X53K立式铣床的数控化改造设计

目录

设计任务2目录3

一、前言5

二、设计方案论6

三、纵向进给系统的设计10

3.1工作台重量的估算和切削力的计算10

3.1.1工作台重量的估算10

3.1.2切削力的计算10 3.2滚珠丝杠的设计10

3.2.1滚珠丝杠螺母副结构类型的选择10

3.2.2滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤11

3.2.2.1 计算最大工作载荷11

3.2.2.1 计算最大工作载荷11

3.2.2.3、计算传动效率η12

3.2.2.4、刚度验算13 3.3脉冲当量和传动比的计算 15

3.3.1确定系统脉冲当量15

3.3.2 传动比的选定15

3.3.3 齿轮传动的确定16 3.4进给伺服系统传动计算17

3.4.1转动惯量的计算 17

3.4.1.1齿轮、丝杠等圆柱体惯量的计算 17

3.4.1.2工作台折算到丝杆的转动惯量 17

3.4.1.3传动系统折算到电机轴上的转动惯量 18

3.4.1.4电机的转动惯量的确定 18

3.4.1.5系统总的转动惯量 18

3.4.2步进电机的计算和选用 18

3.4.2.1电机力矩的计算 18

3.4.2.2摩擦力矩f M 19

3.4.2.3附加摩擦力矩0M 19

3.4.2.4折算到电机轴上的切削负载力t

M 20 3.4.3步进电机的选择与校核 20

3.4.3.1根据最大静态转矩max j M 初选电机型号 20

3.4.3.2计算电机工作频率 21

四、 微机控制硬件设计

4.1微机控制系统的概述

4.2系统的介绍

4.3步进电机驱动控制电路

五 结束语 (21)

六 致谢 (22)

七 参考文献 (22)

一、前言

数控机床可以较好的解决形状复杂、精密多品种及中小批零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，随着制造技术向自动化、柔性化方向的发展，当前机床的数控化率已经成为衡量一个国家制造工业水平的重要标志。

机床的数控化改造一般是指对现有某台普通车床的某些部位做一定的改装，配上经济型数控装置或标准型数控数控系统，从而使原机床具有数控加工能力。这种技术工作有其独特的特点。

机床数控化改造的意义：

1.节约资金

数控机床的价格昂贵，一次性投资大，对中小企业常是心有余而力不足。机床的数控化改造同购置新的机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3，即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床的一半

2.性能稳定可靠

因原机床各基础件经过长期实效，几乎不会产生应力变形而影响精度。

3.提高生产率

机床经出数控改造后即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3到5倍。对复杂零件而言加工难度越高功效提高得越多。且只需一次或少数几次安装就能加工完零件的全部。

目前国内数控机床的广泛应用受到一些条件的限制。现在我国机床数控化率不到5%。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益、影响企业德生存和

发展，所以必须大力提高机床的数控化率。

数控铣床用途广泛，不仅可以加工各种平面、沟槽、螺旋槽、成型表面和孔。而且还能加工各种平面曲线和空间曲线等复杂型面。适用于各种模具、凸轮、板类及箱体类零件的加工。本设计课题就是立足于实际情况，将普通的X502立式铣床（机械纵向部分）进行数控化改造。

二、设计方案论证

目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制，如下图所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。

开环控制系统框图

机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控铣床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有相似之处。然而，现代的数控机床不是简单将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足，抗震性差，热变形大，滑动

面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度，表面质量，生产率以及使用寿命等要求。现代机床的部件结构，整体布局，外部造型都已经形成了数控机床独特的机械部件。因此，我们在对数控机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能的与数控机床相接近。

机床的改造主要应具备两个条件1.机床基础件必须有足够的刚度2.改装的费用要合适，经济性好。改装前要对机床的性能指标做出决定，改装后其各项指标能达到数控加工的要求。

将一台X502立式铣床改装成微机数控铣床，要求原机床的改动尽量少，以降低成本，提高性价比。根据这个要求保留原机床的主轴旋转运动以及纵横向进给的机动部分，改造后的数控铣床要求结构简单、经济实用、易于推广普及。因此采用步进电机为饲服元件，用来驱动纵横向工作台的进给运动。拆除机床上原有的纵横向丝杠螺母元件，改用步进电机和减速齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。并选择合适的数控系统，使其扩大加工范围，适用于现阶段我国的中小型机械加工企业。

机械部分数控化改造需涉及电机的选择、工作台进给结构、传动比分配与计算等方面的内容。

1伺服驱动元件进给电机选用混合式步进电机，其不仅步距角小运行频率高且功耗低,低频率，噪音小等优点。广泛用于开环控制系统，不需要反馈装置，结构简单可靠，寿命长。横纵向进给电机均选用同一型号以便于改造和日后维修。脉冲当量t=0.01mm/脉冲，选用步距角θ=0.6° 。对原机床的主传动系统均维持不变，以节约资金及缩短改装时间。

2机床导轨的选择

由于原机床采用滑动导轨，在低速时容易发生“爬行”现象，直接影响运动部件的定位精度。较经济的处理方法是采用贴塑滑动导轨。