简析三坐标数控铣床的设计

论文导读：实验型微型数控铣床以开放式CNC体系为指导思想，在Windows98下开发系统的硬件、软件。本研究将用Delphi语言、Solidworks及Protel软件完成对该数控铣床整体结构的设计和控制系统的接口电路(IO/TIMER控制板)、驱动电路、有关外围电路、相应控制软件的设计。本机床可以实现X轴、Y轴和Z轴三坐标联动。
关键词：Solidworks，开放式数控系统，数控铣床，三坐标

　　随着数控机床的普及，采用数控机床己成为机械制造业改革的主要方向，如何能高质量、高效率、低费用的培训操作人员成为亟待解决的问题之一。由于数控机床的教学比较抽象需要借助实验来加深对课堂知识的理解，生产用的数控机床一般价格都比较昂贵，软件也不是开放式的结构，无法用于学生的实验教学。因此设计一种功能齐全，结构简单，软件结构开放，低成本，且具有代表性的教学实验型微型数控机床可以满足教学实验的要求。
　　１　总体方案的确定
　　实验型微型数控铣床以开放式CNC体系为指导思想，在Windows98下开发系统的硬件、软件。本研究将用Delphi语言、Solidworks及Protel软件完成对该数控铣床整体结构的设计和控制系统的接口电路(IO/TIMER控制板)、驱动电路、有关外围电路、相应控制软件的设计。绘制出试验型数控铣床的虚拟样机，根据零件图，设计零件制造的工艺；在零件加工完成后，进行装配调试，完成微型数控铣床的制作。
　　2　机械部分设计
　　微型铣床的机械部分是机床的主体部分，其设计计算主要包括：总体传动方案的确定，电机、主轴、丝杠的选取等。机械部分Solidworks虚拟制图如图1所示
　　
　　图1 铣床的机械部分虚拟制图
　　2.1 机床总体传动方案的确定
　　本机床可以实现X轴、Y轴和Z轴三坐标联动。X轴、Y轴的进给是通过电机带动丝杠，丝杠又与螺母传动来实现。电机与丝杠的连接可以通过销钉来实现。在传动过程中电机带动丝杠做旋转运动，螺母沿导轨做水平移动，从而带动工作台运动。Z轴的进给也是通过电机带动丝杠，丝杠又与Z轴螺母传动来实现。主轴套与Z轴螺母相连，在传动过程中电机带动丝杠做旋转运动，螺母沿导轨做上下移动，从而带动主轴做上下运动。
　　2.2 设计计算部分
　　2.2.1 主轴的选取和校核
　　1）主轴选取
　　立式铣削切削力的计算:
　　由机械设计手册[1],对高速钢圆柱铣刀:
　　（1）
　　其参数按实际加工过程中平均铣削条件为准选取:
　　工件为碳钢取68.2；
　　
　　综合考虑其它因素按计算
　　对圆柱铣刀逆加工:
　　 取
　　 取 （2）
　　主轴材料为 40Cr 钢取C=102
　　估算轴径 取d=18mm
　　2）主轴校核
　　主轴材料为45#钢，调质处理 ，
　　，对主轴受力分析校核得：
　　（3）
　　（4）
　　2.2.2 滚珠丝杠的选取
　　最大动负载： （5）
　　其中：为载荷系数取1；为硬度系数取1.1；为最大工作载荷；为使用寿命。
（6）
　　其中：为实验系数取1.1；为导轨摩擦系数取0.15；为三个方向的切削力，分别取20N,0N,37.5N;G取100N代入（6）得
　　（7）
　　其中：n为转速取；为使用寿命取15000h，代入（7）得将，代入（5）式得
　　由最大动载荷Q值和导程P可以选择滚珠丝杠的型号为：CWM165-2.5-P3。
　　3机床控制部分设计
　　3.1系统硬件组成
　　经过分析，本三坐标数控系统决定采用单CPU结构(采用的控制PC机主频达到797MHz)。本三坐标数控铣床主要用于教学演示故对精度要求不是特别高，采用开环控制方式，用步进电机驱动输出，设计数控接口电路进行定时中断、脉冲输出以及其它开关量的输入输出。其数控系统硬件组成如图2所示[2－4]
　　
　　3.1.1接口电路设计
　　本数控接口电路主要完成外部开关量的输入和步进电机的控制以及一些机床辅助功能的实现，性能优良、工作可靠。接口电路的结构如图3所示[5－6]。
　　

　　3.1.2步进电机驱动器输出控制电路
　　为了输出脉冲去控制三个方向的步进电机，以及接收机床行程开关等开关量信号，在电路设计中设计了两片可编程接口芯片8255，可以对48点数字量进行I/O操作。但本微型数控铣床三坐标数控系统中仅用到了一片8255，另一片暂时未用，用于以后的功能扩展。使用的8255的 PA口、PB口、PC口均工作在基本输入输出方式。8255控制字格式如下：
　　D7：1，D6：0，D5：0，D4：0，D3：0，D2：0，D1：0，D0:0,
　　即控制字为80H
　　用Delphi编写CNC程序，初始化8255：
　　procedure TForm1.FormCreate(Sender: Object);
　　begin
　　asm
　　 mov al,80H
　　 mov dx,0213H
　　 out dx,al
　　……
　　end；
　　在实时中断服务程序中，用8255经光电隔离向三个方向的步进电机驱动器输出控制信号，进而控制三个方向步进电机的运动，如图4所示。
　　

　　4　结束语
　　型微型数控铣床具有体积小，价格低，功能完善，安全系数高，是三坐标驱动和生产型数控铣床工作原理相同，且具有开放的软硬件结构，基于以上的优点微型数控铣床将具有广泛的应用前景。

参考文献：
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