闭环制需要有位置位检测与反馈环节。2.1伺服系统机械传动结构设计特点 为确定伺服系统的定位精度和工作稳定性，在机构传动结构设计上都要求无间隙、低摩擦、高刚度、高谐振以及适宜的阻尼比。为了达到这些要求，机械传动结构的设计中应尽量采用低摩擦传动副，如滚动导轨。静压导轨、贴塑导轨、滚珠丝杠等，以减小摩擦力；通过选区用最佳降速比来降低惯量；采用预紧的办法提高传动刚度；用消隙的办法减小反向死区误差等，其中最重要的是提高传动刚度和降低惯量。采用预紧消除间隙提高传动刚度，不仅不需要增大尺寸和惯量，而且也
12、使传动刚度接近常数，这是伺机服进给系统机械结构设计中最突出的特点。2.2纵向伺服进给系统设计的基本要求数控铣床进给系统必须保证由数控装置发出的控制指令转换成速度符合要求的相应位移或直线位移，带动运动部件运动。根据工件加工的需要，在机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立的，也可以是联动的。总之，数控机对进给系统的要求集中在精度、稳定性和快速响应三个方面。为满足这些要求，首先需要高性能的伺服驱动电机，同时也需要高质量的机械结构与之匹配。为提高进给系统机械结构性能主要采取以下措施：（1）提高系统机械结构的传动刚度：主要是从传动元件的刚度、消除传动元件之间的间隙、尽可能缩短进给传动链的长度、采用预紧
13、措施这几方面为出发点考虑。（2）采用低而稳定的摩擦传动副：因为数控铣床进给系统多采用刚度高、摩擦因数小而稳定的滚动摩擦副，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨等。（3）惯量匹配：最佳惯量匹配目的是为保证伺服驱动电机的工作性能和满足传动系统对控制指令的快速响应的要求。由于在通常情况下传动系统机械结构的惯量总是大于要求的数值，故而在设计时为得到最佳的惯量匹配，总是希望传动系统中元件的质量和惯量要小一些，降速比则要大一些。（4）提高传动件精度：高质量的机械传动配合与高性能的伺服电动机使现代数控机床进给系统性能有了大幅度提高。2.3伺服系统对伺服电机的要求（1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小
14、，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。（2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。（3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。（4）电机应能随频繁启动、制动和反转。随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、
15、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。第三章 总体设计方案论证将一台X502型数控铣床改造成经济型中档精度数控铣床，改造目的主要是利用数控方法加工任意圆弧面和凸轮
16、的曲面。要求原铣床的改动尽可以少，希望保留原操作机构，以便数控部分发生故障时仍能手工半自动操作。图21为X502型立式铣床外形及传动系统。图21 X502型立式铣床外形及传动系统1电动机；2万向接头；3离合器；4手轮；5手柄；6传动轴 ；7轴承其主轴不能进行升降运动。工作台的升降只能通过轴7手动操作，纵向的机动是通过万向接头2将运动传给轴而实现的。而横向和纵向手动操作是通过手柄5和手轮4进行的。可以看出,进给轴设计与主轴设计相比,具有相同的重要性。因而,进给轴的设计应从动、静两方面充分考虑,位置精度才能达到该标准的要求。在数控铣床进给系统的设计中,根据横向、纵向的不同精度要求,不同移动质量及转动惯量等特点,分别解决设计中的主要矛盾。以
