桌面型三轴数控微细铣削加工机床的研究

作     者：刘新 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈万群

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：微小型机床 结构设计 控制软件 有限元分析 

摘      要：在当今这个科技快速发展的时代,微小型机械产品的使用前景越来越广泛,在很多领域中都扮演着重要的角色,随着智能时代的到来和计算机技术、纳米技术的兴起,微小型机械产品的需求还会进一步增加。微小型机床也因具有节约资源、降低成本等优点而备受关注。并且为了满足产品微小型化的需求,本课题进行了微铣削机床的设计和研究,旨在设计出部件轻、刚性好、固有频率高、减震性好且能满足实验加工需要的微小型铣削加工机床。本文根据微小型机床的技术要求,完成机床整体功能模块分析和机械结构设计,选用立式结构作为机床的基本构型。对立板和主轴等机床关键零部件进行有限元辅助设计与分析优化,提升其静动态特性和验证对加工质量的影响。对机床各功能单元进行设计和硬件选型,完成机床控制系统的设计。面向所设计的微铣削机床,基于GTS-VB运动控制器,开发具有控制性能且人机交互性强的控制软件。分析了PID控制原理和整定方式,同时设计了便捷的PID参数整定窗口。建立进给系统数学模型,采用拉格朗日-麦克斯韦方程来描述机电耦联系统,以获得统一的机电耦联系统的动力学方程,得到进给系统的传递函数,搭建了机床伺服系统控制环路,进行仿真并得到最佳的PID参数。根据系统化设计理论,在确定机床结构参数的基础上,本文设计了机床的三维模型,对模型进行简化处理,并完成了对接触面的处理和网格划分,构建了微小型机床整机的有限元模型。本文仿真分析了机床的静动态特性,以验证所设计机床的性能。还对机床进行了谐响应分析,在后续加工过程中要注意避免相应频段。根据得到的模态分析数据,建立微铣削铣床虚拟样机系统刚柔关联模型,并进行运动学仿真,通过编写控制程序来控制机床的运动轨迹,验证了所设计微铣削机床总体方案的可行性。