X5025立式升降台铣床的数控改造设计

目录第一章前言 (4)1.1 概述 (4)1.2 普通铣床数控化改造的条件 (4)1.3 普通铣床数控化改造的一般步骤 (4)第二章总体方案的确定 (6)第三章主传动系统设计 (7)3.1 确定主轴传动功率 (7)3.2 电动机的选择 (8)3.3 主传动的调速过程 (8)第四章伺服进给传动系统设计 (10)4.1 滚珠丝杠螺母副的设计和选用 (10)4.1.1滚珠丝杠螺母副的计算 (10)4.1.2 滚珠丝杠的安装 (16)4.1.3滚珠丝杠螺母副的支承方式 (16)4.2轴承的选用和计算 (17)4.2.1轴承的载荷计算 (17)4.2.2轴承的派生轴向力计算 (19)4.2.3轴承的轴向载荷计算 (19)4.2.4轴承的当量动载荷计算 (19)4.2.5验算两轴承的寿命 (20)4.3同步带轮传动的设计和计算 (20)4.3.1确定梯形齿同步带轮的基本参数 (20)4.3.2确定带的中心距 (21)4.3.3选择带的类型 (22)4.4电机的选择和计算 (22)4.1.1确定电机的类型 (22)4.4.2伺服电机的计算 (23)4.4.3电机的安装 (25)第五章数控铣床的PLC控制 (26)5.1 电气接口 (26)5.2 铣床的安全互锁 (27)第六章数控机床的润滑系统 (29)6.1 润滑的作用 (29)6.2 数控铣床的润滑系统 (29)小结 (30)参考文献 (31)[摘要］本文对一台普通铣床进行数控化改造，在改造后要达到高的静、动刚度；传动副之间的摩擦系数小，反向传动无间隙；输出转矩大等要求。

对主传动部分不作太大的变动，保留原有传动链，为了满足调速范围和转矩特性，采用调速电机的无级变速和机械的有级变速相结合的配置方式。

进给传动需作较大改动才能满足数控加工的要求，文中对滚珠丝杠、电机的选用等方面进行了详细的设计分析。

通过对铣床的数控改造设计，对机床的机械结构有了进一步的感性认识，为以后的发展作了铺垫。

[关键字］数控改造主运动伺服进给系统滚珠丝杠第一章前言1.1 概述随着现代工业的迅猛发展，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求，数控机床已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志。

目前大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是普通机床，机床数控化比较低。

如果大量添置全新的数控机床，不仅资金投入量大、成本高，而且又会造成原有设备的闲置浪费。

把普通机床改造为数控机床则不失为一条提高数控化率的有效途径。

普通机床的数控化改造，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有机床的缺点和存在的问题，生产效率高。

在实际生产中铣床的应用十分广泛，主要用于加工平面或成形表面。

例如，在立式铣床上加工圆弧、凸轮一类的平面曲线时，就要借助于圆工作台、分度头等机床附件，并对机床进行相应调整。

加工精度较低，机床调整困难。

所以对铣床进行数控化改造的实际应用有很多，改造的目的一方面提高加工精度，另一方面可以利用数控方法加工任意圆弧面和凸轮的曲面。

1.2 普通铣床数控化改造的条件并不是所有的旧机床都适合于数控改造。

改造的机床应具备如下几个条件：（1）机床基础件必须有足够的刚度数控机床属于高精度机床，要求有很高的移动精度。

通常闭环系统的脉冲当量为0.001mm，开环系统的脉冲当量为0.005mm或0.01mm。

高的定位精度和轮廓加工精度要求机床的基础件具有很高的动、静刚度。

基础件刚性不好则受力后容易变形，且这种变形具有很大的不确定性，无法用数控系统中的补偿功能进行补偿。

因此，基础件刚性不好的机床不适宜改造为数控机床。

（2）改造费用合适、经济性好机床改造费用分为机床和电气两部分。

一方面是维修和改动原有机床部分，更换已磨损的部件；另一方面是更换原有机床控制柜，用新的数控系统和强电装置代替。

改造费用与原有机床零件的利用多少有关，也与采用何种控制系统有关。

由于经济上的考虑，目前通常采用步进驱动的经济型数控系统进行机床改造。

改造总费用多少才算合适要因用户而异。

一般来说，不超过同类规格设备价格的一半，在经济上就算合适。

1.3 普通铣床数控化改造的一般步骤（1）旧机床的设备选型通常对一台旧机床，是否需要进行数控化改造，首先应对设备进行基础估价，这也就是设备选型。

以判断该设备是否具有改造价值，改造后能不能满足要求，改造成功的可能性等，这些都与设备的选择密切相关，所以选型是设备改造的首要环节。

（2）确定改造的技术方案设备选择确定后，就要制定、落实明确的技术改造方案。

通常需要从以下两个方面论证；一是明确该设备改造后的加工对象及预期目标；二是资金投入的估算。

上述两项的确定，最好综合考虑，因为投入的改造费用主要与以下几点有关。

①数控系统的选择。

②机床本身固有几何精度的修复及保养。

③机床电器及附件的更换。

④机床辅助系统（主轴系统、液压系统、冷却系统等）的维修及保养。

⑤机床外观质量的修复。

⑥机床改造的技术劳务费用。

⑦机床改造后的综合调试、检测、参数补偿等。

（3）改造前的准备工作技术改造方案确定以后，应对机床进行检测，若机床精度低，就必须对机床本身的精度进行恢复。

主要有两方面：一是机械进度的恢复；二是电气部分的恢复。

如主轴精度的恢复、机床导轨精度的恢复（平行度、垂直度等），以提高传动精度和效率。

对机电系统、液压系统、机械接口进行测绘、设计、制造、修复、保养。

同时要做好对改造机床机械及电气部分的准备工作，如数控系统及相应配置的准备、机械改造条件（传动箱连接件、滚珠丝杠等）的准备。

（4）机床的改造包括对机床改造部分的现场施工、安装和连接；机床联调实验；机床及控制系统各部分功能联动实验；工作可靠性运行；机床定位精度、重复定位精度、各种补偿功能的调试；机床的加工切削实验。

（5）改造完成后的验收一般验收要做以下工作：外观检查、机床及系统的各种功能检测、机床精度检测（定位精度、重复定位精度等）、机床的负荷实验、标准试件的切削、典型零件的加工等。

第二章总体方案的确定将一台X5025型立式升降台铣床改造成数控铣床，改造目的主要能完成铣、镗、钻等切削运动，能在没有模板的情况下完成凸轮、样板、模具等形状复杂零件加工。

所要达到的技术要求：主轴转速80 r/min-5440 r/min，为提高其自动化程度，或者批量相对集中，需在加工过程中自动变换切削速度。

如何将机械传动的进给改造成数控系统控制的自动进给，还应具有更好的精度要求。

驱动部件具有高性能，伺服电机要可靠，输出力矩要大，高低速性能要好，系统具备手动回机械零点功能，机床的定位精度和重复定位精度要高，能在不需要模具的情况下能确保零件的加工精度。

为了满足主传动的要求，需更换原有的主轴电机；对进给系统而言，将原来的手动进给的手柄、刻度盘、轴承、轴承支座、普通丝杠、螺母支座等零件拆除。

为了满足高的定位精度和重复定位精度，需将在原来的导轨表面粘接聚四乙烯软带，对其表面还要进行铲、刮，才能到达所需的精度要求。

第三章 主传动系统改造设计对普通铣床进行数控改造时，为提高其自动化程度，或者批量相对集中，需在加工过程中自动变换切削速度，可用双速电机代替原铣床的主电动机。

一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动的电气无级调速。

但由于数控铣床的运动调速范围较大，单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。

为扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也可以用齿轮有级调速和电动机的无级调速相结合的调速方式，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。

3.1 确定主轴传动功率数控铣床的加工范围一般都比较大，所传动的额定功率可以根据典型切削工艺的情况计算，根据设计的铣床主要的加工范围，查机床设计手册确定如下典型加工工艺：用高速刚圆柱平刀铣削灰铸铁工件平面，刀具直径D=100㎜，刀齿数为5，工件材料为HT200，硬度190HBS ，切削速度v =20.5min m ，进给速度为120min m ，背吃刀量a p ＝5㎜，切削宽度为65㎜。

n =Dv π1000 式中 n —主运动的转速（s r ）v —切削速度（s m ）D —刀具的最大直径（㎜）代入数值得：n =65r ／min则每齿进给量 =⨯==390010120zn F Sz 0.18㎜ 根据典型切削工艺公式： P 切＝2.8×102-·t 9.0·s z 74.0·B ·z ·n ·190HB 式中： t —切削厚度，即被吃刀量（㎜）s z —每齿进给量（㎜）B —切削宽度（㎜）Z —刀具齿数HB —材料硬度代入数值得：P 切=2.8×102-×59.0×0.0037574.0×65×10×3200×190190 =1760W=1.76KW 主传动的总效率一般可取为η=0.70～0.85,数控机床的主传动多用调速电机和有限的机械变速传动实现，传动链较短，因此效率可取较大值，由此可求得主轴传递的功率为： P=ηp 切=80.076.1=2.2kw 3.2 主轴电动机的选择现在数控铣床常用的无级变速机构为直流或交流调速电动机。

本设计中采用交流调速电动机，它是靠调节供电频率的办法调速。

因此，常称为调频主轴电动机。

这种电机的功率、转矩特性见图3-1。

通常，额定转速n d 为1500min r ，额定转速向上至最高转速n max 为恒功率，如图所示区域Ⅰ；额定转速n d 至最低转速n min 为恒转矩，如图所示区域Ⅱ。

图3-1交流电动机的功率、转矩特性Ⅰ—恒功率区；Ⅱ—恒转矩区这种电机由于体积小，转动惯性小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流电动机高，磨损和故障也少。

现在，在中、小功率领域，交流调速电动机占优势，应用更加广泛。

3.3 主传动的调速过程为了实现数控铣床的无级变速，本机床的主轴电机采用双速电机，通过双速开关可实现主轴正转高速，低速和反转高速，低速四档功能，而每一种功能状态下，又可通过机械齿轮变速达到调整的目的。

当手柄处于OUT时离合器脱离，主电动机由宝塔式带轮带动同步带轮进行减速再经小齿轮和大齿轮减速带动主轴旋转；当手柄处于IN时离合器吸合，小齿轮和大齿轮脱离，主电动机由宝塔式带轮直接带动主轴旋转，从而达到调整的目的。

第四章 伺服进给系统的设计根据设计的目的，将原来的手动进给改换成由电机经同步带轮带动丝杠进行控制，为提高传动精度和工作平稳性将普通丝杠改换成滚珠丝杠传动。

与普通丝杠相比滚珠丝杠具有以下优点：摩擦力低及效率高，其传动扭矩只有普通丝杠的1/3，所以滚珠丝杠的机械效率远高于普通丝杠，即使在低速情况下也不会出现爬行现象。