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103.1工作台重量的估算和切削力的计算103.1.1工作台重量的估算103.1.2切削力的计算10 3.2滚珠丝杠的设计103.2.1滚珠丝杠螺母副结构类型的选择103.2.2滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤113.2.2.1 计算最大工作载荷113.2.2.1 计算最大工作载荷113.2.2.3、计算传动效率η123.2.2.4、刚度验算13 3.3脉冲当量和传动比的计算 153.3.1确定系统脉冲当量153.3.2 传动比的选定153.3.3 齿轮传动的确定16 3.4进给伺服系统传动计算173.4.1转动惯量的计算 173.4.1.1齿轮、丝杠等圆柱体惯量的计算 173.4.1.2工作台折算到丝杆的转动惯量 173.4.1.3传动系统折算到电机轴上的转动惯量 183.4.1.4电机的转动惯量的确定 183.4.1.5系统总的转动惯量 183.4.2步进电机的计算和选用 183.4.2.1电机力矩的计算 183.4.2.2摩擦力矩f M 193.4.2.3附加摩擦力矩0M 193.4.2.4折算到电机轴上的切削负载力tM 20 3.4.3步进电机的选择与校核 203.4.3.1根据最大静态转矩max j M 初选电机型号 203.4.3.2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。

3进给传动系统数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、低速时无爬行。

因此本设计中采用滚珠丝杠可以满足要求。

滚珠丝杠螺母副由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。

其工作原理为：当丝杠和螺母相对运动时，在螺母上设有滚珠循环返回装置，使得滚珠沿滚道面运动后能通过这个装置自动的返回其入口处，继续参加工作。

滚珠丝杠螺母副安装时需要预紧，通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙，提高传动刚度。

本设计中的预紧方法是采用双螺母垫片预紧式结构。

即通过改变两个螺母的轴向相对位置，使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现预紧。

其特点是预紧结构简单，轴向刚度好，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好如图2-1。

为消除传动系统中的反向间隙，提高重复定位精度，传动元件连接采用无键锥环连接。

图2-1 滚珠丝杆的结构4、微机控制系统方案的确定1、微型控制系统的设计内容包括：1）控制系统硬件电路设计计算和参数选择；2）步进电机接口及驱动电路设计。

2、微机控制系统的总体组成数控部分采用MCS-51单片机为核心的控制系统.目前，数控机床中应用最多的是MCS-51单片机，他价格低，功能强，使用灵活等特点.存储芯片的选择依据系统控制程序的大小及CPU的字长，I/0扩展芯片的个数根据整个系统需要的I/0通道的个数来确定。

3、软硬件系统的设计涉及软硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生于脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。

硬件系统（1）基本组成（最小系统）（2）系统扩展 1）程序存储器扩展2）数据存储器扩展3）输入输出端口扩展 4）综合功能扩展（3）接口技术 1）键盘接口技术2）显示器接口（4）步进电机控制硬件电路。

上述三个任务都可以用专用硬件芯片实现，也可用软件编程实现。

用硬件实现，编程比较简单，但同时硬件成本及故障。

用软件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。

在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软硬件方面的实际经验及能力。

软件系统包括：（1）软件结构与基本组成（2）插补原理及软件程序（3）步进电机控制软件。

三、纵向进给系统的设计在纵向进给系统的改造中，拆掉了原机床的丝杠螺母机构，更换上步进电动机和一对齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。

3.1工作台重量的估算与切削力计算3.1.1工作台重量的估算纵向工作台约重60kg，床鞍和回转盘约重140kg，总重量G=60+180=200kg。

3.1.2切削力计算：切削功率为：N c=KPη（1）式中：P——主电动机功率，7.5kWη——主传动系统总效率，一般为0.6～0.7，取0.65K——进给系统功率系数，取0.96根据式(1)可得：N c=4.3kW。

又因为N c=FcVc×10-3，则F c=N c/V c，V c为切削线速度，取100m/min，所以主切削力F z=2.7kN。

通常：纵向切削分力F纵=(0.6～0.9)Fz，垂直切削分力F垂=(0.45～0.7)Fz，横向切削分力F横=(0.5～0.55)Fz。

取F纵=0.6Fz=1.6kN，F垂=0.45Fz=1.2kN，F横=0.5Fz=1.3kN，3.2滚珠丝杠设计3.2.1滚珠丝杠螺母副结构类型的选择因为所要改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过程中不需要调整，并且加工过程中有轻微冲击运转。

根据上述实际条件，并考虑到经济成本问题，通过查第三章表3－2和表3－3，可以初步选用“外循环插管埋入式法兰直筒组合双螺母垫片预紧（CMD）”这种结构类型的滚珠丝杠螺母副。

它具有结构简单，工艺性优良，承载能力较高；刚度高，预紧可靠，不易松弛等优点。

它主要适用于重载荷、高刚度、高速驱动及较精密的定位系统，是目前应用得较广泛的结构。

3.2.2滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤3.2.2.1 计算最大工作载荷1、由题设已知条件，铣床导轨的类型为综合导轨。

再查指导书 P38表3-29得最大工作载荷m F 。

()'m L V F F F G K f =++该式中：K = 1.15；取 f ’ = 0.16（f ’ =0.15～0.18）（摩擦系数）；G 为工作台及夹具总重量的1/2。

由题设已知条件可得G = 400 N 。