[工学]X5132型铣床Z向工作台进给系统数控改装设计论文

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1、华北科技学院毕业设计（论文）摘要随着机械制造业的飞速发展，由于普通铣床效率低，精度不高，已不能满足现代加工的需要，因此对铣床进行数控化改造。使改造后的机床的机械传动部分具有高静态、动态刚度;运动副之间的摩擦因数小，传动无间隙;功率大;便于操作和维修。本文主要对X5132立式铣床进行数控化改造，主要对工作台Z向进给系统进行改装设计，以机械部分设计为主，以控制系统设计为辅。在进给传动系统设计中，全部拆除Z向进给箱齿轮，拆除普通丝杠，换上滚珠丝杠。经过两级齿轮减速由步进电机将运动和动力传到滚珠丝杠。电气部分主要对于控制系统，主要针对经济型数控铣床的设计，这里采用步进电机开环控制，计算机系统采用高性能

2、价格比的MCS-51系列单片扩展系统，主要进行中央处理单元的选择、存储器扩展和接口电路设计等。本次完成了进给系统的相关设计问题，能满足数控铣床加工相关零件的要求，同时该机床也有较好的性价比，因此将旧的普通铣床改造经济型数控铣床,具有广泛而积极的现实意义。 关键词：铣床 滚珠丝杠 数控改装VAbstractWith the rapid development of mechanical manufacturing industry, because the ordinary milling machine low efficiency, precision, already cannot sat

3、isfy the needs of modern processing of milling machine, and so on to numerical control reform. After the innovation of the machine tool to mechanical transmission part with high static, dynamic stiffness; Between the friction factor of motion pair small, transmission no clearance; Big power; Easy op

4、eration and maintenance.This paper focuses on the X5132 vertical milling machine for numerical control transformation, ainly to the workbench Z to feeding system modification to mechanical design is given priority to, to control the system design is secondary. In the design of transmission system, a

5、ll demolished Z to feed box, dismantle ordinary gear ball screw, change the ball screw. After the two levels of gear by step motor sports and power will spread to the ball screw.The main part for electric control system, mainly in the design of the economical CNC milling machine, here the stepping m

6、otor open-loop control, computer system using the high performance of the MCS-price is 51 series single piece of extended system, mainly on the central processing unit selection, memory expansion and interface circuit design, etc.The finished feeding system related design problem, can satisfy the nc

7、 milling machine parts related to the requirements of the machine tool, and also have the good performance-to-price ratio, so will the old general economical nc milling machine, milling machine transformation have extensive and positive reality significance.Keyword: milling machine ball-screw Nc mod

8、ification目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 数控机床简介11.1.2课题研究的目的、意义11.2 国内外研究状况11.3 数控改造的意义2第2章 数控机床概述42.1 概 述42.1.1 数控机床的定义52.1.2 数控机床的组成及特点52.2 数控机床的分类72.2.1 按机械运动轨迹分类72.2.2 按伺服系统的类型分类82.2.3 按联动轴数分类112.3 数控铣床简介122.3.1数控铣床的组成及分类122.3.1铣床的用途和工艺特点132.4 数控未来发展的趋势132.4.1 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展142.4.3向高速化

9、、高精度化和智能化方向发展14第3章 改造总体方案的确定163.1设计参数要求163.2 总体方案确定163.2.1 机械传动部件的选择163.2.2 控制系统的选择183.3 绘制总体方案图18第4章 机械部分数控改造和设计计算204.1切削力的计算204.2滚珠丝杠副的选用及校核214.2.1 滚珠丝杠副传动的概述214.2 滚珠丝杠的结构形式、型号及支承形式的选用224.2.1 滚珠丝杠副的结构形式224.2.2 滚珠丝杠副的型号244.2.3 滚珠丝杠副支承的选择254.3 滚珠丝杠副轴承的选用264.4 滚珠丝杠的计算和校核274.4.1 工作负载的计算284.4.2 滚珠丝杠的寿命

10、计算284.4.3最大载荷计算及丝杠型号选择。294.5滚珠丝杠的校核304.5.1效率计算304.5.2刚度验算314.5.3稳定性校核314.6丝杠支承的选择计算324.7滚珠丝杠有效行程计算334.8传动齿轮副选择计算334.9自锁方式的选择35第5章伺服系统的选择计算365.1伺服电动机选择要求365.2进给系统转动惯量估算365.2.1负载惯量计算365.3齿轮传动的消隙和预裁405.3.1 刚性调整法405.3.2 柔性调整法42第6章控制系统设计456.1 绘制控制系统结构框图456.2 选择中央处理单元（CPU）的类型466.3 存储器扩展电路设计486.3.1 程序存储器的扩

11、展486.3.2 数据存储器的扩展496.4 I/O接口电路及辅助电路设计496.4.1 I/O接口电路设计496.4.2 显示器与键盘扩展电路506.4.3. 步进电机接口及驱动电路506.4.4 软件程序设计（逐点比较法直线插补）526.4.5 其他辅助电路53结论54参考文献55致谢56外文科技资料翻译57英文原文57中文译文67附录 加工实例数控铣床典型零件75附录 图纸列表77 第1章 绪论1.1 课题背景 1.1.1 数控机床简介随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具

12、加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。1.1.2课题研究的目的、意义众所周知，设备是企业生产技术发展和实现经营目标的物质基础，设备的技术性

13、能和技术状况的好坏，直接影响到企业的产品质量和经济效益。设备的技术改造和更新速度又直接影响企业技术进步、产品开发和市场开拓后劲。因此，加快设备更新和改造，以提高企业在国内、外市场的竞争力，是企业的一项重大战略任务更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外己形成一定规模和市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。国外旧机床改造费用大约为同类型新机床价格的60%，尽管费用较高，但由于机床改造后使用效果好，所以仍然受到机床用户的欢迎。因此我们决定对现有设备进行机床数控化改造。1.2 国内外研究状况当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，

14、以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竟争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。较著名的控制系统有:日本FANUC系列、Mitsubishi系列，KUMA 系列、SODICK 系列、日立系列、德国SIEMENS系列、DECKEL系列、Heidenhain系列、HELLER系列、美国ALLEN-BRADLEY (AB)系列，INCINNANTI系列、法国Nun 系列、意大利FIDIA系列、西班牙FAGO

15、R系列、瑞士的AG系列、国产系列等在美 国，日本和德国等发达国家，它们将机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有:Bertsche工程公司、ayton机床公司、得宝服务集团、US设备公司等.美国得宝公司己在中国开办公司。在日本机床改造业称为机床改装(Retrofitting

16、)业。从事改装业的著名公司有:大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。赶上计算机体系结构前进的步伐、加快数控系统的开发速度，已成为数控发展的最主要趋势。以第四代计算机的工程结构和微电子工艺技术为基础，充分利用现有微机的硬件、软件资源，发展总线式、模块式、开放型、嵌入式的柔性数控系统，使之即适合加工复杂零件、分立式机床用的数控系统的组成，又适合未来自动化升级时功能可扩展的要求1.3 数控改造的意义数控机床可以很好的形状复杂，精密，小批，多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率。应用数控机床还受到其他方面的影响：1.数控机床的价格比较昂贵一

17、次性投资巨大，对中小企业是心有余而力不足。2.目前各企业都有大量的普通机床完全用数控机床代替是根本不可能的，而且旧的机床闲置起来又会造成浪费。3.在国内，订购新数控机床的交货周期比较长，往往不能满足生产急需。4.通用数控机床对具体生产有多余的功能。机床数控化改造的优越性5 数控机床比传统机床有突出的优越性，而且这些优越性均来白数控系统中计算机的作用。6 .可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。7 .可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高3到7倍。传统机床靠凸轮或挡块等可实现“刚性自动化”，且只有进行大批量生产时，才经济合算;而数控机床只要更换一个程序就可实现另一工件加工

18、的自动化，从而使单件和小批生产得以白动化，故称之为“柔性自动化”8加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要“修配”。这是由于加工过程自动化，不受人的情绪和疲劳影响的结果。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。数控系统中增加的机床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。9.可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。这是自动化带来的效果(可以自动换刀)，如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、攻丝、扩孔等多工序的加工。这些多工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，提高了相关的加工精度。现已出现其他工序集中的机床，如车削中心、车铣中

19、心、磨削中心等。10. 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。11.数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，并可对市场需求做出快速反应。更好的解决上述问题，应走普通机床的数控改造之路。从美国，日本等工业化国的经验看，机床的数控改造也必不可少，数控改造机床占有较大的比例。如日本的大企业中有26%床经过数控改造，中小企业则占有74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供机床数控化改造服务，因此，普通机床的数控改造不但有存在的必要，而且大有可为。而且对一些中小企业更是如此。第2章 数控机床概述2.1 概 述数

20、控机床具有高精度、高效、高速、高可靠性等优点，并且机床结构趋于模块化、数控功能专门化。数控机床是集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体的典型的机电一体化产品。它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式、使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已成为当今制造业的发展方向。我国是世界上机床产量最多的国家，但在数控机床的产品竞争力仍然处于较低的水平。因为开发一台新的数控机床的周期比较长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。为此我们应该在

21、普通机床上考虑，不能一味的大量添置全新的数控机床，这样会造成资金投资量大，成本高，而且又会造成原有设备闲置浪费。把普通机床改造为数控机床不失为一条提高数控化率的有效途径。普通机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床缺点和存在的问题，生产效率高，尤其适合中国机床拥有量大、生产规模小的具体国情。微观上看，数控机床比传统机床有突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。数控机床可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超

22、的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3-7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的

23、好处，如:降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC, FMS以及CIMS等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年初己开始大规模应用数控机床。其本质是采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC, FMS外，还包括在产品开发中推行CAD, CAE, CAM、虚拟制造以及在生产管理

24、中推行MIS(管理信息系统)、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化)，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竟争力大为增强。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。2.1.1 数控机床的定义数控即数字控制(Numerical Control，NC)。数控技术是指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机械设备进行控制的一门技术。数控机床，简单的说，就是采用了数控技术的机床。即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统

25、经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的刀具与工件的相对运动，从而加工出所需要的工件。实际上，数控机床就是一种具有数控系统的自动化机床。所以说数控机床是最典型的机电一体化产品。2.1.2 数控机床的组成及特点1. 数控机床的组成数控机床主要由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成，如图2-1所示。其中，存储介质用于记载机床加工零件的全部信息。如零件加工的工艺过程、工艺参数、位移数据、切削速度等。常用的存储介质有磁带、磁盘等。也有一些数控机床采用操作面板上的按钮和键盘将加工程序直接输入或通过串行接口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。在计算机辅助设计

26、与计算机辅助制造(CAD/CAM)集成系统中，加工程序可不需要任何载体而直接输入到数控系统。图2-1 数控机床的组成数控装置是控制机床运动的中枢系统，它的基本任务是接收程序介质带来的信息，按照规定的控制算法进行插补运算，把它们转换为伺服系统能够接收的指令信号，然后将结果由输出装置送到各坐标控制的伺服系统。伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，是数控系统的执行部件。它的基本作用是接收数控装置发来的指令脉冲信号，控制机床执行部件的进给速度、方向和位移量，以完成零件的自动加工。通常数控系统由数控装置和伺服系统两部分组成，各公司的数控产品也是将两者作为一体的。机床主体也称主机，包括机床的主运动部

27、件、进给运动部件、执行部件和基础部件，如底座、立柱、滑鞍、工作台(刀架)、导轨等。数控机床与普通机床不同，它的主运动和各个坐标轴的进给运动都是由单独的伺服电动机驱动，所以它的传动链短、结构比较简单。为了保证数控机床的快速响应特性，在数控机床上还普遍采用精密滚珠丝杠副和直线滚动导轨副。在加工中心上还配备有刀库和自动换刀装置。同时还有一些良好的配套设施，如冷却、自动排屑、自动润滑、防护和对刀仪等，以利于充分发挥数控机床的功能。此外为了保证数控机床的高精度、高效率和高自动化加工，数控机床的其他机械结构也产生了很大的变化。本次设计即主要完成机床主体部分的设计。2. 数控机床的特点数控机床与普通机床加工

28、零件的区别，在于数控机床是按照程序自动加工零件，而普通机床由工人手工操作来加工零件。在数控机床上只要改变控制机床动作的程序，就可以达到加工不同零件的目的。由于是一种程序控制过程，数控机床相应形成了以下几个特点。（1） 采用数控机床可以提高零件的加工精度、稳定产品的质量。因为数控机床按照预定的加工程序进行加工，加工过程中消除了操作者人为的操作误差，所以零件加工的一致性好，而且加工精度还可以利用软件来进行校正补偿，因此可以获得比机床本身所能达到的精度还要高的加工精度及重复定位精度。（2）. 数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的具有复杂曲面的零件的加工。因此它在航空航天、造船、模具等加工

29、业中得到广泛应用。(3). 采用数控机床比普通机床可以提高生产效率23 倍，尤其是对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。(4). 可以实现一机多用。一些数控机床将几种普通机床功能合一，加上刀库与自动换刀装置构成加工中心，如果能配置数控转台或分度转台，则可以实现一次安装、多面加工。(5). 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。2.2 数控机床的分类数控机床种类很多，规格不一，人们从不同的角度对其进行了分类。2.2.1 按机械运动轨迹分类数控机床按其刀具与工件相对运动的方式，可以分为点位控制、直线控制和轮廓控制。1.点位控制数控机床如

30、图2-2所示，点位控制是指数控系统只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。2. 直线控制数控机床如图2-3所示，点位直线控制是指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有数控铣床、数控车床和数控磨床等。 图2-2 点位控制钻孔加工示意图现代组合机床采用数控技术，驱动各种动力头、多轴箱轴向进给钻、镗、铣等加工，也算是一种直线控制数控机床。直线控制也称为单轴数控。3. 轮廓控制数控机床亦称连续轨迹控制，如图2-4所示，能够连

31、续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。现代数控机床绝大部分都具有两坐标或两坐标以上联动的功能，除此之外还具有刀具半径补偿、刀具长度补偿、机床轴向运动误差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿侧间隙误差补偿等一系列功能。2.2.2 按伺服系统的类型分类1. 开环伺服系统数控机床开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统，由步进电机驱动线路和步进电机组成。数控装置经过控制

32、运算发出脉冲信号，每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。如图2-5 所示。这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制，多用于对旧机床的数控化改造。图2-3 直线控制切削加工示意图 图2-4 轮廓控制铣削加工示意图2. 闭环伺服系统数控机床闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，达到精确定位的控制系统。图2-6所示为闭环伺服系统。这类数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的

33、精度误差给工件加工带来的影响，从而得到很高的精度。但是由于很多机械传动环节包括在闭环控制的环路内，各部件的摩擦特性、刚性以及间隙等都是非线性量，直接影响到伺服系统的调节参数。因此，闭环伺服系统的设计和调整都非常困难。图2-5 开环伺服系统图2-6 闭环伺服系统闭环伺服系统的优点是精度高。但其系统设计和调整困难、结构复杂、成本高，主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精密车床、超精密铣床、加工中心等。3. 半闭环伺服系统数控机床这类数控机床采用安装在进给丝杠或电动机端头上的转角测量元件测量丝杠旋转角度，来间接获得位置反馈信息。图2-7所示为半闭环伺服系统。图2-7 半闭环伺服系统这种系统的闭环环路

34、内不包括丝杠、螺母副及工作台，因此可以获得稳定的控制特性。而且由于采用了高分辨率的测量元件，可以获得比较满意的精度及速度。大多数数控机床采用半闭环伺服系统，如数控车床、数控铣床、加工中心等。4混合控制数控机床 将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形式： （1）开环补偿型。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。用装在工作台的直

35、线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差，如图2-8所示。 （2）半闭环补偿型。它是用半闭环控制方式取得高精度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。如图2-9所示，其中A是速度测量元件（如测速发电机），B是角度测量元件，C是直线位移测量元件。 图2-8开环补偿型控制方式图2-9半闭环补偿型控制方式2.2.3 按联动轴数分类数控系统控制几个坐标轴按需要的函数关系同时协调运动，称为坐标联动，按照联动轴数可以分为：1. 两轴联动 数控机床能同时控制两个坐标轴联动，适于数控车床加工旋转曲面或数控铣床铣削平面轮廓。 2. 两轴半联动 在两轴的基础上增加了Z

36、轴的移动，当机床坐标系的X、Y轴固定时，Z轴可以作周期性进给。两轴半联动加工可以实现分层加工。 3. 三轴联动 数控机床能同时控制三个坐标轴的联动，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三轴加工完成。 4. 多坐标联动 数控机床能同时控制四个以上坐标轴的联动。多坐标数控机床的结构复杂，精度要求高、程序编制复杂，适于加工形状复杂的零件，如叶轮叶片类零件。 通常三轴机床可以实现二轴、二轴半、三轴加工；五轴机床也可以只用到三轴联动加工，而其他两轴不联动。2.3 数控铣床简介科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数

37、控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；FMS的迅速发展和CIMS的不断成熟，又将对数控机的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日益完盖，数控技术的应用颔域日益扩大。数控铣床是在数控加工中心领域中最具代表性的一种典型机床，在数控机床中所占的比率最大，数控加工中心、柔性制造单元等都是数控铣床基础上派生或发展起来的。它具有功能性强、加工范围广、工艺较复杂等点，主要用于各种复习的平面、轮廓、曲面等零件的铣削加工，同时还可以进行钻、扩、镗、攻螺纹等加工，在航空航天、汽车制造、机械加工和模具制造业中应用非常

38、广泛。2.3.1数控铣床的组成及分类 数控铣床一般由数控系统、机床基础部件、主轴箱、进给伺服系统及辅助装置等几大部分组成。1. 数控系统数控系统是机床运动控制的中心，通常数控铣床都配有高性能、高精度、集成软件的微机数控系统，具有直线插补、圆弧插补、刀具补偿、固定循环、用户宏程序等功能，能完成绝大多数的基本铣削以及镗削、钻削、攻螺纹等循环加工。2. 机床基础部件通常是指底坐、立柱、工作台、横梁等，是整个机床的基础和框架。3. 主轴箱包括主轴箱和主轴传动系统，用于装刀具并带动刀具旋转、主传动大多采用专用的无级调速电动机驱动。4. 进给伺服系统由进给电动机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实

39、现刀具和工件之间的相对运动，其主轴垂直方向进给运动及工作台的横向和纵向进给运动均由各自的交流伺服电机来驱动。5. 辅助装置包括液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。数控铣床品种繁多，规格不一，可按通用铣床的分类方法分为以下三类：(1) 数控立式铣床：数控立式铣床主轴轴线垂直于水平面，这种铣床占数控铣床的大多数，应用范围也最广。目前三坐标数控立式铣床占数控铣床的大多数，一般可进行三轴联动加工。(2) 卧式数控铣床：卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转台或万能数控转台的方式来实现四轴和五轴联动加工。这样既可以加工工件侧面的连续回转轮

40、廓，又可以实现在一次装夹中通过转台改变零件的加工位置也就是通常所说的工位，进行多个位置或工作面的加工。(3) 立卧两用转换铣床：这类铣床的主轴可以进行转换，可在同一台数控铣床上进行立式加工和卧式加工，同时具备立、卧式铣床的功能。2.3.1铣床的用途和工艺特点铣床是用铣刀进行切削加的机床,铣床的加工情况如图1-2所示。在铣床上，用不同铣刀可以对平面、斜面、沟槽、台阶、T形槽、燕尾槽等表面进行加工，另外配上分度头或回转台还可以加工齿轮、螺旋面、花键轴、凸轮等各种成型表面。故铣床的万能性强，应用范围很广。铣床的主参数是工作台面宽度及长度。铣床的工艺特点如下：(1) 铣床的主轴带动铣刀作旋转主运动；(

41、2) 铣刀是多齿、多刃连续进行切削；(3) 多数铣床由工作台带动工件作直线进给运动；(4) 铣刀在切削时，每个刀齿的切削过程是断续的，同时参加切削的齿数是变化的，每个刀齿的切削厚度也是变化的，因此容易引起机床振动；(5) 铣削时，铣刀同时参加切削的齿数较多，便于采用较大的铣削速度和进给给量，因而生产效率高。2.4 数控未来发展的趋势 2.4.1 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展 基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的

42、友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 2.4.3向高速化、高精度化和智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不图2-10 铣床上的典型工作断提高。 1. 应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 2. 引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 3. 引入故障诊断专家系统 4. 智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳

43、的运行。第3章 改造总体方案的确定3.1设计参数要求X5132工作台尺寸，工作台垂直方向的行程为300mm,工作台及夹具工件的重力垂向为9800N，工作台快速移动速度垂向为,改造后垂向快速移动速度为。X5132外观如图3-1所示。 图3-1 X5132立式铣床外观图3.2 总体方案确定3.2.1 机械传动部件的选择1.导轨副的作用设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。2.丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.005mm冲当量和mm

44、的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。3.伺服电动机得选用步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的.可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的:同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。开环伺服系

45、统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机。开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PND、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩.

46、混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为0.72度。步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩及电流三大要素组成。三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。考虑到经济性和实用性，选择反应式步进电机。4.减速装置的选用普通机床数控化改造，一般保留机床主传动系统。改造后使其主传动和进给运动分离，主电动机的作用仅为带动主轴旋转，主轴各级变速仍为手动变速。机械系统改造的主要工作在进给系统，通常有两种方案，一种电动机通过联轴器直接与滚珠丝杠相连，另一种是电动机通过减速装置与滚珠丝杠相连。若采用电机与滚珠丝杠直接连接，这种结构减速比为，电动

47、机的额定转矩较大，等效转动惯量亦大。机械部件惯量过大，对系统稳定性和快速性将产生不利影响。若采用齿轮副减速，减速后的传动件，其转动惯量对电动机的影响随减速比地平方减少，而使等效转动惯量降低，考虑到工作台的惯量较大（见后机械部分计算），为实现较高的进给速度，采用第二种方案。选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。3.2.2 控制系统的选择方 案 一 :采用单片机控制系统。单片机编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种复杂的逻辑控制。单片机系统还可用数码管或液晶

48、来显示处理的数据，可以实现较好的人机对话。但考虑到物体的体积及电机的负载能力，采用较小体积的单片机来实现复杂的逻辑功能，充分利用中断及第二功能口，使端口的利用程度达到最大。采用单片机系统使整体结构简单。方 案二 : PLC控制系统。适用于工业现场较大系统控制，其可靠性、性价比高。对于本设计要求来说，其体积大，成本高，即相对性价比低。比较以上两种方案，方案一，操作灵活简便，成本低廉;方案二成本较高，不适合本设计，所以在本设计中，我们采用方案一。采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及

49、显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。针对经济型数控铣床的设计，这里采用步进电机开环控制，计算机系统采用高性能价格比的MCS-51系列单片扩展系统，主要进行中央处理单元的选择、存储器扩展和接口电路设计等。3.3 绘制总体方案图采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出泳冲，经光电隔离电路，功率放大到步进电机，再齿轮减速，带动滚珠丝杠转动。从而实现X、Y、方向的进给运动。总体设计示意图如下所示：图3-2 X5132总体改造方案第4章 机械部分数控改造和设计计算主要完成进给系统的改造，拆掉

50、原机床的丝杠螺母机构，更换上步进电机和齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副，工作台横向，横向及垂直方向的运动，分别由步进电机经过齿轮减速后，由丝杠螺母副拖动。4.1切削力的计算 由机床设计手册可知， 切削功率的计算公式为：=PK （4-1）式中：P主轴电机功率，P=7.5KW 主传动系统总效率 一般为0.750.85, 取=0.8 K进给系统的功率系数，取K=0.96则： KW 切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的f最大切削力和最大切削转速来计算即 （4-2）式中： 主切削力（N） v切削速度（m/min）按最大切削速度计算取v=150mm/min,则主切削力为： （4-3）根据参考文献3可得： 纵向切

51、削分力： （4-4） 垂直向切削分力： （4-5） 横向切削分力： （4-6）取： 4.2滚珠丝杠副的选用及校核4.2.1 滚珠丝杠副传动的概述在丝杠螺母的传动中，它四种类型的丝杠螺母传动，即：滑动丝杠螺母传动、滚珠丝杠螺母传动、滚动丝杠螺母传动和液体静压丝杠螺母传动。在现在的机床应用中用的最多的是滑动丝杠螺母传动和滚珠丝杠螺母传动。滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。其工作原理如图5-1所示。在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形旋槽，这两个圆弧形旋槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内加入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚

52、动，迫使二者发生轴向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。图4-1滚珠丝杠螺母机构滚珠丝杠螺母副与滑动丝杠螺母副相比有以下的优点：1. 摩擦小，效率高。一般情况下，它的机械效率在90以上，约比滑动丝杠传动的机械效率高24倍。因此，在同样负荷下，驱动扭矩较滑动丝杠减少2/33/4。同时它的逆传动效率也很高，接近于正传动效率，因此它可以比较容易地把直线运动转换成旋转运动。2. 由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，无论是静止还是高、低速时摩擦扭矩几乎不

53、变，因此灵敏度高，传动平稳。3. 磨损少，寿命长。滚珠丝杠副中的主要零件，如丝杠、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置中部分零件，均经热处理，并有很高的表面光洁度，再加上滚动摩擦的磨损很少，因此具有很好的耐磨性。4. 可消除轴向间隙，提高轴向刚度。滚珠丝杠副因其摩擦小、效率高，预紧后仍能轻快的传动，因此它能通过预紧完全消除间隙，使反向时没有空行程，且可通过预紧给予一定的预变形来提高轴向刚度。5. 使用可靠、润滑简单、维修方便。6. 有专业厂生产，使用配套方便上面是滚珠丝杠螺母传动的优点，任何的事物都是有两面性的，有优点就必然也有缺点，因此滚珠丝杠螺母传动的缺点为：1. 不自锁。因其逆传动效率很高，滚珠

54、丝杠副一般不能自锁。因此在不允许产生逆传动的地方，如横梁的升降系统等，必须增设制动或自锁机构。2. 结构较复杂，工艺性差，成本高。4.2 滚珠丝杠的结构形式、型号及支承形式的选用4.2.1 滚珠丝杠副的结构形式滚珠丝杠副的滚珠循环类型分为：外循环滚珠丝杠和内循环滚珠丝杠两种。外循环滚珠丝杠又可以分为螺旋槽式和插管式两种。外循环滚珠丝杠又可以分为螺旋槽式和插管式两种。它们的特点分别为：螺旋槽式外循环滚珠丝杠的优点：工艺简单，螺母外径较小；缺点：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器刚性差，耐磨性差。插管式外循环滚珠丝杠的优点：弯管有两半合成，采用工压件，工艺性好；缺点：螺母径向尺寸较大，如用弯管端部作

55、挡珠器，则刚性差，易磨损。内循环式滚珠丝杠的优点：一列只有一圈滚珠，因而工作的滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失少，效率高，螺母径向尺寸小；缺点：制造较困难，在大螺距的情况下，螺母的轴向尺寸偏大。图4-2内、外循环滚珠丝杠经过上面三种滚珠丝杠的优点和缺点的比较，决定本次设计中Z轴和X轴方向的滚珠丝杠采用内循环式的滚珠丝杠。数控机床中，一般都是采用双螺母来进行预紧的。在双螺母的预紧中又可以分为：垫片式、螺纹式和齿差式三种。它们的特点分别为：双螺母垫片式的特点：结构简单，刚性好，装卸方便，但是调整不便，当滚道有磨损时，不能随时消除间隙和进行预紧。如图4-3所。示图4-3双螺母垫片调隙式滚珠丝杠螺母副双

56、螺母螺纹式的特点：结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损是可随时调整，但是预紧量不很准确，应用较普遍。如图4-4所示。图4-4双螺母螺纹调隙式滚珠丝杠螺母副双螺母齿差式的特点：能精确调整预紧量，但是结构尺寸较大，装配调整比较复杂。多用于高精度的传动。如图4-5所示。图4-5 齿差调隙式滚珠丝杠螺母副1、5螺母 2滚珠 3套筒 4丝杠 6内齿圈通过上面三种预紧方式的特点，然后再结合使用中的调查，在本次的设计中Z轴的滚珠丝杠决定采用双螺母垫片式的预紧方式。由于螺母内的各圈滚珠所承受的载荷是不等，第一圈滚珠约承受轴向载荷的3045，第五圈以后，承载已极小，所以多于五圈的结构是不合理的。为了提高滚珠的流畅性，

57、在一列循环回路内，滚珠数应小于150个，且不得超过3.5全，否则应该改成双列或多列结构。4.2.2 滚珠丝杠副的型号综合考虑选用Z轴方向的滚珠丝杠的代号为：CDM40065P4 C滚珠丝杠的循环方式为外循环插管式； D 滚珠丝杠采用的预紧方式为双螺母垫片式预紧； M导珠埋入式； 40滚珠丝杠的公称直径40mm 06滚珠丝杠的导程为6mm； 5 滚珠丝杠负荷钢球圈数为3圈； P4定位滚珠丝杠，且滚珠丝杠的精度等级为4级；4.2.3 滚珠丝杠副支承的选择丝杠的轴承组合及轴承座以及其它零件的连接刚性不足，将严重影响到滚珠丝杠副的传动精度和刚度，因此，在设计安装时应该认真考虑到这个问题。为了提高轴向刚

58、度，常用以止推轴承为主的轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用角接触球轴承来支承丝杠。常用的丝杠安装有以下几种：图4-6珠丝杠在机床上的支承形式第一种支承方式：一端固定，一端自由。如图4-6（a）所示，这种支撑结构简单，丝杠的轴向刚度比两端的低，丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低，设计时尽量使丝杠受拉伸。对于行程小、转速较低的短丝杠和竖直的丝杠可采用悬臂支承结构。第二种支承方式：两端游动。如图4-6（b）所示，两端支承的安装方式属于一般的安装方式，适合于中等转速的场合。第三种支承方式：一端固定，一端游动。如图4-6（c）所示，即一端安装推力轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其

59、轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。特点是：双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度高的长丝杠传动系统。第四种支承方式：两端固定。如图4-6（d）所示，即两端分别安装推力轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。特点是：适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统，但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力的不对称。在本次的设计中，Z轴方向的滚珠丝杠采用的是长丝杠，它的左端既要承受轴向力又要承受径向力，而它的右端就只要承受一个径向力；再通过上面滚珠丝杠的四种支承方式及它们各自的特点的比较，故Z轴方向的滚珠丝杠采用第三种支承方式，

60、即“一端固定，一端游动”式。4.3 滚珠丝杠副轴承的选用滚动轴承与滑动轴承相比，具有摩擦阻力小、效率高、起动容易、润滑简便等，同时滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业厂家生产，选用和更换都很方便，因此本次的设计中，Z轴方向的滚珠丝杠副选用滚动轴承。选择滚动轴承的型号时，一般主要从以下几个方面因素来考虑：（1）载荷的大小、方向和性质（2）轴承的转速（3）调心性能要求（4）装配的空间（5）安装与装卸要方便（6）具有经济性滚珠丝杠中经常使用的滚动轴承有以下两类：1.接触角为的角接触球轴承这是目前国内外广泛采用的滚珠丝杠轴承，这种轴承可组配置。图47b）为一对背靠背组合方式，图4-7 c)为一对面对面

61、方式。这两种方式可承受双向轴向推力。图47 d)为一同向组合方式，其承受能力较高，但只承受一个方向的轴向力。图47e)为一对同向与左边一个面对面组合方式。用上述方法还能派生出三联、四联等多种组合方式。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，而且采用面对面组合方式时两接触与轴线交点间的距离a比背对背的小，故容易实现自动调整。因此在进给传动中面对面组合用得较多。2.滚珠推力圆柱滚子组合轴承（图47 f）外圈3与箱体固定不转，只圈1、5和隔套内圈6随轴转动，滚针7承受径向载荷，圆柱滚子（或球）2和4分别承受两个方向的轴向载荷，修磨隔套内圈6的宽度可调整轴承的轴向预紧量。上述两类轴承中，角

62、接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中，小型数控机床中被广泛应用。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。经过分析在此设计中本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端浮动的结构形式，固定端采用一对角接触轴承面对面组配，以容易实现自动调整。简支端支承采用深沟球轴承，只承受丝杠的重力。同时滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。 a) b) c) d) e) f)图47 滚珠丝杠用轴承在本次的设计中，在考虑过了以上因素以后，Z轴方向滚珠丝杠的固定端采用一对角接触轴承面对面的布置形式，而游动端用深沟球轴承；以上各轴承的型号见X5132数控铣床进给驱动部件的装配图。4.4 滚珠丝杠的计算和校核