数控雕铣机设计.doc

济南大学毕业设计
1 前言
1.1 数控雕铣机设计的目的和意义
雕铣机（CNC engraving and milling machine）它是一种数控机床。数控雕铣机像其他数控机床一样是通过数控系统根据加工程序的代码控制雕铣机动作，实现雕刻、铣削的自动化。在国外加工模具时都用加工中心来加工，并没有雕铣机的概念。但是加工中心在用小刀具加工小型模具时就会显示出力不从心，会产生高额的成本。国内在有雕铣机这个概念以前用的是雕刻机，雕刻机的长项在于雕，并不能满足铣削的要求。雕铣机的出现克服了加工中心和雕刻机的不足。既可以用小刀具加工小型模具，可以进行雕刻也可以进行铣削，是一种高精度的数控机床。
雕铣机的功能决定了它使用范围。从工艺上，雕刻可分为二维平面雕刻、三维立体雕刻和全自由度空间雕刻。其中，全自由度空间雕刻主要用于一些形状复杂的工艺品或大型艺术作品的雕刻工作，此类制品的随意性强、构成形状复杂、工艺性差，因此这类工艺迄今为止雕铣机尚无能为力，只能采用手工雕刻，制品的质量和艺术性完全依赖于雕刻师的技艺水平。相比之下，在三维立体雕刻和二维平面雕刻工艺中雕铣机就大有可为。三维立体雕刻类似于三维的铣削加工，可以完成精密模具、艺术浮雕曲面等雕刻加工；而二维平面雕刻工艺主要用于标牌文字及平面几何图形的雕刻加工。目前，三维立体和二维平面雕刻大部分已采用雕铣机完成，克服了传统手工雕刻存在的缺陷[1]。
现代数控雕铣机床运动系统要求具有高速运算、快速插补、高速通信、主轴高速运转、高精度定位、高分辨率位置检测和数字伺服控制等能力。数控雕铣机床要实现形状复杂的零件加工，必须要求运动控制系统能进行多种插补运动的控制，如直线插补、圆弧插补、连续插补。此外控制系统需要具有良好的运动速度控制能力、速度前瞻功能，以保证机床在停止、起动、加工时不产生冲击、失步、颤抖，并在驱动过程中准确运动到制定位置[2]。
1.2 国内外研究现状
20世纪90年代以来，微电子技术的突飞猛进直接推动了微型计算机的迅速发展，而微电子技术和微型计算机技术又带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕铣机也有了质的飞跃。雕铣机经历了从2D到2.5D再到3D加工的变革，功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕铣机研制的基本要求[3]。
数控雕铣机可以克服数控铣不能雕刻和雕刻机不能铣的弊端。虽然国外数控雕铣机产品早已发展得比较成熟，但在国内数控雕铣机从最近的一两年才有较大的发展。国内几个厂家正在试制阶段，如佳铁公司已经研制生产出成熟产品，投放到了市场，而且得到了用户普遍的良好反映；
随着数控技术的不断发展，数控雕铣机发展趋势体现在不断追求加工精度、加工效率、加工柔性的提高，并且要求无污染，满足环保要求，具体体现在以下几个方面：
(1)高速度高精度，高速度高精度雕铣加工有利于改善工件的表面质量和加工精度，生产高质量的零件以及缩短生产周期，能获得经济效益。
(2)柔性化，数控雕铣机将不断增加新功能，向集多种加工工艺于一体的方向发展。
(3)智能化，根据机床的应力应变和温升变化情况，动态调整机床的切削工艺参数，从而提高雕铣加工的精度和生产效率。
(4)多轴联动，零件加工形状越来越复杂，雕铣机能联动的轴数也要不断增加。多轴的联动将是数控雕铣机的一个发展方向。
(5)环保化，由于雕铣加工过程中要使用大量冷却液和大量切除的铁屑，在雕铣时，冷却液和铁屑的飞溅及加工过程中的雾气外漏，将造成环境污染。所以进一步提高数控雕铣机的环保性，也将是数控雕铣机发展的一个方向[4]。
1.3毕业设计内容
在模具业、广告业、工艺业、纸制品业、食品业、电子业等行业，有大量平面、立体、多维形体的雕刻加工。例如：注塑模、冲模、鞋模等各种钢模以及五金冲模、高频模等制作加工。要求能高速、小切削量精密加工，能适用不同的轻、重工业的雕刻。如紫铜电极、卫模、滴胶模具、烫金模具、高频模具、中小型注塑模具和精密零配件的加工。本课题设计一种小型数控雕刻机，用于木材、竹片、塑料、石蜡、铸铝等易加工材料的雕刻加工。

2毕业设计内容及要求
2.1毕业设计要求
2.1.1设计初始参数及要求
(1)工作台尺寸 400*300mm，行程 300*240*200mm；
(2) 龙门宽度800mm；
(3) 工作台最大承重30Kg；
(4) T型槽 5--12mm；
(5) 主轴转速不低于20000r/min,主轴功率0.08KW；
(6) 主轴弹簧夹头ER8，刀具夹持柄Φ1--5；
(7) 最大移动速度5m/min,最大加工速度3m/min；
(8) 定位精度0.01/300mm,重复定位精度0.005mm；
2.1.2工作量要求
设计计算说明书的字数不少于1.2万字（含插图折合字数）；机械部分总装图及配套零件图部件绘图图量不少于折合成图幅为A0号图纸1张，其中手工绘图不少于折合成图幅为A2号图纸一张；查阅文献类15篇以上，其中外文文献要在2篇以上。翻译与课题有关的外文资料，译文字数不少于2000字；应用计算机进行设计、计算。
2.2设计方案的分析、确定
2.2.1数控雕铣机的结构设计要求
(1) 提高数控系统的可靠性，软件控制是数控系统发展的必然趋势。简化机械结构，充分发挥软件技术的优势，从而提高系统综合性能，降低成本。
(2)增加数控系统控制量，减少人为操作程序，降低劳动强度，简化加工过程。
(3)提高数控系统的控制精度，增强控制速度的平稳性，从而实现高速高精度的雕铣加工。
(4)将数控雕铣机整体的数控控制部分划分为各种功能控制模块，独立的研究，各功能模块，再整合成一个整体系统，使雕铣机数控系统整体达到最优状态。
(5)提高雕铣机数控系统在复杂的环境下能进行高质量高效率地工作能力。

2.2.2 数控系统的分析确定
分析本系统的设计目的可知，其目标是要设计开发一套性价比较高，可以完成各种加工程序的高速高精的数控雕铣机系统。为此，本系统首先需从速度方面入手，重点要解决好运动速度控制问题，同时兼顾系统的制造成本。可见，系统的处理速度和成本控制是本系统方案设计应考虑的重点。
（1） 采用DSP等高性能单片机替代高速运动控制芯片，利用DSP的高速处理能力，开发合适的功能软件，完成高速运动控制所需的各种运算和控制任务。
（2） 高速运动控制芯片，该方案利用高速控制芯片完成插补、升降速等高速处理从而提高整个系统的处理能力。
（3） 由高性能通用CPU，如X86、Pentium等组成的工控板：该方案往往采用实时操作系统，可以直接控制底层硬件，所以具有相应速度快、多轴联动和同步性好等优点，因此可以获得较好的系统性能。但系统中的底层功能模块必须自行开发，工作量大，开发周期长。另外，工控板价格也较贵，存在性价比的问题。
（4） PC+运动控制卡，此方式采用通用Pc机来完成系统实时性要求不高的任务；而插补计算、速度控制、位置控制等实时控制要求高的任务由高速运动控制卡完成，因此解决了方案三的开发难度问题。
由于PC+运动控制卡有其他方式所没有的优点，所以本设计选用PC+运动控制卡作为数控雕铣机的数控系统[2]。
系统总框图如图2.1。

PC机
显示器
键盘

运动
控制
卡
X轴驱动器
X轴电机
X轴
Y轴驱动器
Y轴电机
Y轴
Z轴驱动器
Z轴电机
Z轴
限位开关
限位开关
限位开关
变频器
电主轴

图2.1系统总框图

- 10 -
3机械部分设计
3.1 选择脉冲当量
一个进给的脉冲，使机床运动部件产生的位移量叫做脉冲当量。一般来说，经济型的数控车床、铣床所采用的脉冲当量是0.01---0.005mm/脉冲。由于本设计的重复定位精度为0.005mm，所以确定脉冲当量为0.005mm/脉冲。
3.2 切削力计算
铣刀类型选择细齿直柄立铣刀，该铣刀的主要作用是粗铣、半精铣平面，铣槽，按靠模铣曲线表面。铣刀材料为高速钢，尺寸

（3.1）

---------垂直于铣刀轴线方向的切削层尺寸-------铣削宽度；
----------平行于铣刀轴线方向的切削层尺寸-------铣削深度；
----------每个齿的进给量=0.1--0.2mm/齿；
；
；
取；
所以

---------横向切削力；
---------垂直切削力；
---------纵向切削力；
;
;

3.3 X轴滚珠丝杠设计
3.3.1计算进给率引力
X轴进给导轨为矩形导轨

（3.2）

K----------考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形导轨选择K=1.1；
f'-----------滑动导轨的摩擦系数，取f'=0.15；

G-----------工作台重量，G=300N;

3.3.2计算最大动载荷
选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值成为该滚珠丝杠能承受的最大动载荷C，可如下计算得，

（3.3）
（3.4）
（3.5）

-----------滚珠丝杠导程，初选；
-----------最大切削力下的进给速度，；
T-----------使用寿命，设该机床使用年限为10年，每年工作300天，每天单班工作，则T=24000h；
-----------运转系数，按一般运转取；
L------------寿命，以转为一单位；

；
；
；

3.3.3 滚珠丝杠螺母副的选择
查阅«机电专业课程设计指导书»附录A表3，可选W1L2004，外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为6100N。
3.3.4 传动效率计算

图3.1 横轴丝杠结构示意图

3.3.5选择结果
滚珠丝杠主要参数如表3.1:

表3.1 滚珠丝杠主要参数表
丝杠螺母副型号
名义直径
螺距
螺旋升角
丝杠外径
螺母凸缘外径
螺母凸缘厚度
圆螺母尺寸
螺母配合直径
螺母座长度
螺母装配总长
平键尺寸
额定动载荷（Kgf）

20
4

19.6
45
6
M30×1.5
30
44
72
4×4×30
610

3.3.6轴承选择
由于该轴承受较小的纯轴向载荷，而主要受纯径向载荷，所以可以选择推力球轴承与深沟球轴承组合在一直的结构。通过计算该轴的直径可选择推力球轴承51206，深沟球轴承6206。
Z轴、Y轴与X轴计算方法相同，此处不做赘述。
3.4齿轮传动计算
3.4.1 X轴齿轮传动
已经确定X轴进给脉冲为，滚珠丝杠导程为，初选步进电机步距角为0.75o，这样可以计算齿轮的传动比：

（3.6）

考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到X轴溜板的有效行程。

=10 ；=25

3.4.2选择结果
表3.2齿轮尺寸
齿数

10
25
分度圆

20
50
齿顶圆

24
54
齿宽

15
45
中心距

35

Y轴、Z轴齿轮传动方式及数据计算与X轴一样，此处不做赘述。
3.5步进电机的计算及选型
3.5.1等效转动惯量计算
传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量()可由下式计算：

（）（()（））90（()()(）()

式中 JM ——步进电机转子转动惯量()
J1 、J2 ——齿轮、的转动惯量()
Js ——滚珠丝杠转动惯量()
参考同类型机床，初选混合式步进电机J86HB80-04，其转子转动惯量Jm=1.4。

计算丝杠的转动惯量，公称直径20mm，导程6mm，长度750mm的丝杠。表中查出1m长的丝杠转动惯量为2，则

Js=20.75=1.5(Kg)
()()Pp

考虑到步进电机与传动系统惯量相匹配的问题

基本满足惯量匹配要求。
3.5.2电机力矩计算
机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：
(1)快速空载启动力矩M。
在快速空载起动阶段，加速力矩占得比例较大，具体计算公式如下：

M= (3.7)

将前面数据代入，式中各符号意义同前。

启动加速时间ta=30ms:

(3.8)

折算到电机轴上的摩擦力矩Mf：

Mf= (3.9)

附加摩擦力矩M0 :

M0

上述三项合计：

M=M

(2) 快速移动时所需力矩M。

M=Mf+M0=2.5+0.26=2.76(N)
(3) 最大切削负载时所需力矩M。

M= Mf+M0+Mt
= Mf+M0+FL/2

上面计算可以看出，M 、M 、M三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。

(4)计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率。

步进电机选择型号为J86HB80-04，具体数据如表3.3:

表3.3电机主要参数
型号
步距角
电机长度
保持转矩
额定电流
相电阻
相电感
转子惯量
电机重量
Model
Step Angle
（°）
Length
L (mm)
Holding Torque
(N.m)
Current(A/Phase)
Resistance
(Ω)
Inductance  (mH)
Rotor inertia
(g.cm2)
Weight
(Kg)

四出线并联
四出线
串连
六出线

J86HB80-04
1.8

80
4.5
6.0
4.0
6.2
0.8
3.5
1400
2.3

Y轴、Z轴两轴电机的算法与选型，与X轴电机相同，故此处不再赘述[6]。整体机械设计图如图3.2，

图3.2 整体机械图

4数控系统的设计
4.1控制系统功能和要求分析
该系统是以适用PC机+运动控制卡为控制系统核心,并具有开放式数控系统特征的机电一体化装置。由于PC机的软、硬件资源非常丰富，各种应用功能不断升级和加强，所以此种方案可以有效地提高系统的处理速度，而且开发过程简便。在这个系统中PC机的主要功能是根据具体装置的运动控制类型，优化指令形式，属于上层控制，其软件是通用的。PC机采用普通的计算机，运动控制器就是根据上层计算机给出的指令，结合具体的系统类型，将其指令转化为步进电机的运动。运动控制器具有强大的数值运算、逻辑运算和运动控制能力，运动控制卡是PC机与步进电机的连接桥梁。步进电机是主要的执行部件。其结构组成如图4.1。

图4.1基于GE运动控制器组成的运功控制系统框图

4.2 硬件部分设计
4.2.1 运动控制卡的选择
运动控制卡是利用高性能微处理器及大规模可编程器件实现多个电机的多轴协调控制，将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有电机控制所需的各种速度、位置控制功能。目前开放式运动控制器主要有美国DeltaTau公司生产的PMAC系列运动控制器、美国Dali公司的DNIC系列运动控制器、深圳固高科技有限公司的GT系列运动控制器等。基于使用的方便性、通用性和系统软硬件的兼容性方面考虐．以及各种控制器的本身故有特点，本系统选用深圳固高公司GT-300-SV运动控制卡作为控制核心。
固高科技(深圳)有限公司生产的GT＆GE系列运动控制器，可以实现多轴协调运动和高速的点位运动。其核心由ADSP218l数字信号处理器和FPGA组成，可以实现高性能的控制计算。它适用于广泛的应用领域，包括机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配生产线、电子加工设备、激光加工设备以及PCB钻铣设备等。
GT&GE系列运功控制器以IBM--PC及其兼容机为主机，提供标准的ISA总线和PCI总线两个系列的产品。作为选件，在任何_款产品上可以提供RS--232串行通信和PCI04通信接口，方便用户配置系统。运动控制器提供C语言函数库和Windows动态链接库，实现复杂的控制功能。用户能够将这些控制函数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一齐，建造符合特定应用要求的控制系统，以适应各种应用领域的要求[7]。
4.2.2 GE-XOO-SX运动控制器的使用
GE-XOO-SX运动控制卡的端子板外形结构如图4.2[7]。

图4.2 GE-XOO-SX运动控制器卡的端子板外形结构
GE-X00一SX运动控制器端子板上接口端子的定义如表4.1。
表4.1 GE-X00一SX运动控制器端子板上接口端子的定义
接口端子
功能
CN1
运动控制连接接口
CN2
运动控制连接接口
CN5(CN6，CN7，CN8)
控制轴接口
CN9
空
CN10
辅助编码器接口
CN12
专用IO信号输入接口
CN13
通用IO输入接口
CN14
通用IO输入接口

4.2.3 控制系统工作原理
该雕铣机数控系统采用的是“PC+运动控制卡”结构。PC为通用计算机，由用户通过人机交互界面进行操作控制；运动控制卡采用的是基于数字信号处理器和大规模逻辑可编程器件为基础的固高GE300SX卡，基于PC总线的运动控制器是整个控制系统的核心，它的任务是接受上位PC机发出的应用程序指令，按照设定的运动模式，完成相应的实时运动规划和向驱动器发出相应的运动指令。这样就使PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制卡良好的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有开放程度高、信息处理能力强、运动轨迹控制准确、通用性好等特点，而且还可以利用第三方软件资源完成用户应用程序的开发，将生成的应用程序指令通过PC总线传输给运动控制器。所有这些功能在很大程度上提高了加工制造的精度、柔性，缩短新产品的研发周期，有应付市场需求变化的能力。
PC机
PCI总线
GE300SX
端子板
I/O
CN7
CN6
CN5
Z驱动器
Y驱动器
X驱动器
Z电机
Y电机
X电机
限位开关等

图4.3雕铣机数控系统控制原理图
4.3软件设计
4.3.1软件实现的功能
本系统控制软件是在Windows XP环境下基于VC++6．0 MFC和GE运动控制器提供的Windows动态链接库(CNC．dll、GTDLL．dll、GES．d11)进行开发，软件采用模块化和面向对象的程序设计思想，应用单文档视图窗口结构，构建了一个界面友好、功能强大的数控系统控制软件，该型控制软件具体实现的功能包括：系统的初始化预处理，包括运动控制器的初始化和各运动轴的初始化；工作方式的选择，包括自动加工、手动加工和模拟加工；机械坐标、工件坐标、进给速度、加工时间和执行NC程序段号等实时显示；刀路轨迹图形跟踪显示与三维预览，NC加工程序代码的分步显示与译码等；机床和控制器的状态监控，还有系统在线诊断和PD参数设置等功能。软件的基本功能模块划分如图4.4:

数控系统的基本框架模块

误差补偿模块
任务管理模块
参数设置模块
自动加工模块
图形显示模块
刀路轨迹模块
机床状态模块
速度调节模块
坐标信息模块
实时监测模块

图4.4 雕铣机数控系统软件的基本功能模块划分

4.3.2操作平台的选用
因为Windows XP平台作为雕铣机的数控平台具有如下好处：
(1)友好的图形用户界面和丰富的软件资源；
(2)技术成熟，用户数量多，开发工具齐全而完善；
(3)支持基于线程的抢先式多任务机制；
(4)运行机制更加安全，一个应用程序崩溃不会影响其它程序的运行；
(5)操作、配置、调试都非常方便；
所以本设计的操作平台选取了Windows XP。
控制系统的电气原理图如图4.5。

图4.5 电器原理图

5结 论
在此次课程设计中我完成了数控雕铣机的设计。主要完成了机械部分和数控部分的设计。
机械部分由于考虑床身整体结构稳定性，采用了龙门式结构。在传动方面为适应其加工范围、工艺要求、加工精度及自动化要求等方面，对X、Y、Z轴及其它相关零件进行了设计计算。在进给伺服系统的设计中，因其要求定位精度高、跟踪指令信号的响应快、系统的稳定好等，首先对其进行了分析并根据其要求完成这方面的设计。
在设计数控控制系统时，根据各种不同类型的运动控制卡的不同应用，我们选择了GE-300-SX型运动控制卡，并且根据该运动控制卡我们选择了软件的操作平台。

参 考 文 献
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[5]谈勇.高速高精度雕铣机数控系统的研制[D]合肥：合肥工业大学硕士学位论文，2004,2
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[7]固高科技(深圳)有限公司[EB/OL]．
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75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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