机械毕业设计（论文）-普通X62W铣床的数控化改造设计【全套图纸】

普通 X62W 铣床的数控化改造设计 I 郑州科技学院郑州科技学院 本科毕业设计 （论文） 题 目 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 学生姓名 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 08 级本科（6）班 学 号 院 （系） 机械工程学院 指导教师（职称） 完成时间 2012 年 5 月 16 日 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 II 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 摘 要 我所设计的毕业课题为“普通铣床数控化改造设计” 。对于机床的设计来说 ，我首先对所要设计的机床进行技术调查，查阅了国内外有关文献资料，在此 基础上，对其用途范围、性能指标、方案对比等进行论证分析。对于通用机床 我更是查阅了大量的国内外有关铣床的资料后，拟定了此机床的总体方案为立 式铣床。 本文在X62W数控铣床改造设计时主要从经济性、方便性、实用性、可靠性 四方面因素出发，对X62W型铣床进行了数控铣床机械系统设计，硬件及电路设 计。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。 X62W数控铣床机械系统设计包括伺服驱动系统的设计计算，滚珠丝杠螺母 副的设计计算。进给传动系统设计中，拆除纵向、横向、垂向进给箱齿轮，在 该处将手轮轴通过一对减速齿轮和纵向、横向及垂向步进电机相连。 数控系统 是一个基于8031单片机的数字型控制系统。采用较小体积的单片机来实现一般 的逻辑功能，对进给系统的两个轴进行控制。 关键词：数控化改造；定位精度；步进电机；滚珠丝杠；伺服传动系统 全套图纸，加全套图纸，加153893706153893706 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 III ORDINARY X62W MILLING MACHINE OF THE RETROFIT DESIGN OF THE NUMERICAL CONTROL ABSTRACT I design of graduation project for“ ordinary milling machine numerical control transformation design“. For the machine tool design, I first want to design of machine tool technology research, consulting literature at home and abroad, on the basis of this, the application scope, performance index, scheme comparison and analysis. For universal machine I was referring to a 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 IV large number of domestic and international relevant milling machine information, formulate the overall plan for the vertical milling machine. Based on the X60W numerical control milling machine transformation design mainly from the economy, convenience, practicality, reliability based on four factors, X60W type milling machine for numerical control milling machine mechanical system design, hardware and circuit design. After the improvement of the mechanical transmission part of machine tool with high static, dynamic stiffness; kinematic pair between the small friction coefficient, no transmission gap; the power is large; easy to operate and repair. X60W CNC milling machine mechanical system design of servo drive system design and calculation, the design and calculation of ball screw pair. Feed transmission system design, longitudinal, transverse, demolition of vertical feeding gear box, where the hand wheel shaft through a pair of gear and the longitudinal, transverse and vertical step motor. NC system is based on 8031 single-chip digital control system. Using a smaller volume of single chip to achieve the general logic function, on the feed system of the two axes control. KEY WORDS Numerical control transformation; position precision; stepping motor; ball screws; servo drive system 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 目目 录录 摘 要 .I ABSTRACT II 1 机床数控化改造论证分析1 1.1 机床数控化改造的必要性 1 1.2 我国数控系统发展现状2 2 普通 X62W 铣床数控化改造分析4 2.1 主传动系统的改造设计 4 2.1.1 主轴部件选择 .5 2.1.2 主轴组件的动态特性 .8 2.2 进给伺服系统的设计 8 2.2.1 对进给伺服系统的基本要求 .8 2.2.2 进给伺服系统的设计要求.9 2.2.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 10 2.3 X62W 数控铣床改造设计方案及步骤.11 3 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算.13 3.1 主轴系统计算 .13 3.1.1 V 带传动的设计计算 13 3.1.2 Z 轴滚珠丝杠副 15 3.2 横向进给系统的设计计算 .18 3.2.1 滚珠丝杠螺母副的设计计算 18 3.2.2 伺服驱动系统的设计计算 23 3.3 纵向进给系统的设计计算 .24 3.3.1 滚珠丝杠螺母副的设计计算 24 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 3.3.2 传动效率计算 29 3.3.3 伺服驱动系统的设计计算 29 3.4 垂直进给系统的设计计算 .31 4 普通 X62W 铣床数控系统设计.33 4.1 微机数控系统组成及特点 .33 4.2 微机数控系统设备介绍 .34 4.2.1 I/O 口电路的扩展 38 4.2.2 步进电机驱动电路41 4.2.3 其它辅助电路设计42 结 论 43 参考文献 44 致 谢 .45 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 1 1 机床数控化改造论证分析 数控机床具有高精度、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，己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。 1.1 机床数控化改造的必要性 我国现有机床 320 多万台，这些机床技术状况老化严重，据统计，全国 30%左 右设备在 16 年以上，其中近 30%的役龄超过了 26 年，这些都说明目前我国还 没有走上主要依靠科技进步对机床进行改造的轨道。另外，随着科技的进步， 生产依赖于设备的程度日益增大，企业的产量、质量、效率、成本、安全及环 境保护和劳动情绪都受设备的制约，实现企业的现代化己势在必行。但据资料 介绍，我国的金属切削机床年产量仅占同类设备拥有量的 1/28，如将每年生产 的全部机床用来更换旧机床需要 28 年所以，我国目前解决设备技术进步的主要 途径是机床改造。 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 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 2 曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，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 37 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。 宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、80 年初已开 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竞争力大为增强。而我们在信 息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年，如我国机床拥有量中，数控 机床的比重(数控化率)到 1995 年只有 1.9%，而日本在 1994 年己达 20.8%， 因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必 要性。 1.2 我国数控系统发展现状 现在赶上了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。 我国数控系统发展具有以下 3 个特征： (l)高档数控系统技术已经突破。如华中 I 型等数控系统，都具有多轴联动 功能，快速进给速度在 1.67m/s 以上，具有较强的通信、管理功能。 (2)普及型数控系统技术已经成熟。如北京机床研究所的 BS9l 系统，这些 系统一般配有 CRT 显示器，可配置直流和交流司服驱动，2-4 轴联动。 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 3 (3)经济型数控系统仍有广阔的市场前景。由于这类系统结构简单，价格便 宜，非常适合中小型企业，目前仍是我国应用面最广的数控系统。比较典型的 有南京大方的 JWK 系列。 我国是机床生产大国，又是使用大国。数控机床是机械工业发展的关键产 品，我国的数控机床在机床产品中的比例总体水平低。但是我国是发展中国家， 许多企业财力薄弱，不可能花费大量的资金添置许多全新的数控机床，同时大 量的通用机床不可能全部淘汰。 因此，把普通机床改造为数控机床则不失为是一条提高数控化率的有效途 径，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 床的缺点和存在的问题，生产效率高。 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 4 2.普通 X62W 铣床数控化改造分析 2.1 主传动系统的改造设计 主传动系统一般由动力源（如电动机） 、变速装置及执行元件（如主轴、刀 架、工作台） ，以及开停、换向和制动机构等部分组成。动力源为执行元件提供 动力，并使其得到一定的运动速度和方向,变速装置传递动力以及变换运动速度， 执行元件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。 现代切削加工正向着高速、高效和高精度方向发展，对机床的性能提出越 来越高的要求，如转速高，调速范围大，恒扭矩调速范围达 1：1001：1000，恒功率调速范围达 1：10 以上；更大的功率范围达 2.2250kW，能在切削加工中自动变换速度；机床结构简单，噪声小，动态性 能好，可靠性高等。数控机床主传动设计应满足的特点：主传动采用直流或交 流电动机无级调速；数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计；数控机 床高速主传动设计；数控机床采用部件标准、模块化结构设计；数控机床的柔 性化、复合化；虚拟轴机床设计。 为了适应数控机床加工范围广、工艺适应性强、加工精度高和自动化程度 高等特点，要求主传动装置应具有以下特点： （1） 具有较大的调速范围，并实现无级调速。无级变速传动在一定的变速 范围内连续改变转速，以便得到最有利的切削速度；能在运转中变速，便于实 现变速自动化；能在负载下变速，便于车削大端面时保持恒定的切削速度，以 提高生产效率和加工质量。 （2） 具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提 高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的精度与刚度，采用 高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。 （3） 良好的抗震性和热稳定性。数控机床一般既要进行粗加工，又要精加 工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀 运动部件不平稳以及切削过程 中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加 工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此主 传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的刚度，而且要求具有足够的抑制 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 5 各种干扰力引起振动的能力抗振性。抗振性 用动刚度或动柔度来衡量。例如 主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度 阻尼比及固有频率等参数。 机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生变形，破坏了 零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削 用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件有较高的热 稳定性，通过保持合适的配合精度，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。 主传动变速系统 普通机床一般采用机械有级变速调速传动，而数控机床需要自动变速；且 在切削阶梯轴的不同直径，切削曲线旋转面和断面时，需要随切削的直径的变 化而自动变速，以保持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利 于在一定的调速范围内选用到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度， 又有利于提高切削效率。 机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类：变速电动机、机械无级变 速装置和液压无级变速装置。 无级变速主传动系统设计原则： 一为尽量选择功率和扭矩特性符合传动系统要求的无级变速装置。如铣床 主传动系统要求恒功率传动，就应该选择恒功率无级变速装置。 二为无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，尤其是恒功率调速 范围往往小于机床实际需要的恒功率变速范围。为此，常把无级变速装置与机 械分级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。 2.1.1 主轴部件选择 主轴部件的性能要求：主轴部件是机床主要部件之一，它是机床的执行元 件。它的功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等 载荷，完成表面成型运动。主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及 定位元件等组成。 主轴部件的工作性能对整机性能和加工质量以及机床生产效率有着直接影 响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此，对主轴部件有如下要 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 6 求： 轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工 件或刀具部位的定心表面（如车床轴端的定心短锥、锥孔，铣床轴端的 7：24 锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体孔等 的制造、装配和调整精度。工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承 的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。 刚度： 主轴部件的刚度是指其在外载荷作用下抵抗变形的能力，通常 以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义 的。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此， 主轴的尺寸和形状、滚动轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件的布置 方式、主轴部件的制造和装配质量等都影响主轴部件的刚度。 温升： 因为相对运动处的摩擦生热，切削取得切削热等使主轴温度升 高将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会 降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。因此，各类机床对温升都有一定的限制。 可靠性： 数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性， 可喜的是这方面的研究正在发展。 精度保持性: 它指长期保持其原始制造精度的能力。对数控机床的主轴 组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。 主轴部件的组成和轴承选型 主轴部件:它由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。 主轴的传动件:可以位于前后支承之间，也可位于后支承之后的主轴后 悬伸端。目前传动件位于后悬伸端的越来越多。这样做，可以实现分离传动和 模块化设计：主轴组件（称为主轴单元）和变速箱可以做成独立的功能部件， 又专门的工厂集中生产，作为商品出售。变速箱和主轴间可用齿轮副或带传动 联接。本三坐标曲面数控铣床采用带传动联接。主轴支承分径向和推力（轴向） 。 角接触球轴承兼起径向和推力支承的作用。推力支承应位于前支承内，原因是 数控机床的坐标原点，常设定在主轴前端。为了减少热膨胀造成的坐标原点的 位移，应尽量缩短坐标原点支推力支承之间的距离。 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 7 主轴轴承:选用角接触球轴承。这种轴承即可承受径向载荷，又可承受 轴向载荷。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常采 用多联组配的办法。有三种基本组配方式，分别为背对背，面对面和同向组配， 背靠背和面对面组配都能受双向轴向载荷；同向组配只能承受单向轴向载荷。 背对背比面对面安装的轴承具有较高的抗颠覆力矩的能力。运转时，轴承的外 圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使 轴承的过盈加大。轴向膨胀对与背靠背组配将使过盈减少，于是，可以补偿一 部分径向膨胀；而对于面对面组配，将使过盈进一步加大。基于上述分析，主 轴受到弯距，又属高速运转，因此主轴轴承必须采用背靠背组配。 角接触角轴承的间隙调整和预紧 主轴轴承的内部间隙，必须能够调整，多数轴承，还应在过盈状态下工作， 使滚动体和导轨之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧。 轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动 精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而在预紧前 只有部分滚导体与滚道接触。预紧后，滚导体和滚道都有了一定的变形，参加 工作的滚动体将增多，各滚动体的受力将更加均匀。这些都有利提高轴承的精 度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支承，可以提 高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高；而且较大的预紧力将使寿命下 降，故预紧要适量。 角接触角轴承在轴向力的作用下，使内外圈产生轴向错位实现预紧，衡量 预紧力大小的是轴向预紧力，简称预紧力 Fa0，单位为 N。多联角接角球轴承是 根据预紧力组配的。轴承厂规定了轻预紧、中预紧和重预紧三级预紧。订货时 可指定预紧级别。轴承厂在内圈（背靠背组配）或外圈（面对面组配）的端面 根据预紧力磨去 。装配时挤紧，便可得到预定的预紧力。如果两个轴承间需 要隔开一定的距离，可在两轴承之间加入厚度相同的内外隔套。在轴向载荷的 作用下，不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。而满足这个条件的最小 预紧力，双联组配为最大轴向载荷的 35%。 承载能力和寿命 主轴轴承通常载荷相对较轻。一些特殊重载主轴外轴承的承载能力是没有 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 8 问题的。主轴轴承的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是由于磨损而降低精 度。通常，如轴承精度为 P4 级，经使用磨损后跳动精度降为 P5 级,这个轴承就 认为应该更换了。虽然还未达到其疲劳寿命，但这种“精度寿命”目前还难以 估计。 2.1.2 主轴组件的动态特性 通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴，特别是带内装式电动 机高速主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共 振。改善动态特性，可采取下列措施： 是主轴组件的固有频率避开激振力频率。通常使固有频率高于激振频率 的 30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚体 振动的第一阶（平移）和第二阶（摇摆）模态，则应提高轴承的刚度。如果属 于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。 激振力可能来自主轴组件的不平衡，这时激振频率等于主轴转速乘以 /30。也可能来自断续切削，这时激振频率还应乘以刀齿数 Z。 增大阻尼。如前所述，降低模态，常是主轴的刚度振动。这时主轴轴承， 特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大。如果要求得到很光的加工 表面，滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减少，故选 择预紧时还因考虑阻尼因素。 采用消振装置。 2.2 进给伺服系统的设计 2.2.1 对进给伺服系统的基本要求 进给伺服系统不但是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于 一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定 位精度高；跟踪指令信号的响应快；系统的稳定性好。 (1) 稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 9 到原来的稳定状态下运行,或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳 定运行状态的能力。伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的 结构及组成元件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等） ， ，与外界的作用信号 （包括指令信号或扰动信号）的性质或形式无关。 (2) 精度 伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度。伺服系统工作 过程中通常存在三种误差：动态误差、稳定性误差和静态误差。实际中只要保 证系统的误差满足精度指标就行。 (3) 快速响应性 快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速 程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工 精度和生产率。 2.2.2 进给伺服系统的设计要求 1.在静态设计方面有： （1） 能够克服摩擦力和负载； （2） 很小的进给位移量； （3） 高的静态扭转刚度； （4） 足够的调速范围； （5） 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象； 2.在动态设计方面的要求有： (1) 具有足够的加速和制动转矩； (2) 具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意 的表面质量； (3) 负载引起的轨迹误差尽可能小； 3.对于数控机床机械传动部件则有以下要求 (1) 被加速的运动部件具有较小的惯量； (2) 具有较高的刚度； 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 10 (3) 良好的阻尼； (4) 传动部件在拉压刚度、 扭转刚度、 摩擦阻尼特性和间隙等方面尽可 能 小的非线性。 2.2.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 1.时间响应特性 进给伺服系统的动态特性，按其描述方法的不同，分为时间响应特性和频 率响应特性。 时间响应特性是用来描述系统对迅速变化的指令能否迅速跟踪的特性，它 由瞬态响应和稳态响应两部分组成。由于系统包含一些储能元件，所以当输入 量作用于系统时，系统输出不能立刻跟随输入量变化，而是在系统达到稳定之 前表现为瞬态响应过程（或叫过渡过程） 。稳定响应是指当时间 t 趋向无穷大时 系统的输出状态。若在稳定时，输出和输入不能完全吻合，就认为系统有稳态 误差。 2. 频率响应特性 时间响应特性是从微分方程出发，研究系统响应随时间的变化的规律，即 在已知传递函数的前况下，从系统在阶越输入及斜坡输入时间应速度及振荡过 程的状态中来获得动态特性参数。然而在很多情况下，传递函数不清楚，所以 只能由试验的方法来求取动态特性。因此出现频率响应特性法。所谓频率响应 特性,就是系统对正弦输入信号的响应，即它通过研究系统对正弦输入信号的响 应规律来获得启动态特性。 3. 快速性分析 所谓快速性分析是指分析系统的快速响应性能，快速性反映了系统的瞬态 质量。 对于线性进给伺服系统，由于它包含各种电路、机电转换装置和机械传动 普通 X62W 铣床的数控化改造设计 11 机构，系统各环节都有时间常数，对高频信号来不及反应，只是一个地通漏波 器。这种系统的通频宽带，对高频信号响应速度快，所以从开环频率特性图看， 提高系统的截止频率，则可以提高闭环回路的响应速度。 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 12 2.3 X62W 数控铣床改造设计方案及步骤 对 X62W 立式铣床进行机械部分改造，数控机床的刚度系数应该比同类普通 机床高 50%；应尽量提高机床的抗振性，通常机床的振动包括强迫振动和受迫 振动。要提高机床在低速进给时的平稳性和运动精度。为实现复杂零件的自动 铣削加工， 2.3.1 改造方案的确定 改造的可行性分析通过以后，就可以针对工艺和机床现况确定改造方案， 一般包括一下几部分： 机械修理与电气改造相结合，一般来说，需进行电气改造的机床，都需进 行机械修理。机械性能的完好是电气改造成功的基础。 先局部后整体，确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子 系统进行，如数控系统、测量系统、主轴、进给系统、面板控制与强电部分等， 待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。 根据使用条件选择系统，针对使用环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线， 甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、 自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电气系统有了可 靠的使用保证。 改造范围确定，有时数控机床电气系统改造，并不一定包含该机床全部电 气系统，应根据科学的测定和分析决定其改造范围。 2.3.2 改造的技术准备 改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。技术 准备包括： 机械部分准备，为配合电气改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、 设计、绘图、零件制作等应先期完成。 旧系统电气资料消化，只有对旧系统电气资料进行充分的消化，才能了解 以前的设计思想，才能更好完成新旧系统的衔接与转换。 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 13 新系统电气资料消化，新系统有许多新功能、新技术，因此改造前应熟悉 技术资料，包括系统原理说明、线路图、plc 梯形图及文本、安装调试说明、 使用手册、编程手册等。 2.3.3 改造的实施 准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。实施阶段内容按时间顺序分 为： 原机床的全面保养 机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在 问题，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺 寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结 束时作对比分析用。 保留的电气部分最佳化调整 对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。如 强电部分的零件更换，电机的保养，变压器的烘干绝缘，污染的清洁，通风冷 却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新，连接件的 紧固等等。 原系统拆除 原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作出标记，防止 遗漏或过拆(局部改造情况下)。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠 缺之处，应及时补充与修正。 合理安排新系统位置及布线 根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、 线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装饰等。应确保连线工艺规范、 线径合适、正确无误、可靠美观。 调试 调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员随时记录，以便发现和 解决问题。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生；各 运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试 验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 14 3.普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 3.1 主轴系统计算 3.1.1 V 带传动的设计计算 三角带的选用应保证有效地传递最大功率（不打滑）并有足够的使用寿命 （一定的疲劳强度） 。带传动设计计算的主要内容包括确定带的型号、基准长度 和根数；确定带轮的材料、结构尺寸；确定传动中心距及作用在轴上的力等。 (1) 确定计算功率 d p1.2 1214.4 dAP kw 式中：工况系数(工作情况系数)；P电机额定功率 Kw A (2) 选择三角带型号 根据、由图选 SPA 型窄 V 带 d p 1 n (3) 确定带轮直径、 1 D 2 D 小带轮直径应满足：，以免带的弯曲应力过大而导致其寿命 1 D 1min DD 降低。 查表取,故选择 min 90Dmm 1 100Dmm (4) 计算胶带速度 smsm nD v/25/5 . 6 60000 1250100 100060 11 故选择合格 1 D 21 2 100200DiDmm (5) 确定中心距 a 和带长 d L 12012 0.7()2()DDaDD 得 0 210600mmamm 初选 0 300amm 带长 2 21 012 0 () 2()1078 24 d DD LaDDm a 查表，取1000 d Lmm 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 15 中心距 0 261 2 dd LL aamm a 的调整范围： min 0.015246 d aaLmm max 0.03291 d aaLmm (6) 验算小带轮包角 1 小带轮包角可按公式求得： 21 1 18057.3 DD a 得 ， 即满足条件。 1 162120 (7) 确定 V 带根数 z V 带根数 Z 可按下式计算： 00 () d L P z PP K K 由表，查得 0 2.27kW 01 1 (1) b i K n K 由表，查得 3 2.7862 10 b K 由表，查得 1.1199 i K 3 1 2.7862 101250(1)038 1.1199 i Pkw 由表，查得 0.96K 由表，查得 0.89 L K 代入求根公式，得 14.4 6.02 (2.270.38) 0.89 0.96 z 取 z=6,符合表 7-4 推荐的轮槽数 (8) 确定初拉力 0 F 单根 V 带合适的初拉力可按下式计算： 2 0 ) 1 5 . 2 (500qv Kzv P F d 由表得 0.12/qkg m 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 16 2 0 14.42.5 500(1)0.12 6.5282 6 6.51 FN (9) 计算作用在轴上的压力Q 1 162 2 sin2 6 282 sin3383 22 QzN 3.1.2 Z 轴滚珠丝杠副 精度要求：进给精度；快速进给精度 mm01 . 0 min/3m 疲劳强度：丝杠的最大载荷为主轴重量加摩擦力，最小载荷为主轴重量减 最大进给力的垂直分力。主轴重量为 300kg,则： 1.摩擦力 f F min 300 0.0035 9.810 f FFN NF29508 . 930010 max NF238710 3 1625 8 . 9300 min 3 2 minmax FF Fm 3 238722950 N2762 根据机电一体化设计基础 计算载荷 c F cFHAM FK K K F 查表取 查表取1. F K1.0 A K 查表取 查表取 D 级精度1.0 H K 则： 1.2 1.0 1.0 27623314 c FN 2.计算额定动载荷 a C 取丝杠的工作寿命为, 20000 h Lh100 / min m nr 3 1067 . 1 4 hmL n ca FC 3 1067. 1 20000100 4 3314 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 17 N16335 3.选用 FC1-4020-2.5 型丝杠，由表 2-9 得丝杠副数据：公称直径 导程；滚珠直径； 0 50Dmm10pmm 0 5.953dmm 按表种尺寸公式计算： 滚道半径 0 0.520.52 5.9533.096Rdmm 偏心距 2 0 5.953 0.707()0.707 (3.096)8.4 10 22 d eRmm 丝杠内径 2 10 22402 8.4 102 3.09633.98dDeRmm 4. 稳定性验算 丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴 向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保 证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。 螺母 固定端 游动端 a 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应 验算其安全系数 S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷 cr F 2 2 () a cr EI F l 式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢 E=206Gpa；l 为丝杠工作长度 （m） ；为丝杠危险截面的轴惯性矩（） ；为长度系数，取。 a I 4 m 2 3 48 4 1 1054 . 6 64 m d Ia NFcr 5 2 892 1075 . 8 )5 . 0 3 2 ( 1054 . 6 10206 安全系数 5 2 8.75 10 3.2 10 2762 cr m F S F 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 18 查表，S=2.53.3 ,SS,丝杠是安全的，不会失稳。 b 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速 临界转速。要求丝杠的最大转速。 cr n maxcr nn 临界转速按下式计算： 2 1 2 9910 () c cr f d n l 式中：为临界转速系数，见表 2-10，本题取， c f3.927 c f 2 3 2 2 )5 . 0 3 2 ( 03398 . 0 927 . 3 9910 cr n min/1052. 3 4r min/600 1010 6 3 max rn 即：，所以丝杠工作时不会发生共振。 maxcr nn c 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求 0 D n 4 0 7 10/ minD nmm r min/107min/10410040 43 0 rmmrmmnD 5.刚度验算 滚珠丝杠在工作负载 F(N)和转矩 T()共同作用下引起每个导程的变形 mN 量(m)为： 0 L c GJ Tp EA pF L 2 2 0 式中:A 丝杠截面积, ；为丝杠的极惯性矩，；G 为 2 1 1 4 Ad c J4 1 32 c Jd 丝杠切变模量，对钢；T 为转矩。 GPaG 3 . 83 )tan( 2 0 D FT m 式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为平均工作载荷 m F mNT 54 . 4 )2 . 0334tan(10 2 40 2762 3 按最不利的情况取（其中） m FF 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 19 22 0 224 11 416 2 c pFp TpFp T L EAGJEdGd 33 2 92294 4 10 10276216 (10 10 )4.54 3.14 206 10(0.03398)(3.14)83.3 10(0.03398) m 2 107 . 9 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： m p L lL85 . 4 1010 107 . 9 5 . 0 3 2 0 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1/2，即 L mmmL5005 . 0 1 . 0 2 1 2 1 该丝杠的满足上市，所以其刚度可以满足要求。 L 6.效率验算 滚珠丝杠副的传动效率为 947 . 0 )2 . 0334tan( ) 334tan( )tan( tan 要求在 90%95%之间，所以该丝杠副合格。 经上述计算验算，FC1-4010-2.5 各项性能均符合题目要求，所以合格。 3.2 横向进给系统的设计计算 3.2.1 滚珠丝杠螺母副的设计计算 1.铣削力的计算 横向丝杠螺母副铣削力与纵向的结果一致 Fx=4173N 工作台横向进给方向载荷：Fc=0.375Fx=1617N 周向铣削力NFFF V 486513 . 1 4313 22 1 强度校核计算：)2f(FyGFFKF CXDC 式中： K=1.4 f=0.2 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 20 FX、Fy、FC-分别为沿铣刀轴向的轴向铣削力，沿铣刀径向的径向铣削 力，沿铣刀切向的切向铣削力，其中 FX也是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗 铣床主电机功率最多。 代入计算：FX =2/3F=24865/3=3243N Fy = 0N FC = 1617N G-工作台重量（横向）+夹具和工件的重量 G=（100+200）9.8=2940N 由此得：F=1.43243+0.2(21617+2940)=4540+1234=5774N 寿命值为： 6 10 nt60 L 式中：L工作寿命以 106r 为 1 个单位 n-滚珠丝杠的转速 n=10r/min t-使用寿命时间，一般取 t=15000h 则有：L=601015000/106=9(106r) 滚珠丝杠最大动载荷 C: KN K KLF PDC 4 .14c a 3 式中：Kp 为载荷系数，一般取 1.21.5，本例取 Kp=1.2 Ka 为精度系数，对于本丝杠取 Ka=1 根据最大动载荷 C 的值，初选滚珠丝杠螺母副代号为： WCh25063.51，表示外循环方式，公称直径为 25mm，基本导程为 6mm， 螺纹旋向为右旋，负荷钢球圈数为 3.5，精度等级为 3 的传动滚珠丝杠副。 查表为基本参数： 滚珠丝杠的额定动载荷 CD=16500N14400N; 滚珠丝杠的额定静载荷 CDEL=49700N; 预紧力NFP6025 FM=6134 远远小于 3F，故可不加预紧力 选用 FC1-4020-2.5 型丝杠，由表 2-9 得丝杠副数据： 公称直径 mmD50 0 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 21 导程 mmp10 滚珠直径 mmd953 . 5 0 按表种尺寸公式计算： 滚道半径 mmdR096 . 3 953 . 5 52 . 0 52 . 0 0 偏心距 mm d Re 20 104 . 8) 2 953 . 5 096 . 3 (707 . 0 ) 2 (707 . 0 丝杠内径 mmReDd98.33096 . 3 2104 . 824022 2 01 2.稳定性验算 丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴 向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保 证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。 螺母 固定端 游动端 a 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应 验算其安全系数 S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷，并按下式计算 cr F 2 2 )( l EI F a cr 式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢,E=206Gpa；l 为丝杠工作长度 （m） ；为丝杠危险截面的轴惯性矩（） ；为长度系数，取。 a I 4 m 3 2 48 4 1 1054 . 6 64 m d Ia 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 22 NFcr 6 2 892 1087 . 1 )4 . 0 3 2 ( 105 . 610206 安全系数 3 6 1059 . 1 1107 1087 . 1 m cr F F S 查表，S=2.53.3 ,SS,丝杠是安全的，不会失稳。 b 高速长丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转 速临界转速。要求丝杠的最大转速。 cr n cr nn max 临界转速按下式计算： 2 1 2 )( 9910 l df n c cr 式中：为临界转速系数，见表 2-10，本题取， c f927 . 3 c f 3 2 2 2 )4 . 0 3 2 ( 03398 . 0 927 . 3 9910 cr n min/103 . 7 4r min/600 1010 6 3 max rn 即：，所以丝杠工作时不会发生共振。 max nncr c 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求 nD0min/107 4 0 rmmnD min/107min/10410040 43 0 rmmrmmnD 所以该丝杠副工作稳定 （3）刚度验算 滚珠丝杠在工作负载 F(N)和转矩 T()共同作用下引起每个导程的变 mN 形量(m)为： 0 L c GJ Tp EA pF L 2 2 0 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 23 式中:A 丝杠截面积,；为丝杠的极惯性矩，；G 为 2 1 4 1 dA c J 4 1 32 dJc 丝杠切变模量，对钢；T 为转矩。 GPaG 3 . 83 )tan( 2 0 D FT m 式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为平均工作载荷 m F mNT 84 . 1 )2 . 0334tan(10 2 40 1107 3 按最不利的情况取（其中） m FF 4 1 2 2 2 1 2 0 164 2Gd Tp Ed pF GJ Tp EA pF L c 492 23 29 3 )03398 . 0 (10 3 . 83)14 . 3 ( 84 . 1 )1010(16 )03398 . 0 (1020614 . 3 110710104 m 2 102 . 6 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： m p L lL5 . 2 1010 102 . 6 4 . 0 3 2 0 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1/2，即 L mmmL5005 . 0 1 . 0 2 1 2 1 该丝杠的满足上式，所以其刚度可以满足要求。 L 4.传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 tan tan 丝杠的螺旋升角，滚珠丝杠螺母副的混动摩擦系数2240 f=0.0030.004。 ，则1096 . 0 53 . 4 tan 37 . 4 tan 0 0 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 24 3.2.2 伺服驱动系统的设计计算 伺服驱动系统的设计包括步进电机选型，减速齿轮副的设计。 1.脉冲当量的选择及减速齿轮副的设计 脉冲当量：根据机械的加工精度，并参照同类数控铣床的精度参数，则可 选择脉冲当量：；初步选择步进电机的步距角为，那0.01/mm step 0.75 么每个脉冲丝杠螺母移动的距离为；要实现，0.0125/mm step0.01/mm step 就必须在步进电机和滚珠丝杠之间加上那个一对降速轮，此对减速齿轮的减速 比为： 1 2 1.25i z z 2.减速齿轮副的选择 减速比计算出来后，采用以及齿轮减速，减速齿轮的模数一般取 m=1.75; 压力角 a=20；初选齿轮齿数 Z1=20；故大齿轮为 Z2=25；故初选减速齿轮副的 参数如下：Z1=20； Z2=25；m=1.75；a=20 3.步进电机的选型 步进电机的启动力矩：).( 2 )f(360 x CMN FGF T E （ 式中：为脉冲当量，取0.01/mm step F1为移动部件上的负载：NFF X 4 .47451 . 1 1 FE为作用在移动部件上的负载：NFF XE 107825. 0 f 为导轨摩擦系数，取 f=0.2 为步进电机步距角 0 75 . 0 为机械的传动效率，一般取0.6 G 为纵向移动部件的重量：300 9.82940GN 代入公式得：7.068 .TN M 确定步进电机最高工作频率： 60 1000 f max max V 式中-运动部件快进速度 max V 普通 X62W 铣床数控化改造设计计算 25 查 X62W 说明书，纵向工作台最大进给速度为min/m3 . 0 max V 代入公式得HZ V 3833 60 1000 f max max 综合考虑并参考金属切削机床设计简明手册 ，选择 110BF003