数控铣床的改造.docx
《数控铣床的改造.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控铣床的改造.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
数控铣床的改造
第一章概述
1.1课题研究的背景必要性
随着科学技术的发展，机械产品日趋精密、复杂、而且产品的生产周期短、改型频繁。
这不仅对机床设备提出精度与效率的要求提出了通用性与灵活的要求。
特别是航空、造船、武器、模具生产等精密加工的零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。
因此机械产品部件的生产设备机床也相应的提出了高性能、高精度化的要求。
利用计算机控制数控机床进行加工使得零件的加工变得十分的方便、快速，很大程度上节约了人力和物力的使用，使得工业自动化程度更高。
但是许多企业由于资金等方面的约束不能及时引进先进数控机床，这样制约了生产率的提高，不利于自动化程度的提高。
因此各种机床的数控改造开发成为众多专业技术人员研究的一。
数控，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，其对零件的加工相比普通机床有着很多的优点：
（1）自动化程度高，劳动强度低。
（2）加工精度、加工质量稳定可靠。
（3）对零件加工的适应性强，灵活性好，能加工形状复杂的零件。
（4）加工生产率高。
（5）有利于生产管理的现代化。
（6）对加工对像的适应性强。
并且目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。
所以普通机床越来越难以满足加工的要求，同时由于技术水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床的数控化改造也应是越来越广泛，依照设计任务本设计对X53K立式铣床进行了数控化改造。
1.2数控技术的发展过程
随着计算机技术应用到机床上，机械产品的质量在很大程度上不再依赖于机床操作者的操作水平，能实现复杂零件的加工。
近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段、六代的发展
（1）硬件数控阶段
50年代至70年代初期，计算机的运算速度低，不能适应对机床进行实时控制的要求，人们不得不采用数字逻辑电路搭成机床专用的计算机，作为数控系统，被称为硬件数控系统。
随着元器件的发展，这个阶段经历了三代：
1）1952年开始的第一代一电子管元件。
2）1959年开始的第二代一晶体管元件。
3）1965年开始的第三代一小规模集成电路。
（2）软件数控阶段
软件数控阶段也叫计算机数控（CNC）阶段，是数控系统的第二阶段（1970年〜现在）,这个阶段同样经历了三代：
1）1970年开始的第一代一小型计算机。
2）1974年开始的第二代一微处理器。
3）1990年以后的第三代一PC机。
从1970年开始，通用小型计算机业己出现，并成批生产，它比专用计算机成本低，可靠性高，数控系统进入CNC阶段。
1971，产生了微处理器，1974年，微处理器被应用于数控系统，1990年，PC机的性能已发展到很高的阶段，可满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量大，价格便宜，可靠性高，数控系统从此进入基于PC的阶段。
数控系统经历了几十年来的发展，到了20世纪70年代后期，才从根本上解决了可靠性低、价格昂贵、应用不便等关键问题。
因此，即使在工业发达国家，数控机床也是在70
年代末80年代初才开始得到大规模应用和普及的。
1.3数控技术的发展趋势
随着计算机技术及信息处理的发展，数控技术未来发展的趋势主要体现在以下几个方面：
（1）开放式、低成本、高可靠性
PC机所具有的人机界面将普及到所有的数控系统，远程通讯诊断和维修将更加普
（2）高速化、高精度
数控系统高速处理并计算出伺服电机的移动量，并要求伺服电机能高速度地做出反应，为使在极短的时间内达到高速度和高速度下实现高定位精度，必须具备高加减速和高精度的位置检测系统和伺服品质。
（3）智能化
1）应用自适应控制技术、数字伺服驱动装置
数控系统能检测加工过程中的一些重要信息并自动调整系统的有关参数，使机床处于最佳工作状态。
2）引入专家系统指导加工、故障诊断
将熟练工人和专家的经验、加工的一般规律与特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。
（4）网络化
通过网络连接，构成一个整体的系统解决方案，通过网络高速传输数据，进行整体化、一元化管理。
（5）直线交流伺服系统
直线交流伺服系统是21世纪数控机床不可缺少的功能部件。
目前我国还没有成熟产品，因此应加强研究，开发和推广应用。
1.4国内外现状
当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。
长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，己形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早己成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。
较著名的控制系统有：
日本FANUC系列、Mitsubishi系列、OKUM系列、SODICK系列、日立系列、德国SIEMENS系列、DECKER列、Heidenhain系列、HELLER系列、美国ALLEN-BRADLEY（AB系列、CINCINNANT系列、法国Num系列、意大利FIDIA系列、西班牙FAGO系列、瑞士的AG系列、国产系列等。
在美国、日本和德国等发达国家，它们将机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，
正处在黄金时代。
由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。
我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。
在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，己形成了机床和生产线数控改造的新的行业。
在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。
从事再生业的著名公司有:
Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。
美国得宝公司己在中国开办公司。
在日本机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。
从事改装业的著名公司有：
大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。
赶上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，使之既适合加工复杂零件、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：
（1）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BS91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。
（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，但是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。
1.5主要研究内容和意义
1.5.1课题的主要研究内容总述
自80年代中期起，我国有些企业就陆续引进了一些当时在国内外处于领先地位的数控机床，这些设备在这些企业的生产中都发挥了很大的作用。
几十年来虽然我国的数控技术得到了快速发展，但由于原有数控大国数控技术的飞速发展，尤其是国内各方面条件的限制，使得我国的数控技术发展还处于相对被动、落后的处境。
比如由于资金限制和加工需要的局限性等，许多企业选择对原有机床进行改造。
就这一问题，现以X53K立式铣床数控化改造为例浅述一种铣床数控化改造的思路：
在保持机床原有结构、传动系统等方面的优势的基础上，进行相对简易的改造，加上数控系统，使改造后的机床能够具备正常数控铣床的功能。
基于以上思考本课题研究的内容如下：
（1）课题名称：
基于X53K立式铣床的数控化改造说明
（2）课题的总体要求：
将铣床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控铣床，步进电机开环控制，要求具有直线和圆弧插补功能。
机械部分要求计算，硬件电路部分要求用8031作CPU控制系统中要求包括扩展程序存储器、扩展数据存储器、I/O接口芯片、译码电路及键盘、显示等外设、硬件电路要求包括3个坐标系统。
对软件系统部分进行简要的说明。
1.5.2机床改造各系统设计的思路
按照课题设计的总体要求，结合实际情况。
我们必须全面考虑机械部分和伺服系统部分各方面的改造，并协调好各部分设计的配合。
现各系统部分的主要改造思路如下：
（1）驱动系统设计采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统。
这样可使控制系统结构简单，成本低廉，调试和维修都比较容易。
内循环更换为滚珠丝杠螺母副，内循环螺纹调整用双螺母滚珠丝杠螺母副，齿轮箱装有三个齿轮。
（2）进给传动系统设计纵向、横向、垂向进给箱齿轮全部拆除，拆纵向、横向、垂向进给手柄，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。
丝杠拆去，换上滚珠丝杠，并由齿轮箱与滚珠丝杠连接，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。
改造后的X53K铣床定位精度、重复定位精度都将得到很大提高。
（3）将原来机床横向进给手轮，刻度盘及前面的护盖拆去，将螺杆换成NL3005滚珠丝杆，仍利用原来的一对圆锥滚子轴承，齿轮箱体直接装在升降台上。
为了将步进电机
装在升降台右侧，齿轮箱体的后面，以便工人操作，必须加大丝杆中心与电机轴的中心距。
（4）数控系统的设计采用高性能价格比的MCS-51系列单片机扩展系统。
CPU采用8031单片机控制系统。
同时考虑到8031内部只有128B的数据存储器也远不能满足控制的要求。
故扩展了16KB程序存储器由两片2764组成，又扩展了一片6264数据存储器。
8031芯采用模块化设计方案，从总体上分为人机界面模块、坐标进给模块、变频调速控制模块、串行通信模块、液压系统、冷却系统、润滑系统。
利用变频调速的原理，设计主轴的无级变频调速系统；通过插补算法，实现步进电机的准确定位以便达到工件的精确度；通过键盘和显示模块，实现程序的编辑和显示；通过其他辅助系统的设计，实现机床功能的数控化。
1.5.3课题研究的相关参数及改造机床的功能分析
（1）铣床数控化改造的相关参数
铣床数控化改造应用参数主要包括铣床的部分技术参数和设计
数控进给系统所需的参数。
主要参数如下：
数控化改造参数：
工作台尺寸：
400X1600mm
工作台行程：
纵向：
880mm
工作台及夹具工作重力：
纵向：
3500N
工作台进给速度：
纵向：
1.4m/min
主电机功率：
10KW
起动加速时间：
30ms
定们精度：
土0.01mm
代码制：
ISO
输入方式：
增量值、绝对值通用
控制坐标数：
3
最小指令值：
0.01〜0.005/脉冲
自动升降速性能：
有
控制系统用CPU:
8031单片机
（2）改造后的数控铣床功能分析
根据设计要求，改造后的数控铣床应具有以下功能：
1）可以实现程序的编辑和存储功能。
2）可以在平面或空间范围内按设定曲线（直线、圆弧等）恒速或变速运
行。
3）可以实现数值的任意设定并显示。
4）可以实现辅助控制系统的任意起停和故障报警
5）可以实现与上位机的通讯。
1.5.4课题研究完成的主要内容
（1）数控铣床常识
1）数控铣床的主要系统组成及工作原理。
2）数控铣床的加工范围及分类。
3）数控铣床的主要功能。
4）数控铣床的选用。
（2）X53K立式铣床简介
1）X53K立式铣床的概述及部分结构图。
2）X53K立式铣床的结构特点。
（3）计算机数控系统的基础
1）计算机数控系统简介。
2）计算机数控系统组成及其控制对象。
（4）步进电机和用微机控制下的步进电机的原理以及两者的对比
（5）铣床改造中应注意的问题及总结
1）铣床数控化改造中应注意的问题。
2）铣床数控化改造总结。
（6）铣床数控化系统改造的总体要求总体方案和框图的拟定
1）铣床数控化改造的总体要求。
2）系统总体方案的确定。
3）系统总体方案框图。
（7）进给机床进给伺服系统机械部分计算
1）工作台外形尺寸及重量估算
2）钻削计算。
3）铣削力计算。
4）滚动导轨的参数确定。
5）滚珠丝杠的设计计算。
6）步进电机的选用。
7）确定齿轮传动比及模数和有关尺寸。
8）设计绘制纵横向进行机构装配图。
（8）微机数控系统硬件部分
1）控制系统的功能。
2）CPU和存储器。
3）I/O接口电路。
4）控制线及其他辅助电路。
（9）数控系统软件部分简介
1）数控系统软件部分概述。
2）步进电动机程序设计的主要任务的介绍。
（10）工作总结与展望
1）工作总结。
2）课题展望。
1.5.5机床数控化改造的意义
旧机床数控化系统改造具有多方面的意义：
首先，对原有机床进行升级改造，使机床
“起死回生”，增加了机床的使用寿命，拓展了机床的适用范围，提高了机床的加工性能。
再有，由于是对原有机床进行的改造，使企业节省了成本，减少了机床废弃的浪费；使本企业的原有操作人员更容易加快熟悉其全部的操作流程。
由此可见，对原有机床进行数控化改造，对资金和技术要求相对较低。
对像我国这样的发展中国家的企业具有深远的意义。
1.6本章小结
本章节首先介绍了数控技术的背景发展历程，进而分析了数控技术的国内外现状及未来趋势，最后介绍了研究的主要内容和意义。
第2章铣床简介和计算机控制概述
2.1数控铣床概述
2.11数控铣床组成及工作原理
数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的，两者的加工工艺相同，结构也有些相似,
但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床，所以其结构也与普通铣床有较大区别。
数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组
成：
（1）主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接影响。
（2）进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。
（3）控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。
（4）辅助装置如液压、气动、冷却和润滑系统和排屑、防护等装置。
（5）机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。
数控铣床加工过程示意图如下：
II1111K
加工1W
f编译瓯円—數据业理f插补讣算f创观控制
图2-1数控铣床加工过程示意图
2.1.2数控铣床加工范围及分类
数控铣床主要能铣削平面、沟槽和曲面，还能加工复杂的型腔和凸台。
数控铣床主轴安装铣削刀具，在加工程序控制下，安装工件的工作台沿着X、丫、Z三根坐标轴的方向运
动，通过不断改变铣削刀具与工件之间的相对位置，可加工出符合图纸要求的工件。
数控铣床的分类：
（1）根据主轴位置布置分类：
根据主轴位置布置的不同，数控铣床可分为立式数控铣床和卧式数控铣床等。
（2）按系统功能分类：
按系统功能的不同，数控铣床可分为经济型数控铣床、全功能数控铣床、高速数控铣床和龙门数控铣床等。
2.1.3数控铣床的主要功能
数控铣床的主要功能有：
（1）
平面直线插补功能；
（2）
空间直线插补功能；
（3）
平面圆弧插补功能；
（4）
逼近圆弧插补功能；
（5）
孔加工固定循环功能
2.1.4数控铣床的选用
对于加工不同情况的零件，需选用不同的数控铣床。
现相关选择方法如下：
（1）根据被加工零件的尺寸选择
规格较小的升降台式数控铣床，其工作台宽度多在400mn以下，它最适宜中小零件的
加工和复杂形面的轮廓铣削任务。
规格较大的如龙门式铣床，工作台在500〜600mn以上,
用来解决大尺寸复杂零件的加工需要。
（2）根据加工零件的精度要求选用
我国已经制定了数控铣床的精度标准，其中数控立式铣床升降台铣床已有专业标准标准规定其直线运动坐标的定位精度为0.04/300mm,重复定位精度为0.025mm铣圆0.035mm实际上，机床出厂精度均有相当的储备量，比国家标准的允许差值大约压缩20%左右。
因
此，从精度选择来看，一般的数控铣床即可满足大多数零件的加工需要。
对于精度要求比
精选文库较高的零件，则应考虑选用精密型的数控铣床。
（3）根据加工零件的加工特点来选择
对于加工部位是框形平面或不等高的各级台阶，选用点位一直线系统的数控铣床即可。
如果加工部位是曲面轮廓，应根据曲面的几何形状决定选择两坐标联动和三坐标联动的系统。
也可根据零件加工要求，在一般的数控铣床的基础上，增加数控分度头或数控回转工作台，这时机床的系统为四坐标的数控系统，也可以加工螺旋槽、叶片零件等。
（4）根据零件的批量或其他要求选择
对于大批量的零件加工，可采用专用铣床。
如果是中小批量而又是经常周期性重复投产的话，那么采用数控铣床是非常合适的，因为第一批量中准备好的夹具、程序等可以存储起来重复使用。
从长远考虑，自动化程度高的铣床代替普通铣床，减轻劳动者的劳动量提高生产率的趋势是不可避免的。
2.2X53K立式铣床简介
2.2.1概述及部分结构图
（1）X53K立式铣床是一种具有广泛用途的通用铣床，该机床由端面铣刀及各种成型铣刀来加工多种类型的零件。
并且该型号机床一般都具备足够的功率和较广的调速范围
（主轴转速和进给量），因此，可以充分利用硬质合金刀具来进行高速铣削。
X53K立式铣
床外形图如图2-2所示。
图2-2X53K立式铣床外形图
（2）相关参数如表2-1所示。
表2-1X53K立式铣床的相关参数
机床参数名称
单位
数值或数值范围
主轴端面至工作台距离
mm
35-500
主轴中心线到床身垂直导轨的距离
mm
450
主轴孔锥度
——
7:
24
主轴孔径
mm
29
主轴安装刀杆直径
mm
32-50
主轴安装刀杆直径
mm
30-1500
立铣头最大回转角度
+45
主轴轴转向移动距离
mm
85
工作台工作面（宽度X长度）
mm
400X1600
纵向（手动/机动）
mm
900/880
横向（手动/机动）
mm
315/300
垂向（手动/机动）
mm
385/365
纵向工作台进给范围（18级）
m/min
23.5-1180
横向工作台进给范围（18级）
m/min
15-786
垂向工作台进给范围（18级）
m/min
8-394
纵向工作台快速移动速度
m/min
2300
垂向工作台快速移动速度
m/min
770
横向工作台快速移动速度
m/min
1540
电机总容量
kw
13.125
外形尺寸（长X宽X高）
mm
2556x2159x2258
重量
kg
4250
（3）利用UG三维软件对组成铣床的各部分进行绘制，通过上面的方法建立的数控铣
床几何模型如图2-3所示
图2-3数控铣床几何模型
我们首先对铣床进行拆分，将在数控机床加工中的一些辅助结构进行省略而只保留一
些重要的部分。
一般数控铣床的基本组成包括：
床身、主轴、工作台（X轴、Y轴、刀具等部分。
下图是铣床的一个简单的结构划分图：
机床几何体
「作台主轴床射7JA
方向方向-方向
（4）铣头简介
机床的铣头是机床结构中较灵活的部件之一，它各方面的参数性能的好坏将直接影响其所加工工件的精度高低、质量好坏。
1）铣头的三维模型如图2-5所示。
图2-5用UGE维设计的立式铣头装配图
1-法兰盘；2-铁丝；3-轴承；4-半圆环；5-M6螺钉；6-挡油环；7-主轴
2.2.2结构特点
X53K立式铣床的结构特点主要有：
（1）机床结构刚性好,能承载重负荷切削。
（2）机床主轴电机功率高，变速范围广，充分发挥刀具效能•可进行高速切削。
（3）机床易磨损铸铁采用钒钛耐磨铸铁，重要的传动零件采用优质合金钢保证机床的耐用性和稳定性。
（4）机床有完善的润滑系统。
2.3计算机数控系统的基础
2.3.1计算机数控系统的概念及构成
计算机控制系统是建立在计算机控制理论的基础上的一种以计算机为手段的控制系统。
若计算机是微型机，则称微型机控制系统。
由模拟控制系统构成计算机控制最直接的方法是将图中的模拟控制器转化为计算机，再配以A/D,D/A等，即可构成计算机控制系统。
这也是计算机控制系统与模拟控制系统的区别与联系。
如图2-7、图2-8所示。
图2-7模拟控制系统
2.3.2计算机控制系统的特点及组成
（1）计算机控制系统的基本特点：
1）出入计算机的信号均为二进制数字信号，因此需要D/A,A/D。
2）控制信号通过软件加工处理，充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆能力，因
此，改变控制算法只要改变程序而不会改动硬件电路。
（2）计算机系统控制的组成：
1）被控制对象
a.生产过程
b.检测元件
c.执行机构
2）计算机组成
a.主机、外设、接口、I/O通讯。
b.系统软件：
系统软件是指帮助人们使用和管理计算机的一些软件，如一些高级语界时编译系统等。
c.应用软件：
应用软件是指用户自己编制的为完成具体任务的一些程序，如数据处
理、控制算法、报警、事故处理等程序。
2.4步进电机和用微机控制下的步进电机的对比
2.4.1典型的步进电机控制系统及特点
典型的步进电机控制系统如图2-9所示
肚冲
步进电机控制主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。
步进控制器是由缓冲寄存器、环行分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。
它的作用就是能把输入的脉冲转换成环行脉冲，以便控制步进电机，并能进行正、反向控制。
功率放大器的作用是把控制器输出的环行脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。
在这种控制方式中，由于步进控制器线路复杂、成本高，因而限制了它的应用。
242用微型机控制的步进电机及工作原理
如果采用计算机控制系统，由软件代替章节2.4.1讲述的步进控制器，则问题将大大
简化，这不仅简化了线路，降低了成本，而且可靠性也大大提高。
所以在数控化系统改造中我们我们通常采用微型计算机控制。
其结构框图如图2-10所示。
徽
接
驱
步
型
—
1口
—N
动
进
电
V
机；
载
机
;器
—-I.丨
图2-10用微型机控制步
升级会员 