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基于成本效益的数控系统设计

阿杜尼诺

1.1背景

制造技术，特别是机床被用来制造现代经济所依赖的产品和商品。随着时间的推移，不同用途的不同类型的机器被开发出来；1818年，工业革命期间，伊莱·惠特尼被认为是制造第一台铣床的功臣。从那时起，随着数控技术的应用，铣床不断得到改进，可以说是当今最通用的机床。铣床的发展部分是技术的小型化。数控铣床的小型化已经达到一个程度，即机器可以放置在桌面上，从而使低成本的机器成为教育工作者、发明家和业余爱好者广泛使用的对象。铣床是由具有切削刃的旋转刀具定义的一种机床，通过旋转刀具和工件之间的相对运动，以切屑的形式机械地从工件上去除材料。与钻孔不同，铣削过程能够在旋转刀具和工件之间沿刀具旋转轴以外的方向进行相对运动。已经开发了各种各样的铣床配置和尺寸，通常通过刀具的方向、线性和/或旋转运动轴的数量以及机床的工作容积来区分。

图1.1：现代CNC M/C

计算机数控机床是一种使用一套指令自动定位切削刀具相对于工件的机床。计算机从数据文件中读取指令，并向控制每个轴位置的电机发送运动命令。1952年，麻省理工学院首次演示了机床的数控技术，该技术于1955年首次商业化。从那时起，数控技术不断完善，以跟上计算技术的进步。

今天，许多不同的CNC控制选项已经在市场上销售，包括低成本的软件，可以将一台普通的PC机变成多轴运动控制器。PC机控制机床的出现，使小型、低成本的数控机床产品的开发包括台式数控铣床。

1.2问题定义：

各种形式的丙烯酸在很大程度上进入了这个国家的工业，因此它从森林树木经济快速地转变为一般用途的物品不能成为最重要的利益。丙烯酸的加工成本高，需要大量的资金。该机器旨在开发一种小型工业数控机床，以降低丙烯酸的加工成本。同时，其目的是降低数控机床的总体制造成本，使之能够用于小型工业。此外，使用Ardino将机器与桌面连接，可以降低机器的所有成本。因此，本发明的机器旨在开发一种小型的CNC M/C模型，该模型可以降低丙烯酸和其他各种材料的加工总成本，并开发出小型的M/C，在不久的将来帮助小型工业的发展或用于教育目的。

1.3问题的重要性：

台式数控铣床几乎只用于非生产环境，如办公室、教室或车库。更大更高效的加工中心通常用于生产制造。台式机很可能被用来制作原型、教育或一次性零件。独立于使用，降低先进制造技术的成本，并使这些技术向更广泛的受众提供，对于促进经济增长具有重要意义。

2.1文献

本章介绍了与本书有关的文献。由于本工作的目的是设计一种低成本的数控雕刻机。

从基础上进行了详细的研究，并提出了构建模块化结构的想法：

Lin等人[1]研究了直线导轨预加载对提高立式铣床结构性能具有重要意义的立柱主轴系统动态特性的影响。

Lee等人[2]观察到，生产率低的主要原因是机床运动部件的质量大，不能承受运行过程中遇到的高加速和减速。

向生等[3]分析了配置参数对机床工作空间动态特性的影响，基于正交试验方法提出了配置参数的建议。利用模型综合法对新设计的涡轮叶片铣床进行了动力学分析。

Hung等人[4]强调，预测加工稳定性对于设计高精度、高速加工的机床具有重要意义。加工性能由机床结构的频率特性和切削过程的动力学特性决定，并用稳定波瓣图表示。

Abele at[5]介绍了机床主轴单元的最新技术，重点介绍了用于高速和高性能切削的电动主轴单元。详细介绍了主轴装置的主要部件的历史发展、最近的挑战和未来趋势。

冯和在[6]上观察到，滑枕是超重型数控落地式镗铣床的重要组成部分，滑枕的变形是造成加工误差的重要原因。

Namazi等人[7]认为高速铣削中的大部分颤振是由于刀架-主轴和刀架接口处的柔性连接引起的。

Aknouche等人[8]描述了有关刀具磨损的一些有趣结果。在北非阿勒颇松的加工过程中，刀具磨损与切削力的相关性表明，切削长度的运行周期约为850m。在此期间，在稳定区内大约-1.1之前，角度偏移是不稳定的。这证实了前两个单独区域的存在，这两个区域表征了刀具边缘衰退的行为，即运行（突然磨损）和线性磨损（称为稳定期）。

Cao等人[9]观察到机床的颤振稳定性取决于主轴系统的动态特性。提出了一种考虑变速主轴动力学的高速铣削颤振稳定波瓣预测方法。基于高速主轴的动力学模型，系统地研究了高速主轴的速度效应。研究发现，由于主轴系统的阻尼作用，主轴的陀螺力矩可以增加刀尖的横向频响函数，但对刀尖的直接频响函数几乎没有影响。

Jonsson等人[10]强调，在设计数控机床时，必须同时考虑控制的动力学、电气部件和机器的机械结构。该概念包括一个真实的控制系统、机器动力学仿真模型和一个可视化的虚拟现实模型。然而，从本文给出的初始模拟结果可以得出结论，结构柔性对制造精度的影响在所需的进给速度和加速度下是非常重要的。

zulaikaet.al[11]提出了一种综合设计大型铣床的方法，同时考虑到移动结构部件的质量降低和最大材料去除率。

Son等人[12]描述了一种三自由度（DOF）台式可重构机床的开发。本文提出了一种能够控制主轴三自由度方向的台式可重构机床的概念设计。然后，进行了静态和动态结构分析，以表征振动对制造性能的影响。

Dong等人[13]讨论了使用新型平行运动X-Y工作台的高速三轴铣床的开发和性能评估。X-Y表是基于对Oldham耦合的一种反演。

Padayachee等人[14]开发的可重构制造系统（RMS）范式解决了满足现代制造需求的制造系统和设备设计中的挑战。

Youssef等人[15]指出，在评估现代制造系统的性能时，必须考虑模块化和可重构性。本文提出了一个由多个功能并行生产单元的不可靠模块化机器组成的制造系统的可用性和预期生产率评估模型。

Gallardoet.al[16]讨论了一个模块化空间超冗余机械手的运动学，包括位置、速度和加速度分析，该机械手由多个具有自主运动的串联相同机械模块构成。

Eyma等人[17]解释了木材加工中密度与切削力之间的关系并不完美，一些例外情况无法解释。这些困难很容易用木材材料的各向异性来解释。力学性能可以解释密度与切削力关系中的一些例外。

Z.M.Bi等人[18]的研究提出了一种自动化方法，用于构建组装模块化机器人系统模块化部件的运动学和动力学模型。通过与其他方法的比较，该方法适用于任何具有串行、并行或混合结构的机器人配置。

Brisan等人[19]可重构机器人系统允许多种配置具有不同的特征，使用大部分模块化构建块。本文的目的是研究可重构机器人系统在不同自由度、不同配置下，工作空间中奇点的形状、尺寸和分布是如何变化的。

Neugebauer等人[20]回顾了金属切削和成形机床机电系统的最新发展。介绍了机电一体化模块与机床的集成及其与制造过程的相互作用。以机电元件为例，对静态误差、动态误差和热误差进行精确定位和补偿。讨论了机电一体化系统模块化集成对机床可重构性和可靠性的影响，以及机床运行过程中的干预策略。

Wakasawa等人[21]在研究后阐述了填充球在机械结构中产生阻尼能力的主要因素是填充球之间以及填充球与轨道方形截面内表面之间的碰撞和摩擦。这些方形部分可以安装在机器上的任何地方，尤其是在需要振动不应进一步传播的地方。

Hung等人[22]在观察加工稳定性后预测的结果对设计高精度、高速加工的机床具有重要意义。加工性能由机床结构的频率特性和切削过程的动力学特性决定，并可用稳定波瓣图表示。

2.2雕刻机械的历史

2.3切割作业自动化

大约在1940年左右，人们认为需要新技术来控制机器的运动，以应对航空航天部件生产中的挑战。这一发展的主要贡献是由开发了一种精确机械技术的人所做出的，他们致力于开发直升机叶片。这涉及到在尖点上计算几百个点，并在精密磨机上钻孔。这些工具的连续设置是使用IBM购买的读卡器确定的；美国空军是NC开发的资助机构。

麻省理工学院伺服机构实验室于1952年研制出第一台数控机床。

数控技术的发展可分为以下几代：

第一代：第一代数控机床的控制系统由真空管和相关装置构成。体积庞大，耗电量大，可靠性和存储容量差。

2.第二代的到来：在PCB板的影响两个领域的电子reducethe size of the控制器的数控加工。这些机器是用国产晶体管。然而，《号码印制电路板（PCB）是大的。由于有werethousands部件和连接的可靠性再次参与，所以我不满意。

第三代：60年代中期，集成电路（IC）的概念进一步革新了电子世界。晶闸管控制的直流传动在这一时期很流行。随着数控机床的集成，有助于提高机床的灵活性。从全硬接线设计开始，数控机床的设计就变成了软接线。另一个发展是直接数控技术的发展概念，通过它，几台数控机床可以由一台主机控制。

第四代：迈向微处理器于1970年，是作为一个CPU的计算机。这种变化也影响了在设计的数控加工工具。最初 8位或16位的来微处理器。后来与加工控制系统的几个是介绍。这是系统可靠性的改进。今天的数控系统多是基于32位和64位进制。

数控系统的主要部件如下：

1。数控零件程序

2。机器结构，包括：

a）机床和立柱

b）驱动单元

c）主轴/路由器

d）导轨和侧面，进一步建立在：

一、直线运动方式

二。滚珠丝杠

三。机器控制单元（MCU）

4。工装

在以下章节中，我们将详细讨论以上列出的CNC主要部件：

2.4.1数控零件程序

在数控加工中心，控制指令通过程序输入到机床上。这种程序称为部件程序。部件程序是一组详细的顺序指令。定义为规定工具和工件之间的相对运动，从而完成零件的加工。这些指令集还控制一些其他功能，如主轴转速和进给量的选择、刀具和冷却液的选择和控制等。使用零件模型的几何参数生成程序。

2.4.2机械结构

机械结构构成数控机械的载荷运行和支撑部件。所有电动机驱动机制及其他机械工具功能组合对齐每一个，紧固地固定在机器结构上。机器结构主体是静态和动态力，因此结构不必在这些力量的作用下，振动超越极限。机械结构部件还受到制造、装配和操作考虑的影响。基本的下面讨论了机械结构设计中的设计：

1。静载荷：机床静载荷是由滑块的重量引起的。以及工件和切削力。保持结构的变形在允许范围内的静荷载，结构应具有足够的刚度和正确的结构配置。

2。动载荷：动载荷是用于不断变化的因素的术语。移动时作用在结构上。这些力导致整个机器振动。这种振动的根源是：

（a）转动不平衡部分（b）齿轮啮合不当

（c）轴承不规则（d）加工时中断切割

通过以下措施可以降低这些振动的影响：

（a）减少结构的质量（b）增加结构刚度（c）提高结构的阻尼性能

2.4.3床和主轴

将机械加工力导入机床床身的方式可能具有相当大的对准确性的影响。当工件上的操作正在进行中，然后回到床上，再回到主轴上。减小力环长度是必要的。这会导致刚性和准确性没有过多的自重。一个主要的优势是减少了建立工作的需要在特殊的夹具和夹具，从而减少整体生产时间。

2.4.4驱动单元

现代数控系统主要采用三种驱动技术，即：a）步进驱动器b）直流伺服驱动器c）交流传动

步进电机似乎特别适合小型数控机床，由于能够直接转换，因此进给速度很低，范围为300 mm/min。将数字路径数据转换为轴的实际机械位移。他们不需要模拟中间设备没有来自技术发生器的反馈，也没有路径测量系统。此外，由于这些电机完全封闭，因此几乎不需要维护。这些驱动器比较经济。

1。步进频率和因此可能的进给速度过低。

2。最大有效扭矩相对较低，即加速度特性差

三。即使是短期过载也会导致“失步”。

4。分辨率不够，因此即使在每级0.004英寸的分辨率下，可达到的快进速度太低。如今，现代数控机床的伺服电机驱动器已安装为标准设备，以及它们为机器轴和主机提供无限可变的进给和速度。这种伺服驱动通常由以下部件组成：

1。带转速表和制动器的电机

2。带功率放大器的控制单元，用于带集成现场控制器的主轴驱动

三。主变压器和平滑扼流圈

4。机械离合器，带过载保护

5。防止电流过载或温度过高的电机保护装置

对于主轴驱动器，齿轮箱带有固定或可变齿轮，以实现为了移动电机的速度应与主轴的速度和扭矩要求相匹配。它是进给驱动装置的任务，以精确定位机床的每个单独轴，并精确控制所有的运动，使具有规定公差的工件可以加工。要求的精度要求严格遵守数控编程位置。多轴同步运动控制切削间的相对运动工具和工件创建三维运动。因此，动态行为是主要的选择驱动器的标准。必须使用最小可能声明或超调量，与切割等其他因素无关。

功率波动或摩擦损失变化。因此，数控机床的轴进给运动必须非常精确，减速度尽可能小，重复性尽可能高，以便满足精度要求。所有运动必须独立于反作用力与切割力或惯性力相当。定位速度应该尽可能快地避免任何编程参数的滞后。发展结束在过去的几年中，驱动技术使其能够满足驱动器计数。另一个重要特征是动作跳跃的均匀性和平滑性。完全不能接受振荡。即使是轻微的嗡嗡声或任何共振电机将损坏加工工件的表面，使其达到某一点。可能会被拒绝。为了满足这些要求，高速/高转速和低扭矩路由器最好不要使用主轴驱动的高扭矩电机。主轴驱动的一般速度为从25000 r.p.m.到330

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资料编号：[1988]