机械毕业设计-三坐标数控铣床设计【含CAD图纸、说明书】
本科生毕业论文(设计)开题报告论文题目:三坐标数控铣床设计学生姓名: 专 业: 班 级: 指导教师: 一 数控机床的产生与发展科学技术的不断发展,对机械产品的质量和生产率提出了越来越高要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最主要的措施之一。它不仅提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还能够大大改善工人的劳动条件。大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线,实行多刀、多工位同时加工,以达到高效率和高自动化。但这些都属于刚性自动化,在面对小批量生产时并不是适用,因为小批量生产需要经常变化产品的种类,这就要求生产线具有柔性。而从某种程度上说,数控机床的出现正是很大的满足了这一要求。1952 年,美国麻省理工学院成功的研制出一套三坐标联动,利用脉动乘法器原理的实验性数控系统,并把它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管,这就是世界上的第一台数控机床。1959 年,数控装置中广泛采用电子管和印刷电路板,从而跨入数控的第二代。1965 年,出现了小规模集成电路,由于它体积小、功耗低,使数控系统的可靠性得以进一步提高,从此数控发展到第三代。1970 年,在美国芝加哥国际机床展览会上首次展出的数控系统采用计算机数控系统的机床,这便是数控的第四代。1974 年,出现了第五代数控系统(MNC 微处理机控制系统) 。我国是从 1958 年开始研制数控技术的,一直到 60 年代中期处于研制、开发时期。当时,一些高等院校、科研单位研制出实验样机,开发也是从电子管开始的。1965 年国内开始研制晶体管数控技术。从 70 年代开始,数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工等领域全面展开,数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期,数控线切割机床由于结果简单、使用方便、价格低廉,在模具加工中得到了推广。80 年代我国数控机床有了新的发展。90 年代以及接下来主要是向高档数控机床发展数控技术是近代发展起来的一种自动控制技术,是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。目前,在工业发达国家,无论在国防工业或民用工业,数控机床的应用均已相当普遍。数控机床已不在局限用来加工单件、小批以及形状复杂的零件。数控加工中心机床,它是在一般数控镗铣床上加装刀库和自动换刀装置。可以连续地对零件进行各加工面的铣、钻、铰、镗以及攻丝的加工。减少了机床的占地面积,压缩了半成品的库存量,减少工序间的辅助时间,有效地提高了生产率。可以预见,高级自动化技术将进一步证明数控机床的价值,并且正在更为广阔的开拓着数控机床的应用领域。二 数控铣床的工作原理用数控铣床加工零件时,首先应编制该零件的加工程序,这是数控铣床的工作指令。将加工程序输入数控装置,再由数控装置控制机床主运动的变速、启动、停止、进给运动的方向、速度和位移量,以及工件装夹和冷却润滑的开关等动作,使刀具与被加工零件以及其它辅助装置严格按照加工工序规定的顺序、运动轨迹加工出符合要求的零件。三 数控铣床的组成数控铣床的组成:机床、数控装置、控制介质、伺服系统、测量装置等组成。机床:三坐标数控磨床应具有更好的刚性和抗振性,因此床身采用密封式箱型结构,在床身底内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料,当发生振动时,利用阻尼材料之间的相对摩擦耗散振动能量。数控装置:数控装置是数控机床的核心,是高技术密集型产品。它的功能是接受输入装置输入的加工信息,经过数控装置的系统软件对代码进行处理后,输入相应的指令脉冲,驱动伺服系统,来控制机床的各个运动部件按规定的要求实现各个运动。控制介质:用于记载各种加工信息的载体,以控制机床的运动,实现零件的加工。数控介质有穿孔带、穿孔卡、磁带及磁盘等,也可通过通信接口直接输入所需各种信息。三坐标数控铣床采用通信接口直接输入所需各种信息。用键盘将加工程序直接键入,并且可在数码显示器或 CRT 显示器上显示出来。伺服系统:由伺服电动机和伺服驱动装置组成,是数控系统的执行部分。作用是把来自数控装置的各种指令转换成机床移动部件的运动速度、运动方向和位移量。伺服系统要求有良好的快速响应性能,进给速度范围要大,灵敏而准确的跟踪指令功能和转速,在较大的范围内要求有良好的工作稳定性。此数控铣床的驱动元件为交流三相异步电动机。测量装置:是将床身的实际位置、速度等参数转换成电信号反馈回数控装置。以校核执行部件实际运动速度、方向和位移量,并使之与加工指令相一致。四 设计题目及技术要求设计题目是三坐标数控铣床设计。从总体布局和结构形式,与普通铣床相似,主要还是由床身,主轴箱,刀架,进给系统,液压、冷却、润滑系统等部分组成。但是,由于动力源采用了交流伺服电机,控制系统实现了 CNC,所以,使得主运动和进给系统机械结构大大简化。尤其是进给系统,与普通铣床的进给系统有质的区别,没有传统的进给箱,板箱和挂轮架,而是直接由伺服电机通过滚球丝杠驱动溜板和刀架,实现进给运动。主要设计要求:三坐标数控铣床,进给精度 0.01mm,X、Y、Z 坐标进给速度2m/min,X、Y、行程 300mm,Z 行程 250mm,工作台尺寸 420300mm。五 数控铣床各组成部分的分析1 X、Y 工作台X、Y 工作台的组成:X、Y 工作平台传动机构;X 向齿轮减速和滚珠丝杠传动方向(Y 向和 X 向相同) ;驱动机构:X、Y 向两个电机。X、Y 工作台的工作原理:通过控制 X、Y 向电机驱动传动机构,从而带动 X、Y 工作平台沿 X、Y 向运动。2 主轴主轴部件包括主轴轴承、传动件和相应的紧固件。主轴的端部是标准的。传动件如齿轮、带轮等与一般的机械零件相同。机床主轴部件,三个方向的进给及其它部件滚动轴承,均采用润滑脂润滑。3 导轨由运动和承导件组成。运动件:需要做直线运动的零部件。承导件:用于支承并限制运动件,使其只能按给定的要求和规定的方向作直线运动。设计中可采用滑动导轨,对导轨要求有以下几点:(1) 要有一定的导向精度。(2) 要有良好的耐磨性。(3) 要有足够的刚度。(4) 有减小热变形影响。(5) 要使运动轻便平稳。(6) 要有一定的工艺性。主要用来支承和引导部件沿一定的轧道运动。要求导向精度高,耐磨性能好,足够的刚度。本设计采用塑料导轨,镶粘塑料导轨已广泛用于数控机床。其摩擦系数小,且动、静摩擦差很小,能防止低速爬行现象;耐磨性、抗撕伤能力强;加工性和化学稳定性好;工艺简单,成本底;并有良好的自润滑性和抗震性。塑料导轨多与淬硬刚导轨相配使用。滑动导轨间隙的调整:采相应的用刮、磨结合面或加垫片的方法以获得相应的间隙;镶条调整,这是侧向间隙常用的调整方法,镶条有直镶条和斜镶条两种。采用矩形导轨,这种导轨的特点是结构简单,制造、检验和修理较易,新导轨制造精度高,但导轨经磨损后不能自动补偿,导向性不如三角形导轨好。三坐标数控铣床采用贴塑导轨,这是一种金属对塑料的摩擦形式。属于滑动摩擦导轨,导轨一滑移面上贴有一层抗磨软带,导轨的另一滑移面上贴为淬火磨削面,软带是以聚四氟乙烯为基材,添加合金粉和高氧化物的高分子复合材料。塑料导轨刚性好、动静摩擦系数差值小、耐磨性好、无爬行、抗振性好、化学的稳定性好、维护修理方便、经济性好。塑料导轨和其它导轨相比,有以下特点:(1) 摩擦系数低而稳定性比铸铁导轨低一个数量级;(2) 动静摩擦系数相近,运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好;(3) 吸收振动具有良好的阻尼性,优于接触刚度较低的滚动导轨和易于飘浮的静压导轨;(4) 耐磨性好,有自身润滑作用,无润滑油也能工作,灰尘磨粒的迁入性好;(5) 化学的稳定性好,耐高、低温、耐强酸强碱、强氟化剂及各种有机溶剂;(6) 维护修理方便,软带磨损后更易更换;(7) 经济性好、结构简单、成本低,约为滚动导轨成本的 1/120。三成复合材料DU 导轨板成本的 1/4。三个方向的导轨副、滚珠丝杠副由自动间隙润滑油泵进行定时润滑,润滑油泵安装在立柱侧面,通过分油器将润滑油分送到各润滑点上。4 进给装置三坐标数控铣床的进给运动是数字控制的直接对象,不论点位控制还是连续控制,被加工工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此,要注意以下三点进给运动要求:(1) 减少运动件的摩擦力。进给系统虽有许多元件,但摩擦阻力主要来自丝杠和导轨。丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一。(2) 提高传动精度和刚度。在进给系统中滚珠丝杠和支承结构是决定其传动精度和刚度的主要部件,因此,必须首先保证它们的加工精度。(3) 减少运动惯量。进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的影响。尤其是处于高速运转的零件,其惯性的影响更大。5 滚动丝杠滚珠丝杠螺母副:在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件,以减少摩擦。当丝杠与螺母相对运动时,滚珠沿螺旋槽向前滚动,在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置,逐个地又滚回到丝杠与螺母之间,构成一个闭和回路。它的优点是:(1) 摩擦系数小,传动效率高, 可达 0.92-0.96,所需传动转矩小。(2) 灵敏度高,传动平稳,不易产生爬行,随动精度和定位精度高。(3) 磨损小,寿命长,精度保持性好。(4) 可通过预紧和间隙消除措施提高轴向刚度和反向精度。(5) 运动具有可逆性,不仅可以将旋转运动。6 进给伺服系统进给伺服系统的组成:有驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统;检测元件与反馈电路组成检测装置亦称检测系统。进给伺服系统中采用的驱动装置为直流伺服电机。7 微处理器用来集中控制,分时处理数控系统的各项任务。单微处理器机构的基本组成包括:微处理器和总线、存储 I/O 接口、MDI/CRT 接口、位置控制器、PC。微机控制系统的硬件设计主要就是上述几个部分的具体设计。六 参考资料1数控机床设计手册;2机械设计手册;3机电传动控制;4标准件手册。5. 机电一体化设计手册七 进度计划第一阶段:完成所选课程,完成英文翻译。第二阶段:完成毕业设计的总体规划,查阅相关资料。第三阶段: 完成X-Y工作台设计及相关计算。第四阶段: 完成磨头设计。第五阶段: 完成控制系统设计。第六阶段: 撰写毕业设计说明书,出图,准备答辩。本科生毕业论文(设计)开题报告论文题目:三坐标数控铣床设计学生姓名: 专 业: 班 级: 指导教师: 一 数控机床的产生与发展科学技术的不断发展,对机械产品的质量和生产率提出了越来越高要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最主要的措施之一。它不仅提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还能够大大改善工人的劳动条件。大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线,实行多刀、多工位同时加工,以达到高效率和高自动化。但这些都属于刚性自动化,在面对小批量生产时并不是适用,因为小批量生产需要经常变化产品的种类,这就要求生产线具有柔性。而从某种程度上说,数控机床的出现正是很大的满足了这一要求。1952 年,美国麻省理工学院成功的研制出一套三坐标联动,利用脉动乘法器原理的实验性数控系统,并把它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管,这就是世界上的第一台数控机床。1959 年,数控装置中广泛采用电子管和印刷电路板,从而跨入数控的第二代。1965 年,出现了小规模集成电路,由于它体积小、功耗低,使数控系统的可靠性得以进一步提高,从此数控发展到第三代。1970 年,在美国芝加哥国际机床展览会上首次展出的数控系统采用计算机数控系统的机床,这便是数控的第四代。1974 年,出现了第五代数控系统(MNC 微处理机控制系统) 。我国是从 1958 年开始研制数控技术的,一直到 60 年代中期处于研制、开发时期。当时,一些高等院校、科研单位研制出实验样机,开发也是从电子管开始的。1965 年国内开始研制晶体管数控技术。从 70 年代开始,数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工等领域全面展开,数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期,数控线切割机床由于结果简单、使用方便、价格低廉,在模具加工中得到了推广。80 年代我国数控机床有了新的发展。90 年代以及接下来主要是向高档数控机床发展数控技术是近代发展起来的一种自动控制技术,是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。目前,在工业发达国家,无论在国防工业或民用工业,数控机床的应用均已相当普遍。数控机床已不在局限用来加工单件、小批以及形状复杂的零件。数控加工中心机床,它是在一般数控镗铣床上加装刀库和自动换刀装置。可以连续地对零件进行各加工面的铣、钻、铰、镗以及攻丝的加工。减少了机床的占地面积,压缩了半成品的库存量,减少工序间的辅助时间,有效地提高了生产率。可以预见,高级自动化技术将进一步证明数控机床的价值,并且正在更为广阔的开拓着数控机床的应用领域。二 数控铣床的工作原理用数控铣床加工零件时,首先应编制该零件的加工程序,这是数控铣床的工作指令。将加工程序输入数控装置,再由数控装置控制机床主运动的变速、启动、停止、进给运动的方向、速度和位移量,以及工件装夹和冷却润滑的开关等动作,使刀具与被加工零件以及其它辅助装置严格按照加工工序规定的顺序、运动轨迹加工出符合要求的零件。三 数控铣床的组成数控铣床的组成:机床、数控装置、控制介质、伺服系统、测量装置等组成。机床:三坐标数控磨床应具有更好的刚性和抗振性,因此床身采用密封式箱型结构,在床身底内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料,当发生振动时,利用阻尼材料之间的相对摩擦耗散振动能量。数控装置:数控装置是数控机床的核心,是高技术密集型产品。它的功能是接受输入装置输入的加工信息,经过数控装置的系统软件对代码进行处理后,输入相应的指令脉冲,驱动伺服系统,来控制机床的各个运动部件按规定的要求实现各个运动。控制介质:用于记载各种加工信息的载体,以控制机床的运动,实现零件的加工。数控介质有穿孔带、穿孔卡、磁带及磁盘等,也可通过通信接口直接输入所需各种信息。三坐标数控铣床采用通信接口直接输入所需各种信息。用键盘将加工程序直接键入,并且可在数码显示器或 CRT 显示器上显示出来。伺服系统:由伺服电动机和伺服驱动装置组成,是数控系统的执行部分。作用是把来自数控装置的各种指令转换成机床移动部件的运动速度、运动方向和位移量。伺服系统要求有良好的快速响应性能,进给速度范围要大,灵敏而准确的跟踪指令功能和转速,在较大的范围内要求有良好的工作稳定性。此数控铣床的驱动元件为交流三相异步电动机。测量装置:是将床身的实际位置、速度等参数转换成电信号反馈回数控装置。以校核执行部件实际运动速度、方向和位移量,并使之与加工指令相一致。四 设计题目及技术要求设计题目是三坐标数控铣床设计。从总体布局和结构形式,与普通铣床相似,主要还是由床身,主轴箱,刀架,进给系统,液压、冷却、润滑系统等部分组成。但是,由于动力源采用了交流伺服电机,控制系统实现了 CNC,所以,使得主运动和进给系统机械结构大大简化。尤其是进给系统,与普通铣床的进给系统有质的区别,没有传统的进给箱,板箱和挂轮架,而是直接由伺服电机通过滚球丝杠驱动溜板和刀架,实现进给运动。主要设计要求:三坐标数控铣床,进给精度 0.01mm,X、Y、Z 坐标进给速度2m/min,X、Y、行程 300mm,Z 行程 250mm,工作台尺寸 420300mm。五 数控铣床各组成部分的分析1 X、Y 工作台X、Y 工作台的组成:X、Y 工作平台传动机构;X 向齿轮减速和滚珠丝杠传动方向(Y 向和 X 向相同) ;驱动机构:X、Y 向两个电机。X、Y 工作台的工作原理:通过控制 X、Y 向电机驱动传动机构,从而带动 X、Y 工作平台沿 X、Y 向运动。2 主轴主轴部件包括主轴轴承、传动件和相应的紧固件。主轴的端部是标准的。传动件如齿轮、带轮等与一般的机械零件相同。机床主轴部件,三个方向的进给及其它部件滚动轴承,均采用润滑脂润滑。3 导轨由运动和承导件组成。运动件:需要做直线运动的零部件。承导件:用于支承并限制运动件,使其只能按给定的要求和规定的方向作直线运动。设计中可采用滑动导轨,对导轨要求有以下几点:(1) 要有一定的导向精度。(2) 要有良好的耐磨性。(3) 要有足够的刚度。(4) 有减小热变形影响。(5) 要使运动轻便平稳。(6) 要有一定的工艺性。主要用来支承和引导部件沿一定的轧道运动。要求导向精度高,耐磨性能好,足够的刚度。本设计采用塑料导轨,镶粘塑料导轨已广泛用于数控机床。其摩擦系数小,且动、静摩擦差很小,能防止低速爬行现象;耐磨性、抗撕伤能力强;加工性和化学稳定性好;工艺简单,成本底;并有良好的自润滑性和抗震性。塑料导轨多与淬硬刚导轨相配使用。滑动导轨间隙的调整:采相应的用刮、磨结合面或加垫片的方法以获得相应的间隙;镶条调整,这是侧向间隙常用的调整方法,镶条有直镶条和斜镶条两种。采用矩形导轨,这种导轨的特点是结构简单,制造、检验和修理较易,新导轨制造精度高,但导轨经磨损后不能自动补偿,导向性不如三角形导轨好。三坐标数控铣床采用贴塑导轨,这是一种金属对塑料的摩擦形式。属于滑动摩擦导轨,导轨一滑移面上贴有一层抗磨软带,导轨的另一滑移面上贴为淬火磨削面,软带是以聚四氟乙烯为基材,添加合金粉和高氧化物的高分子复合材料。塑料导轨刚性好、动静摩擦系数差值小、耐磨性好、无爬行、抗振性好、化学的稳定性好、维护修理方便、经济性好。塑料导轨和其它导轨相比,有以下特点:(1) 摩擦系数低而稳定性比铸铁导轨低一个数量级;(2) 动静摩擦系数相近,运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好;(3) 吸收振动具有良好的阻尼性,优于接触刚度较低的滚动导轨和易于飘浮的静压导轨;(4) 耐磨性好,有自身润滑作用,无润滑油也能工作,灰尘磨粒的迁入性好;(5) 化学的稳定性好,耐高、低温、耐强酸强碱、强氟化剂及各种有机溶剂;(6) 维护修理方便,软带磨损后更易更换;(7) 经济性好、结构简单、成本低,约为滚动导轨成本的 1/120。三成复合材料DU 导轨板成本的 1/4。三个方向的导轨副、滚珠丝杠副由自动间隙润滑油泵进行定时润滑,润滑油泵安装在立柱侧面,通过分油器将润滑油分送到各润滑点上。4 进给装置三坐标数控铣床的进给运动是数字控制的直接对象,不论点位控制还是连续控制,被加工工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此,要注意以下三点进给运动要求:(1) 减少运动件的摩擦力。进给系统虽有许多元件,但摩擦阻力主要来自丝杠和导轨。丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一。(2) 提高传动精度和刚度。在进给系统中滚珠丝杠和支承结构是决定其传动精度和刚度的主要部件,因此,必须首先保证它们的加工精度。(3) 减少运动惯量。进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的影响。尤其是处于高速运转的零件,其惯性的影响更大。5 滚动丝杠滚珠丝杠螺母副:在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件,以减少摩擦。当丝杠与螺母相对运动时,滚珠沿螺旋槽向前滚动,在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置,逐个地又滚回到丝杠与螺母之间,构成一个闭和回路。它的优点是:(1) 摩擦系数小,传动效率高, 可达 0.92-0.96,所需传动转矩小。(2) 灵敏度高,传动平稳,不易产生爬行,随动精度和定位精度高。(3) 磨损小,寿命长,精度保持性好。(4) 可通过预紧和间隙消除措施提高轴向刚度和反向精度。(5) 运动具有可逆性,不仅可以将旋转运动。6 进给伺服系统进给伺服系统的组成:有驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统;检测元件与反馈电路组成检测装置亦称检测系统。进给伺服系统中采用的驱动装置为直流伺服电机。7 微处理器用来集中控制,分时处理数控系统的各项任务。单微处理器机构的基本组成包括:微处理器和总线、存储 I/O 接口、MDI/CRT 接口、位置控制器、PC。微机控制系统的硬件设计主要就是上述几个部分的具体设计。六 参考资料1数控机床设计手册;2机械设计手册;3机电传动控制;4标准件手册。5. 机电一体化设计手册七 进度计划第一阶段:完成所选课程,完成英文翻译。第二阶段:完成毕业设计的总体规划,查阅相关资料。第三阶段: 完成X-Y工作台设计及相关计算。第四阶段: 完成磨头设计。第五阶段: 完成控制系统设计。第六阶段: 撰写毕业设计说明书,出图,准备答辩。1中文摘要三坐标数控铣床设计毕业设计是在原有普通铣床的基础上,对其进行改造,成为三坐标数控铣床。该机床能通过三轴联动,实现曲线直线等不同的加工路线。所设计的三坐标数控铣床,三个坐标方向的移动均由步进电机带动,主轴电机采用交流电机,所有电机均由单片机进行控制。设计主要对数控铣床的机构进行设计,了解单片机的工作原理,主要有以下几个方面:X、Y,Z 工作台的传动机构设计,主要是滚珠丝杠的运用;机床整体结构的设计,了解优缺点,充分考虑主要矛盾,择优选取;单片机控制系统的设计,进一步熟悉其应用。在数控机床系统中,加工精度和加工可靠性是伺服系统决定的,本文对普通铣床的数控化改造进行了分析和设计,通过对普通铣床的数控化改造,提高了普通铣床的加工能力和加工范围,节省了直接购买机床的部分资金,具有很好的经济效益。关键词 铣床, 数控, 改造, 三坐标2英文摘要Three Coordinate NC Milling Machine DesignBasing on the common milling machine,this thesis reconstructs it and turns it to a NC milling with three coordinate.This reconstructed machine can realize cure line and straight line machining pathway by three axis linkage。The reconstructed milling machine movements along x,y,and Z are drove by step driver,the AC motor is used in principal axis. All above motors are controlled by single chip.This thesis focuses on designing the mechanism of the and mastering the single chip working principle. Which is including to the drive system design of X,Y,Z workbench , the whole machine construction design and the control system design of single chip. In a NC machine tool system, the precision and reliability of the machine tool depend on the serve system. Through the reconstructing ,analyzing and designing of a common milling machine serve system, the machining ability can be improved ,and a big sum money may be saved, the company will benefit from it.Keywords Milling Machine, NC , Reconstruct, Three Coordinate3目录中文摘要 . 1英文摘要 . 2目录 . 3前言 . 1第 1 章 概论 . 21.1 数控机床的产生及发展 21.2 数控机床的组成及分类 21.3 数控机床的特点及应用范围 .4第 2 章 设计主要参数及基本思想 52.1 课题要求 52.2 设计原则 52.3 总结构设计 5第 3 章 立式数控铣床的设计和计算 83.1 主传动系统的设计 . 83.2 主轴系统计算 113.3 进给伺服系统的设计 133.4 进给传动的计算 15第 4 章 微机控制系统的设计 .254.1 微机控制系统组成及特点. 254.2 微机控制系统设备介绍 254.3 程序部分 29致 谢 . 33参考文献 . 34英 文 翻 译 INTRODUCTION TO MECHATRONICS1: What Is “Mechatronics“?“Michatronics“ is a term coined by the Japanese to describe the integration of mechanicaland electronics engineering. The concept may seem to be anything but new ,since we can alllook around us and see a myriad of products that utilize both mechanical and electronic dis- cipplines. Mechatronics,however ,specifically refers to a multidisciplined ,integrated approachto product and manufacturing system design .It represents the next generation of machines,robots ,and smart mechanisms necessary for carrying out work in a variety of environments-primarily ,factory automation ,office automation ,and home automation as show in Figure 1.By both implication and application ,mechatronics represents a new level of integration for advanced manufacturing technology and processes .The intent is to force a multidisciplinary approach to these syetems as well as to reemphasize the role of process understanding and control .This mechatronic approach is currently speeding up the already-rapid Japanese processfor trasforming ideas into products .Currently ,mechatronics describes the Japanese practice of useing fully intefrated teams of product designers ,manufactring, purchasing, and marketing personnel acting in concert witheach other to design both the product and the manufacturing syestem.The Japanese recognized that the future in producdtion innovation would belong to those who learned how to optimize the marriage beween eletronic and mechanical systems.They realized,inparticular ,that the need for this optimizatong would be most intense in application of advanced manufacturing and production systems where artificial intelligence ,expertsystems ,smart robots, and advanced manufacturing technology systems would create the next generation of tools to be used in the factory of the future.From the very beginnings of recorded time ,mechanical systems have found their way into everyaspect of our society .Our simplest mechanisms ,such as gears ,pulleys, springs,and wheeles.have provided the basis for our tools .Our electronics technology,on the other hand ,is completelytwentieth-century ,all of it created within the past 75 years.Until now ,electronics were included to enhance mechanical systems performance ,but the emphasis remained on the mechanical product .There had never been any master plan on how the integration would be done .In the past ,it had been done on a case -by-case basis .More recently,however,because of the overwhelming advances in the world of electronics and its capability to physically simplify mechanical configurations ,the technical community began to reassessthe marriage between these two disciplines.The most obvious trend in the direction of mechatronic innovation can be observed in the automobile industry .There was atime when a car was primarily a mechanical marvel with afew electronic appendages.First came the starter motor ,and then the generator ,each making the original product a bit better than it was before .Then came solid-state electronics,and suddenly the mechanical marvelbecame an electro-mechanical marvel .Todays machine is controlled by microprocessors ,built byrobots ,and fault-an-alyzed by a computer connected to its “external interface connector“.Automotive mechanical engineers are no longer the masters of their creations.The process that describes the evolution of the autimibile is somewhat typical of other productds in our society.Electronics has repeatedly improved the performance of mechanical systems ,but that innovation has been more by serendipity than by design .And that is the essenceof mechatronica the preplanned application of ,and the efficient integration of,mechanicaland electronics technology to create an optimum product.A recent U.S. Department of Commerce report entitled “JTECH Panel Report on Mechatronics in Japan“compared U.S and Japanese research and development trends in specific areas of mechatronics technology.Except for afew areas ,the technology necessary to accomplish the development ofthe next generation of systems embodying the principles of mechatronics is fully within the technological reach of the Japanede .Comparisons were made in three categories :basic research ,asvanced development, and productimplementation.Except for machine vision and software ,Japanese basic research was comparable to the United States,with the Japanese closing in fase on macchine vision system technology.Japanese artificial intelligence research is falling behind ,primarily because the Japanese donot consider it an essential ingredient of their future systems ,they appear capable of closing even that gap,if required .In the advanced development and product implementation areas,Japanis equal to or better than the United States,and is continuing to pull ahead at this time .The Department of Commerce report concleuded that Japan is maintaining itsposition and isin some cases gaining ground over the United States in the application of mechatronics .Theirprogress in mechatrinics is important because it addresses the very means for next generationof data -driven advanced design and manufacturing technology. In fact ,the Department of Commerce repert cincludes that this has created a regenrative effect on Japans manufacturing industries.TO clese the gap ,we will need to go much further than creating new tools .If we acceptthe fact that mechanical systems optimally coupled with eletronics components will be the waveof the future ,then we must also understand that the pipple effect will be felt all the way backto the university,where we now keep the two disciplines of mechanics and eletronics separated andallow them to meet only in occasional overview sessions .New curricula must be create fir a newhybrid engineer a mechatronics engineer .Only then can we be assured that future generations of product designers and manufactuiing engineers will full seek excellence in these new techniques.We need to rethink our present day approach of separating our engineering staffs both andfrom each other and from the producting engineers .Living together and communicating individualknowledge will be the key to optimum designs and new product development .The definition of mechatronics is much more significant than its combined words imply .It can physically turn engineering and manufacturing upside down. It will change the way we design and produce the next generating of high technology products.The nation that fully implements the rediments of mechatronics and vigorousely pursues it will lead the word to a new generation of technology innovation with all its profound implications.2.Benefits Of MechatronicsMechatronics may sound like utopia to many product and manufacturing managers it is often presented as the solution to nearly all of the problems in manufacturing . In particular ,it promises to increase productivity in the factory dramatically.Design changes are easy with extensive use of mechatronic elements such as CAD; CAP and MIS systems help in scheduling ; and flexible manufacturing systems ,computer-aided design ,and computer integrated manufacturing equipment cut turnaround time for manufacturing .These subsystems minimize production costs and greatlu increase equipment utilization .Connections from CAE,CAD, and CAM help create designs that are economical to manufacture ;cintrol and communications are improved,with minimal paper flow; and CAM equipment minimizes time loss due to setup and materials handling.Many companies that make extensive use of computers view their factories as examples of mechateonic concepes, but on close wxamination their integration is horizontal-in the manufacturing area only or at best includes primarily manufacturing and managemengt .General Electric ,as part of its effort to become a major bendor of factory automation systems ,including its Erie Locomotive Plant, its Scjenectady Steam Turbine Plant, and its Charlottesville Controls Manufacturing Division. The primary benefits of mechatronics, with an emphasis on advanced manufacturing technology and factory automation ,are summarized below.High Capitial Equipment Utilization Typically , the throughput for a set of machines in a mechatronics system will be up to three times that for the same machines in a stand-alone job shop environment . The mechatronic system achieves high efficiency by having the computer schedule every part to a machine as soon as it is free , simultaneously moving the part on the automated material handling system and downloading the appropriate computer program to the machine . In addition , the part arrives at a machine already fixtured on a pallet (this is done at a separate work station )so that the machine does not have to wait while the part is set up .Reduced Capital Equipment CostsThe high utilization of eqipment results in the need for fewer machines in the mechatronic system to do the same work load as in a conventional systenm . Reductions of 3:1 are common when replaceing machining centers in a job-shop situation with a mechatronic system. Reduced Direct Labor Costs Since each machine is completely under computer control ,full-time oversight is not repaired . Direct labor can be reduced to the less skilled personnel who fixture and defixture the parts at the work station ,and a machinist to oversee or repair the work stations ,plus the system supervisor . While the fixturing personnel in mechatronic environments require less advanced skills than corresponding workers in conventional factories , labor cost reduction is somewhat offset by the need for computing and other skills which may not be required in traditional workplaces.Reduced Work-in Process Inventory and Lead TimeThe reduction of work in-process in a mechatronic system is quite dramatic when compared to a job-shop environment . Reductions of 80 percent have been reported at some installations and may be attributed to a variety of factors which reduce the time a part waits for metal-cutting operations. These factors include concentration of all the equipment required to produce part into a small area ;reduction in the number of fixtures required ;reduction in the number of machines a part must travel through because processes are combined in work cells ; and efficient computer scheduling of parts batched into and within the mechatronic system.Responsiveness to Changing Production RequirementsA mechatronicsystem has the inherent flexibility to manufacture different products as the demands of the demands of the marketplace change or as engineering design changes are introduced .Furthermore , required spare part production can be mixed into regular runs without significantly disrupting the normal mechatronic system production activities.Abulity to Maintain ProdutionMany mechatronic system are designed to degrade gracefully when one or more machines fail . This is accomplished by incorporating redundant machining capability and a material handling system that allows failed machines to be bypassed . Thus , throughput is maintained at a reduced rate.High Product QualityA sometimes-overlooked advantage of a mechatronic system , especially when compare to machines that have not been federated into a cooperative system , is improve product quality . The basic integration of product design characteristics with production capability ,the high level of automation , the reduction in the munber of fixtures , and greater attention to part/machine alignment all result in a good individual part quality and excellent consistency from one workpiece to another ,further resulting in greatly reduced costs of rework.Operational Flexibility Operational flexibility offers a significant increment of enhanced productivity . In some facilities , mechateonic system can run virtually unattended during the second and the third shifts . This nearly “unmanned “ mode of operation is currently the exception rather than the rule . It should , however, become increasingly common as better sensors and computer controls are developed to detect and handle unanticipated problems such as tool breakages and part-flow jams . In this operational mode , inspection ,fixturing , and maintenance can be performed during the first shift .Capacity Flexibility With correct planning for available floor space , a mechatronics system can be designed for low production volumes initially ;as demand increase , new machines can be added easily to provide the extra capacity required.Mechatronic System ElementsThis chapter provides a brief introduction to the mechatronic system concept and the system elements required to implement mechatronic technology . The stress is on factory automation ,whiche will serve as the foundation for mechatronic technology integration in office automation and home automation .System Concept Mechatronic production systems include all aspects of product design , manufacturing , and plant management , in a coordinated data-driven computer-as-sisted system .But unlike any other process before , they will also include the operationts that are the involed in defining the product a plant is to manufacture .It is precisely here that the Japanese have excelled ,making many American firms take notice and wonder why their share of the market is disappearing.A close inspection of the process would receal that the Japanese had created new products that were so much attuned to the using public that our statle products lacked luster in the market-place . They created a need for their products and did so by that age-old principle which states, “give the customer what he wants ,not what you think he wants .”Sharing the design process with customer is an interesting process that , when considered as part of the mechatronic philosophy , becomes the prime mover for everything else that happens in factory automation.There are three general groups of mechatronic functions , as shown in Figure 2: market needs analysis ,which results in user-oriented product design ; manufacture(both fabrication and assembly ) of products on the factory floor; and enlightened management of factory operations . The three general groups noted above ,stressing the need for inproved design , product manufacturing ,and enlightened management ,are not necessarily mutually exclusive . In fact , the goal of introducing mechatronics into these systems is to break down the barriers between them so that design and manufacturing system are inextricably linded . Howerer , the three categories are useful to frame the discussion , particularly since they correspond to the organization of a typical manufacturing firm. 汉语翻译机电一体化概述1:何为机电一体化机电一体化是日本人新造的术语,用来描述机械工程与电子工程的结合。机电一体化的念除了是个新的概念之外,还可以看成包含任何东西的概念,因为我们周围有许许多多的数不清的产品都是机械和电子技术有机结合的产物。然而机电一体化特别指的是多学科相结合的产品设计和制造系统的方法,他代表着下一代的机器、机器人和灵敏的机械能够在一系列不同的环境下进行工作。主要是:工厂自动化、办公自动化、家庭自动化,如下图 1 所示同时应用机电一体化代表着一个新的层次上的先进生产技术和过程相结合。这就意味着把包含多种学科并且反复强调的方法应用于那些系统,这与把理解和控制放在一个重要的地位上是一样的。这种机械与电子技术相结合的方法使现今观念转变已经比较快的日本更快的把技术应用于产品之中。目前,机电一体化阐述了日本人使用充分结合的队伍的实践,这一队伍包括产品设计者、制造人员、采购人员和销售人员,他们相互一致行动,既设计产品又设计制造系统。日本人承认在生产革命中未来将属于知道怎样使用电子系统和机械系统之间相结合的最好的人们,更特别的是他们意识到这种需要是先进生产技术和制造系统的优化是最强烈的,譬如人工智能、专家系统、灵巧机器人。先进的制造系统能够创造下一代将来能够在工厂应用的工具。迄今为止,机械系统已经在我们社会各方面广泛应用且存在,例如我们的一些简单机械齿轮、弹簧、轮子都是我们日常生活的基本工具。在另一方面我们的电子技术在 20 世纪已经在短短的 75 年内就已经相当的发达了。直到现在,电子技术从属于机械系统,并来增强机械系统的性能。但是重点仍然放在机械产品的生产上,从没有把机械和电子相互结合。在过去,只是就事论事,最近由于世界上电子技术的不可抵挡的先进性,且能够实际的简化机械装置。机械技术行业开始将电子技术与机械“联姻” 。最直接的机电一体化改革体现在自动化工业。我们进入了一个崭新的时代,一辆汽车是只有几个电子元件就能控制的机器。首先是起动器马达,接着出现的是发电机。每一次都使产品有了新的进步,之后半导体电子元件(由集成块、晶体管和二极管组成)的出现成为机械行业的奇迹。现今的机器是由微处理器控制,由机器人生产,故障分析由与外接口连接器连接的电脑控制,自动化机器引擎。电子技术已再三的改善了机械系统的性能。这是机电一体化的精华机械技术和电子技术预先计划应用和有效结合以创造一种最佳的产品。美国贸易部最近的一篇题为“日本技术规则委员会关于机电一体化评论”的报告比较了美国和日本在机电一体化技术上的研究和发展。除了少数领域外,完成使机电一体化的原理具体化的下一代系统的研制所必须的技术完全在日本人所能及的范围内。在下列三个方面作了比较:基础研究、试样样品和产品实现三个方面。除了机械视觉系统和软件系统外,日本的基础研究与美国的是可以相比的,日本人在机器视觉系统(系统通过传感、物体识别、图象分析和解释来确定物体的方位和形状的能力,称为机械视觉系统)日本人工智能方面的研究比美国相对落后,主要是日本人不认为人工智能是与他们将来系统结合的关键。如果需要的话,他们甚至关闭且不研究人工智能。在试样试品和产品实现方面,日本与美国持平,甚至超过美国,并在一段时间内仍保持领先势头。美国贸易部的报告总结出:日本仍然保持其地位,在一些情况下,对于机电一体化的应用仍胜于美国。他们在机电一体化方面的进步是非常重要的,因为它是下一代以数据为主导的设计及制造技术的重要手段。实际上,美国贸易部报告的结论会对日本的工业生产产生更深远的影响。为了缩小差距,我们不仅要制造新的工具,而且我们要走的路更远。如果我们接受电子元件最佳结合的机械系统将是未来的浪潮。这一事实,那么我们一定能理解。这波纹效应一直到大学都能感觉到。在大学里我们把机械学和电子学这两门学科分离,而且仅在偶然的综合性课程中允许二者相遇。现在的课程必须能够创造新的混合型的工程师机电一体化工程师。只有这样,我们才能保证将来下一代的产品设计者和制造工程师将在新的技术领域有出色的表现。我们必须需要重新思考一下我们现代的划分我们机电一体化工程师成员的方法,既要彼此互相区别,而又要与产品工程师相互区别。居住在一起,个人之间相互交流在产品将产生一种复杂的效应。最大化的相互作用是优化设计和新产品开发的关键。机电一体化的定义的重要性不在于它是词语的简单组合,他把工程技术和制造技术相互结合,他会改变我们设计和生产下一代高科技产品的方式,充分为机电一体化提供基础,并强有利的推行机电一体化的国家将把世界导向一场具有深远意义的新一代技术革命。2:机电一体化的优势机电一体化对于许多产品和制造者听起来似乎是近乎理想的完美境界,因为机电一体化几乎能解决生产制造中的所有问题,更特别的是,他很有可能显著的提高工厂产品的产量。广泛的利用机电一体化组成部分例如 CAD(计算机辅助设计 )、CAP(计算机辅助计划)和 MIS(管理信息系统)帮助的编制进度。并且柔性制造系统、计算机辅助设计、计算机集成制造设备,可以大大的降低生产制造的工作周期,这子系统降低产品成本和提高设备的利用率,与 CAE(计算机辅助工程 )、CAD 、CAM(计算机辅助制造)相结合的机电一体化能创造更经济的产品,利用控制和联络的提高,降低图纸数量,并且 CAM 设备减少了安装和控制机器的时间。许多公司更广泛的利用计算机把他们的工厂看成是机电一体化构想的试样点。但是,经过严密考察后,他们的结合是水平的只在生产领域包括主要的生产制造和管理阶层。通用电器公司成为工厂汽车系统的主要卖主,已经推出其宏伟计划合并其旗下的数个公司,包括伊利机车厂、斯克奈塔气轮机厂、夏洛茨维尔制造分工司。机电一体化的主要优势着重放在先进制造技术和工厂自动化。机器设备的高利用率典型的讲,一套机电一体化机器设备的生产量是在独立车间的环境下、相同的机器条件下的三倍。当机器一空闲下来时,就让计算机调度每一个零件到这台机器,同时在自动材料输送关系系统中使零件运动,并且把适当的计算机程序下行传输到这台机器80,这样就能使机电一体化系统达到很高的效率。另外,已经固定在托板上的零件到达机器,以使零件装卡时机器不必等待把零件固定在托板上是单独的工作站上完成的。降低设备资金消耗机器设备的高利用率,原因在于在作用同样工作时机电一体化系统比传统的机械系统需要更少的机器设备。当利用机电系统代替加工中心时,减少 1/3 的机器设备是正常的。降低工人的劳动消耗因为每一台机器是完全在计算机控制下不用工人一直盯着工作,直接的减少了机器工人的监工或者维修工、零件的检察员,不太需要有技能的人员。例如在车间夹紧、卸下工件。然而,在机电一体化工作环境下与传统的工作车间相比不需要更高的技术。劳动力资金的减少在某种程度上与传统工作车间不需要的技术是相互抵消的。有计划调度在制工件和减少产品设计到投产时间或从定货到交货时间。与单独车间环境下相比,利用机电一体化系统在减少在制工件方面是非常显著的。据一些车间报道已经减少了 80%,这些都归功于减少了定货到交货的时间的诸多因素,这些因素包括:全部生产零件所需的设备都集中在一个小的区域内;所需夹具的数量的减少;由于加工工艺被组合在工作单元中而引起的零件所必须通过的机器的数量的减少;以及分批进入的和已在机电一体化系统中的零件要进行有效的计算机调度。对改变的产品的需求快速响应机电一体化系统对于不同产品的生产需求和市场需求改变或者工程设计改变都有固有的灵活性。更进一步,备用件的需求不会大大扰乱正常的机电一体化系统的生产活动。生产的可维护性许多机电一体化系统能够适度的降低当一个或更多的机器失效后不能正常工作的机率。当某台机器失效后多余的机器和原材料控制系统使系统绕过失效的机器,因此,生产量始终保持在一个恒定的百分率上。高的产品质量经常性的监督机电一体化系统,特别是当与没有与合作系统联合的机器系统相比能够更能提高产品的质量,产品设计性能与生产能力的基本结合,高水平的自动化夹具数量和驻留的机器数量的减少,设计的更好的永久性夹具,更加注意零件与机器的调整,所有这些都使单个零件质量良好,零件之间有极好的一致性,并且导致返工成本的大大减少。灵活的控制灵活的控制能够显著的增加产品的产量,在一些设施里,机电一体化系统可以在中班和晚班和无人看管条件下自动运行,这种几乎无人的操作方式目前是例外的情况,而不是常规,但是他可以变成常规。如果好的传感器和计算机能够控制和解决一些非预期的情况,例如刀具划伤、零件流动阻滞等等。在这种操作模式下,监察、安装和维修可以在第一班即可完成。灵活性由于正确的操作可利用的占地面积的计划,一个机电一体化系统最初可为低产量而设计。随着需求的增长,可以容易的增添新机器,以提供需要的附加生产能力。3: 机电一体化的组成这一章节简要的介绍机电一体化系统的原理,而且讲述了需要机电一体化各个组成部分来实现机电一体化工艺技术。 机电一体化系统的 重点应放在 工厂自动化,因为工厂自动化作为机电一体化整体技术中办公自动化和家庭自动化的基础。系统原理机电一体化产品生产包括产品设计的所有方面,产品的生产制造和与工厂管理部门由数字化驱动的相互协调的计算机辅助系统。但不同于以往的其他工艺技术,他们还包括与确定工长江要制造的产品有关的工序,这里 恰好是日本人以胜人一筹之处,使得许多美国公司注意并想知道为什么它们(占有)的市场份额正在消失。一份关于这种工艺的周密调查讲揭示:日本人已创造了非常适合于用户的新产品,以至我们的陈旧产品在市场上失去了光泽。他们引起了对他们产品的需要,并且是按照那个古老的原则做到这一点的,这个原则是:“给予顾客它所向要的东西,而不是给他认为他乡要的东西。与顾客分担设计过程是一种有趣的过程,当把她作为机电一体化基本原理的一部分考虑时,这一过程为在工厂自动化方面发生的其他一切事实的动力。,机电一体化功能一般分为三类:与用户相关的产品设计的市场分析,在工厂现场的产品的生产制造,开明的工厂经营管理。上述三大类功能,既强调需要改进的设计,产品的制造,开明的管理,不是必然相互排斥的。实际上,把机电一体化引入到这些系统的目的扫除它们之间的壁垒,从而使设计和制造系统能够自然而然的连接起来,然而这三种功能构成讨论是很有好处的,特别,当他们与典型的制造公司对应更能体现其好处。
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