普通立式铣床的数控改造毕业设计.docx

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普通立式铣床的数控改造毕业设计

XA5032普通立式铣床的数控改造

摘要

数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证高新技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。

在全球倡导绿色制造的大环境下，机床数控化改造成为了热点。

它包括普通机床的数控化改造和数控机床的升级

本设计是对XA5032普通立式铣床进行数控化改造。

为了实现把XA5032普通立式铣床改造成经济型数控铣床，我针对此铣床的主传动系统，X,Y,Z向进给系统进行数控改造，并增加了CNC装置和伺服系统。

对主传动系统，我选用FANUCAC电动机通过带传动驱动主轴。

对进给系统，我把原先的滑动丝杠换成滚珠丝杠，以提高精度和效率，并由原先的手动控制，改造成由电动机控制。

通过变频器实现主轴传动和进给机构的无级变速。

通过单片机的设计，构成控制系统。

关键词：

数控改造，滚珠丝杠，伺服系统

ABSTRACT

NCmachinetoolsistheMachineToolsandequipmentmanufacturing,istoachievemanufacturingtechnologyandthecornerstoneofmodernequipmentistoensurethatofthemilitarystrategyandequipment.GreenManufacturingintheglobaladvocacyoftheenvironment,transformationofCNCmachinetoolstobecomeaisXA5032ordinaryverticalmillingmachineNCtransformation.InordertoachievetheXA5032verticalmillingmachineintothegeneraleconomyCNCmillingmachine,Iamagainstthismillingthemaindrivesystem,X,Y,ZtothefeedsystemNCtransformation,andtoincreasetheCNCservodevicesandsystems.Themaindrivesystem,IchooseFANUCACmotordrivethroughthebeltdrivespindle.Thefeedsystem,Ireplacedtheoriginalslidingscrewballscrews,toimproveaccuracyandefficiency,andtheoriginalmanualcontrol,intothemotorcontrol.ConvertertoachievethroughthemaintransmissionandfeedtheCVT.SCMthroughthedesignofacontrolsystem.

Keywords:

NCtransformation,ballscrew,ServoSystem

第一章概论5

1.1数控机床的组成5

1.2机床数控化改造的意义6

1.3机床数控化改造的必要性和迫切性7

第二章铣床机械结构的改造设计8

2.1介绍8

2.1.1数控铣床机械结构的主要特点8

2.1.2数控铣床对机械结构的基本要求9

2.2铣床主传动系统的数控化改造10

2.2.1主传动系统的基本要求和变速方式10

2.2.2XA5032型铣床数控化改造主轴系统的设计11

2.3XA5032型铣床数控化改造主轴系统计算设计12

2.3.1主传动中同步带传动设计12

2.3.2主轴的设计14

2.4铣床进给传动系统的数控化改造18

2.4.1数控铣床对进给传动系统的基本要求19

2.4.2数控铣床的进给传动系统的基本型式19

2.4.3数控改造铣床进给系统的型式及介绍21

2.4.4数控改造铣床进给传动系统的计算设计22

2.5主轴的驱动元件的选择27

第三章铣床的电气改造部分29

3.1计算机数控装置29

3.2单片机的设计31

3.2.1单片机的介绍31

3.2.2系统的扩展32

3.3键盘36

3.4步进电机控制电路设计37

3.4.1脉冲当量和传动比的确定37

3.4.2步进电机的选择及其驱动方式38

3.5光电隔离电路设计41

3.6控制系统的软件设计42

3.6.1步进电机控制程序设计42

3.6.2LED动态显示接口程序设计44

谢辞46

参靠文献：

47

第一章概论

1.1数控机床的组成

如图1.1所示，数控机床由一下几个部分组成。

1、程序编制及程序载体

数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。

在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工顺序；主运动的起、停、换向、变速；进给运动的速度、位移大小等工艺参数，以及辅助装置的动作。

得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。

编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。

2、输入装置

输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。

根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。

数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式：

一种是边读入边加工（数控系统内存较小时），另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从內部存储器中逐段逐段调出进行加工。

3、数控装置

数控装置是数控机床的核心。

数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。

零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。

但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求，因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动的各执行元件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。

4、辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。

这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作

5、驱动装置和位置检测装置

驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。

因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。

驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。

目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。

位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。

由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。

6.机床的机械部件

数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。

但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。

这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。

1.2机床数控化改造的意义

众所周知，制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量。

加入WTO之后，我国制造业正面临极大的考验和挑战。

我国制造业水平与发达国家相比，总体水平偏低，这直接影响到我国工业产品质量的提高和制造成本的降低，影响到我国工业产品的国际市场竞争力。

为改变这种落后状况，必须提高制造业的装备水平，特别是机床的数控化率。

购置数控机床是提高机床数控化率的途径；对旧机床进行数控化改造，也是提高机床数控化率的重要途径之一。

我国机电行业（包括机械、电子、汽车、航空、航天、轻工、纺织、冶金、煤炭、邮电、船舶等）拥有的机床结构比较陈旧，操作系统复杂，控制系统落后，生产效率低下，如果靠购置新的数控机床取而代之，显然耗资巨大，不符合国情。

因此，采用数控技术对现有机床进行改造，符合国家的产业政策。

另外，从市场容量来讲，不管是汽车制造业、模具制造业，还是军工企业，机床数控化改造都蕴藏着无限商机。

近年来，美国、日本、德国、英国、等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。

在美国，机床改造业被称为机床再生业；在日本，机床改造业被称为机床改装业。

机床改造业正逐步从机床制造业中分化处理，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。

1.3机床数控化改造的必要性和迫切性

从宏观上看，在20世纪70年代末、80年代初，工业发达国家的军、民机械工业，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，在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS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用品和民用品的市场上竞争了大为增强。

而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后约20年。

如在我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达20.8%。

随着我国现代化制造的不断推进，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和迫切性。

从微观上看，数控机床本身是高科技产品，它比传统机床有很多突出的优越性，这些优越性的发挥，是数控机床的性能有了质的提高，打了推动了制造也的发展。

传统机床经过改造后，得到了近似于数控机床的性能，也意味着我国制造业整体水平的提高。

第二章铣床机械结构的改造设计

2.1介绍

根据我国国情，八十年代在普通机床的改造方面，出现了以经济型数控系统改造普通机床，尤其是普车、普铣数控化改造的热潮，并逐步形成了经济型数控产业。

“八五”后期和“九五”，国家把旧设备的改造列入企业技术进步，工艺更新的一个重要途径，很多工厂把普通机床的数控化改造列入企业的发展计划，作为企业适应市场经济、提高产品市场占有率的一项措施。

普通铣床的经济型数控化改造，除了选择可靠性高、性能稳定的数控系统外，对铣床自身的改造也是一个很重要的环节。

普通铣床经济型数控化改造包括两个方面，即机床电气的数控化改造和机床本体的数控化改造。

2.1.1数控铣床机械结构的主要特点

数控铣床作为一种高速、高效和高精度的自动化加工设备，由于其控制系统功能强大，使机床的性能得到大大提高。

部分机械日趋简化，新的结构，功能不仅不断涌现，使得其机械结构和传统的机床相比，有了明显的改进和变化，主要体现在以下几个方面：

1.结构简单、操作方便、自动化程度高

数控铣床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度，主轴转速、刀具运动轨迹以及其它机床辅助机能（如：

自动换刀、自动冷却等）的控制。

它必须利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速，因此在机械结构上，数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般都非常简单；齿轮、轴类零件、轴承的数量大为减少；电动机可以直接联接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮。

在使用直线电动机、电主轴的场合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。

在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作结构比普通机床要简单得多，许多机床甚至没有手动机械操作机构。

此外，由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助机能，因此，常用的操作按钮也较普通机床少，操作更方便、更简单。

2.广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品

数控铣床进行的是高速、高精度加工，在简化机械结构的同时，对于机械结构传动装置和元件在数控铣床上得到广泛的应用。

如滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导轨、直线滚动导轨等高效执行部件，不仅可以减少进给系统的摩擦阻力，提高传动效率，而且还可以使运动平稳并获得较高的定位精度。

近年来，随着新材料、新工艺的普及、应用、高速加工已经成为目前数控铣床的发展方向之一。

快进速度达到了每分钟数十米，甚至上百米。

主轴转速达到了每分钟上万转，甚至十几万转，采用电主轴、直线电动机、直线滚动导轨新产品，新技术势在必行。

3.具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件

“工艺复合化”和“功能集成化”是无人化，柔性化加工的基本要求，也是数控机床的最显著的特点和当前的发展方向。

因此，自动换刀装置、动力刀架、自动排屑装置、自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少的，有的机床还带有自动工作台交换装置（APC）。

“功能集成化”是当前数控铣床的另一重要发展方向，随着数控铣床向无人化、柔性化加工发展，功能集成化更多体现在工件的自动装卸、自动定位；刀具的自动对刀、破损检测、寿命管理；工件的自动测量与自动补偿等功能上。

4.对机械结构、零部件的要求高

高速、高效、高精度的加工要求，无人化的管理以及工艺复合化、功能集成化一方面可以大大提高生产率，同时，也必然会使机床的开机时间、工作负载随之增加，机床必须在高负载下，长时间可靠工作。

因此，对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很高。

2.1.2数控铣床对机械结构的基本要求

1.具有较高的静、动刚度和良好的抗振性

铣床的刚度反映了机床结构抵抗变形的能力。

铣床变形所产生的误差，通常很难通过调整和补偿的办法予以解决。

为了满足数控铣床高效，高精度、高可靠性以及自动化的要求、与普通铣床相比，数控铣床应具有更高的静刚度。

此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗振性，避免切削是的共振和颤振，而提高结构的动刚度是提高机床抗振性的基本途径。

2.具有良好的热稳定性

铣床的热变形是影响铣床加工精度的主要因素之一。

由于数控铣床的主轴转速、快进速度都远远高于普通铣床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承和导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑影响，使得数控机床的热变形影响比普通铣床要严重的多，虽然在先进的数控系统中具有热变形补偿功能，但是它并不能完成消除热变形对于加工精度的影响。

因此，在数控铣床上还应采取必要的措施，尽可能减少机床的热变形。

3.具有较高的运动精度与良好的低速稳定性

利用伺服系统代替普通铣床的进给系统是数控铣床的主要特点。

伺服系统的最小移动量（脉冲当量），一般只有0.001mm，甚至更小，最低进给速度，一般只有1mmmin，甚至更低，这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能低速稳定性，才能对数控系统的位置指令作出准确的响应，从而得到要求的定位精度。

传动装置的间隙直接影响铣床的定位精度，虽然在数控中可以通过采取间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除，特别是对于非均匀间隙，必须采用机械消除间隙措施，问题才能得到较好地解决。

4.具有良好的操作、安全防护性能

方便、舒适的操作性能，是操作者普遍关心的问题。

在大部分数控铣床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整等还需要操作者完成；机床的维修更不可能离开人。

而且由于加工效率的提高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁。

因此，良好的操作性能是数控机床设计时必须考虑的问题。

数控铣床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互锁、安全防护性能等要求比普通铣床要高的多。

同时，数控铣床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑，冷却液的飞溅，数控铣床通常都应采用封闭或半封闭的防护形式，增加防护性能。

2.2铣床主传动系统的数控化改造

2.2.1主传动系统的基本要求和变速方式

数控铣床和普通铣床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的转速，以适应不同的加工要求，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的扭矩，满足切削的需要。

数控铣床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求如下：

（1）为了达到最佳切削效果，一般都应在最佳切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。

（2）要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高速、高效的加工需要。

（3）为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。

（4）在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需要的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。

（5）为了扩大机床功能，实现对C轴位置（主轴回转角度）的控制，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。

主传动的无级变速通常有以下三种方法：

（1）采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动，在早期的控制机床或大型数控机床（主轴功率超过100kw）上，也有采用直流主轴驱动系统的情况。

（2）在经济型、普及型数控机床上，为了降低成本，可以采用变频器带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式。

（3）在高速加工机床上，广泛使用主轴和电动机一体化的新颖功能部件——电主轴。

电主轴的电动机转子和主轴一体，无需任何传动件，可以使主轴达到数万转，甚至十几万转的高速。

但是，不管采用任何型式，数控机床的主传动系统结构都要比普通机床简单的多。

2.2.2XA5032型铣床数控化改造主轴系统的设计

1．主传动

主传动由FANUCа8AC驱动，经一对减速为1：

2的齿形带轮和同步齿形带传到主轴（见图2.2）

机床主轴电机7.5kw，交流变频调速，主轴具有恒转矩，恒功率调速特性及失速防止、过流、过载保护等功能。

2．主轴箱

主轴箱结构见图2.2，箱体材料为HT20-40铸铁件，主轴轴承采用前轴承轴向固定，后轴承可游动的支承方式，前轴承用两个角接触向心球D46118轴承，后轴承用一个深沟球E317轴承。

主轴锥孔的锥度为NO3（7：

24），用于安装铣夹头或钻夹头刀柄，并用二个端面键，传递铣削或钻削扭矩，铣夹头或钻夹头刀柄，用拉杆拉紧在主轴锥孔内。

为保证主轴箱在伺服电机断电后，不会因自重而下滑，在立柱内腔设有与主轴箱相连结的钢丝绳、滑轮、平衡块等组成的平衡装置。

图2.2

2.3XA5032型铣床数控化改造主轴系统计算设计

2.3.1主传动中同步带传动设计

（1）给出传动要求

1）传动的功率Pw=7.5Kw

2）主动轴转速n1=1500rmin；传动比i=2；

3）中心距要求300mm左右；

4）电动机7.5KwFANUCα8AC；

5）动转时数每天16小时；

6）其它带轮直径不受限制；

（2）选择带的型号和节距

1）计算设计功率Pd

a.查书《实用电子机械设计手册》，由表6-61得载荷Ko=1.7，因未使用张紧轮，又是减速运动，故表的附加修正系数为零。

b.计算设计功率Pd=KoPm=1.7×7.5=12.75Kw

2）选择带的型号和节距

由Pd=12.75Kw和n1=1500rmin，从《实用电子机械设计手册》图6-9查得带的节距代号为H，对应的节距为Pb=12.700mm

（3）确定带轮直径和带节线长

1）确定带轮直径d

由《实用电子机械设计手册》表6-69的：

H型带，小带轮转速n1=1500rmin时，带轮最小许用齿数为Z1=18。

取小带轮齿数Z1=24。

传动比i=2，Z2=2×24=48

小带轮直径为d1=PbZ1π=12.7×243.14=97.07mm

大带轮直径为d2=PbZ2π=12.7×483.14=194.14mm

2）选择带长Lp

Lp=2acosφ+π（d1+d2）2+πφ（d2-d1）180

式中，φ=arcsin（d2-d12a）=arcsin（97.07600）=9.31。

所以Lp=592.096+457.19+15.765=1065.05mm

按表6-59取标准值Lp=1066.8mm

该带齿数为Zb=84

3）传动中心距的计算

按近似公式计算：

a=M+

（4）选择标准带宽

1）确定基准额定功率

小带轮齿数=24，转速=1500rmin，由表6-66内插法得H型带的基准额定功率

2）确定额定功率P

a．啮合齿数系数

啮合齿数

，故

b．带宽系数

（查表6-62）

c．额定功率P

3）选择带宽

根据设计要求，

故带宽

按表6-58选择带宽，（标准值）

4）工作能力验算

a．许用工作拉力有表6-61得

b．单位长度质量由表6-61得

c．带的圆周速度

d．工作能力验算

（5）额定功率大于设计功率，故带的传动能力足够

结果整理

1）带选用H型同步带

2）带轮

3）传动中心距

2.3.2主轴的设计

（1）初步估算轴的直径

选取轴的材料为调质处理，由式得，，取

同步齿形带作用在主轴上的力为：

主轴上转距为：

圆周力

径向力

（2）轴的结构设计

确定各轴段直径和长度

①段，由螺母（GB812-88）厚度定，

②段为固定螺母，，由同步带大带轮

③段为固定轴承，，由套筒长度得

④段，由轴承长度，

⑤段参考原主轴，，

（3）绘制轴的弯矩图和扭矩图

L1=100mm，L2=189mm，L3=208mm

H水平面

Fr=168.318N，

V垂直面

Ft=462.449N，

求弯矩

H水平面

，

V垂直面

，

合成弯矩M

明显判断出C点为危险截面，所以

扭矩T

弯矩图、扭矩图见下图

（4）按弯矩合成强度校核轴的强度

当量弯矩

轴的材料为调质处理，查表得

根据计算结果可知，该轴满足强度要求。

（5）精确校核轴的疲劳强度

1）判断危险截面

危险截面应该是应力较大，同时应力集中较严重的截面。

从受载情况观察，两角接触轴承中心虽最大，但应力集中不大，而且这是轴径较大，故不是危险截面，危险截面在前端轴承左侧，该截面较大，应力较集中。

2）计算危险截面应力

截面右侧弯矩为

截面上的扭矩T为