XK715B数控铣床改造Y向.docx
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XK715B数控铣床改造Y向
目录
一、设计题目及任务······························2
二、前言····································3
三、机床数控改造的意义··························4
四、机床改造概述及改造背景······················4
五、Y向改造方案的确定··························5
六、机床机械部分设计····························9
七、数控系统及伺服系统的改造····················12
八、功能确定及分布······························14
九、机床调试验收································15
十、结束语······································20
十一、参考文献··································21
设计题目及任务
XK715B数控铣床改造Y向
根据所给条件，完成XK715B数控铣Y向改造工作
一、已知条件：
1、主轴电机最大功率为12KW，恒扭矩27N·M
2、Y向运动部件自重500Kg，滑动导轨，水平移动（铸铁—塑料）
二、要求：
1、说明书部分
1）Y向数控化改造方案的确定（机械部分和系统部分）
2）相关计算过程及元件选用
3）安装、调试过程说明
2、图纸部分
1）Y向数控化改造总装图
2）电机安装支架图
前言
数控铣床是一种应用很广的数控机床，分为数控立式铣床、数控卧式铣床和数控龙门铣床。
XK715B数控铣床主要由床身、铣头、纵向工作台、横向床鞍、升降台、电气控制系统等组成。
能够完成基本的铣削、镗削、钻削、攻螺纹及自动工作循环等工作，可加工各种形状复杂的凸轮、样板及模具零件等。
图为数控铣床的布局图，床身固定在底座上，用于安装和支承机床各部件，控制台上有彩色液晶显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。
纵向工作台、横向溜板安装在升降台上，通过纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机和垂直升降进给伺服电机的驱动，完成X、Y、Z坐标的进给。
电器柜安装在床身立柱的后面，其中装有电器控制部分。
数控机床与普通机床相比较的特点：
1）数控机床采用数控装置或电子计算机，全部或部分的取代一般通用机床在加工零件是对机床的各种动作；
2）数控机床加工零件的所有机械动作，都可以转化为指令形式并将按一定工作顺序制成零件程序以控制机床；
3）对机床对象有较强的适应性，对加工小批量复杂的零件有极其显著的优势性；
4）可降低劳动强度，准备工时短，生产周期短。
机床数控改造的意义
一、节省资金。
机床的数控化改造同购置新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机床60%的费用，并可以利用现有地基。
二、性能稳定可靠。
因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。
三、提高生产效率。
机床经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至5倍。
对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。
且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。
机床改造概述及改造背景
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。
数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。
然而，现代的数控机床不是简单地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、抗振性差、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。
现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。
本次改造主要是将XK715B机床的Y向进行改进，提高其使用价值。
Y向改造方案的确定
Y向改造方案的确定方案的内容包括：
系统运动方式的确定；伺服系统的选择；执行机构的结构及传动方式的确定；数控控制系统的选择等内容。
应根据设计任务和要求进行调研，查阅技术资料，提出改造的总体方案，并对方案进行分析比较和论证，最后确定总体方案。
确定方案时，应仔细考虑机床与控制部分相互之间的各种要求，做出合理的设计。
不仅要考虑各种高性能、自动化要求，也要考虑被改造机床的具体条件，使技术的先进性与经济的合理性较好地统一起来。
查看有关资料，并且参照以往数控机床的改造经验，确定总体改造方案为：
1）对机床的改造部位是：
拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；各丝杠末端加装带编码器的伺服电机；
2）数控系统选用西门子数控系统。
查看XK715B铣床有关资料，并且借鉴以往数控机床的改造经验，我们对数控系统的选型初步选定了三种，即SIEMENS802C/S、SIEMENS802D、FANUC0I-T。
这三种数控系统的特点以图表形式列出：
数控系统
系统控制/联动轴数
工作模式组
PLC控制输入/输出点数
运动方式
伺服驱动系统
系统价格
SIEMENS802S
3/3
自动、半自动、手动、回零
50/50
直线插补、圆弧插补
步进电机
80000元左右
SIEMENS802C
3/3
同上
50/50
同上
SIEMENS1FK7伺服电机
100000元左右
SIEMENS802D
4/4
同上
100/100
同上
带PROFIBUS接口的SIEMENS1FK7伺服电机
160000万左右
FANUC0I-TB
4/4
同上
96/49
同上
FANUC交流伺服电机
200000万左右
通过以上方案分析论证，最终确定总体改造方案为：
1）控制系统的选择
根据新型机车轮毂的外型特点及加工要求，确定选择西门子820D控制系统，对该设备的Y向进行控制；并实现Y向的联动。
2）伺服系统的选择
伺服根据改造后该设备加工零件的精度要求，确定选择编码器半闭环控制系统。
3）执行机构结构的选择
执行机构的结构选择西门子伺服控制电机
4）机械传动方式的确定
机械传动方式采用滚珠丝杠副与电机用联轴节连接进行运动和力的传递。
5）机械精度的修复
机械精度的修复主要指Y向导轨精度的修复及主轴回转精度的修复等。
6）Y向导轨润滑装置
增加自动润滑装置润滑Y向导轨。
机械设计部分
滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。
滚珠丝杠副有多种结构型式。
按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。
外循环回珠器用插管式的较多，内循环回珠器用腰形槽嵌块式的较多。
按螺纹轨道的截面形状分为单圆弧和双圆弧两种截形。
由于双圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形，因此目前普遍采用双圆弧
截形的丝杠。
滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：
传动效率高、灵敏度高、传动平稳：
磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。
1）Y向进给机构的改造。
拆除原机床的进给箱，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装滚珠丝杠丝母固定支撑架。
滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用固定方式支撑。
伺服电机安装在机床的头部。
由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使Y向进给整体刚性略优于未改造前。
2）伺服电动机的类型
直流伺服电动机在结构上和传统的直流电动机没有区别，只是在设计时使其转动惯量较小，过载能力较强，具有较好的换向性能。
而交流伺服电动机克服了前者的电刷和整流子经常维修，尺寸较大，容量和使用环境受到限制等缺点，所以采用交流伺服电动机。
3）伺服电动机与丝杠的联接
伺服电动机与丝杠的联接，必须无间隙。
只有这样才能准确执行系统发出的指令，在数控机床中伺服电动机与滚珠丝杠的联接方式采用齿轮减速式，这种方式在数控机床应用普遍，特别是经济型数控机床。
4）滚珠丝杠副的防护和润滑
滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。
Y向伺服电机和滚珠丝杠全部加防护罩，以保持防尘和机床整体美观。
润滑剂可提高耐磨性及传动效率，分润滑油和润滑脂两大类。
润滑油一般为全损耗系统用油；润滑脂可采用锂基润滑脂。
润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂。
数控系统简介
根据机床加工的需要，这项改造只需要对Y向坐标进行数控控制。
数控系统采用西门子实现对各坐标的进给控制和对各坐标超程的检测以及对冷却泵电机、润滑泵电机、照明工作灯的开启和关闭的控制。
Y向坐标驱动采用带编码器的伺服电机实现半闭环控制。
机床的调试
接口电路和强电逻辑回路需交叉设计，还应制造、安装、调试，这是改造的关键之一。
一般应预先将数控系统、接口电路等脱机运行，机械及液压气动装置也应单独运行，在确定无误后，才能联机调试。
调试时应遵守先手动、后自动，先空运行、后试切的原则。
调试合格后，要按设计要求进行负荷切削试验和各项精度指标的考核，直至加工出合格的产品为止，然后交使用单位使用，并协助培训操作和维修人员。
机床机械部分设计
1、机械部分改造设计与计算
机械部分设计内容包括：
相关计算过程及元件选用。
（1）切削力与切削功率计算
利用下面公式：
切削功率Pc=P·η·K
P——电机功率18KW
η——传动效率0.8
K——功率系数0.96
计算切削功率得：
Pc=9.216KW
（2）Y向摩擦阻力的估算
Y向运动部件自重约：
4900N
Y向运动部件之间摩擦系数（铸铁对铸铁）：
0.18
Y向摩擦阻力：
FMY=4900×0.18=882N
（3）切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大（或扭矩）和最大切削速度（或转速）来计算，即
Pc=FYv10-3/60或Pc=Tn/9550
式中FZ——主切削力（N）；v——切削速度（m/min）；
T——切削转矩（Nm）；N——主轴转速（r/min）。
取v=400m/min
FQ=60Pc103/v=60×9.216×103/400=1382.4N
在一般外圆车削时取Y向分力为：
FQY=0.6FQ=829.44N
（4）Y向坐标运动时的工作阻力
Y向坐标运动时的工作阻力：
FY=FMY+FQY=882+829.44=1711.44N
（5）伺服电机扭矩的计算
由于主轴电机最大功率为12kw横扭矩为27N.m
根据Pc=Tn/9550得n=4244
又根据公式FY=60Pc103/v和Pc=Tn/9550
得Y向扭矩T=9550FYv10-3/（60n）=25.7Nm
（6）联轴器的选择
选择无间隙的联轴器。
其结构简单，成本低，传递的转矩较大，使用与刚性大，振动冲击小和地速大转矩的连接场合，是应用最广的一种刚性联轴器。
（7）轴承的选择
考虑丝杠的受力情况，选择角接触球轴承。
它能够同时承受轴向力和径向力。
再根据丝杠的直径，在此确定轴承的型号为7008AC。
2、机床改造后的机械结构特点
（1）此Y向滚珠丝杠比较长，所以必须采用三点支撑形式。
考虑到角接触球轴承能够同时承受轴向力和径向力，因此在丝杠的左右端各设计了一个专用轴承支座，分别采用一对角接触球轴承来支撑丝杠。
由于拆除了走刀箱，在原走刀箱部位设计了一个滚珠丝杠的丝母支架，用来固定丝母，并起到了支撑丝杠的作用，消除了因丝杠自重引起的弯曲，从而提高滚珠丝杠转动时的稳定性。
并根据机床的结构，将伺服电机放在床身头部，丝杠与电机用联轴节连接。
因为所选用的丝杠和电机都是采用的无键连接，所以，联轴节也采用了无键连接的锥套式联轴节，这样使得丝杠与电机的连接更加方便、可靠，并且使得联轴节的径向尺寸缩小，节省了空间与零件数量，使结构更加紧凑。
根据机床的实际使用情况和要求，这次改造保留了所必需的开关
杠。
主轴的正反车与刹车均由开关杠来实现。
（2）导轨副仍采用机床原来的导轨副，不作改动。
（3）润滑装置
取消Y向导轨手动润滑装置，增加自动装置。
3、安装调整中应注意的问题
（1）利用垫片调整装置调整丝杠副的间隙时，应使调整后产生的预紧力为丝杠副最大负载的1/3为宜。
在实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝杠内部仍不产生间隙，或者间隙量小于0.02mm，而且运动灵活，并以此作为丝母间隙调整装置预紧量的判断标准。
（2）滚珠丝杠副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂，都是由专业工厂按系列化进行生产的。
因此，在进行设备改造时，要按厂家的生产标准进行选择。
选择到合适的丝杠后，再决定被改造设备的其他相关部分的结构和尺寸.
数控系统及伺服系统的改造
XK715B铣床主轴电机由原来的改发那克成西门子，并采用微机控制其启动和停止。
对机床Y轴进行伺服驱动，数控自动控制。
因为本机床改装后为丝杠与伺服电机直接相连，所以间隙和噪音很小。
并采用半闭环调速控制，控制比较精确。
1、整个改造工作的流程
（1）改造方案的总体设计，数控系统选型、订购。
（2）系统柜设计制作。
（3）数控系统和电气系用柜内安装到位。
（4）数控系统和电气系统连线，以及和机床，机床系统柜的连线。
（5）电机及限位开关，润滑油泵电机，主轴电机，冷却液泵电机，照明工作灯与系统连接。
（6）电机和机床连接盖板的设计。
（7）梯形图编写，机床参数确定。
（8）调试，并试切验收零件。
（9）文件整理、交接。
其中改造方案的总体设计有以下原则：
（1）功能改造后的数控机床应具有何种功能。
目前市场上可购置的数控系统基本上可以满足用户的绝大部分功能需要。
但有些特殊功能仍需要在订货时加以声明，例如数字仿形功能、自动测试功能等。
并以功能需求出发来订购数控系统和伺服系统。
（2）规模根据实际要求确定改造档次。
一般进口设备仍用进口数控系统改造；国产设备仍用国产数控系统改造。
根据功能确定I/O点数。
根据经常存储的零件加工程序的数量确定存储器的容量。
根据机床大小、进给速度、吃刀量来确定电机功率。
（3）资金投入时应考虑投入产出的比例以及周期。
（4）精度改造前机床的精度应有一定的要求，精度太低就没有必要改造，可考虑更新。
（5）习惯制定改造方案时应考虑改造前后操作、编程的可继承性，对面板的设计和屏幕的位置要考虑操作者的习惯。
对数控系统品牌的选择要考虑使用单位的一致性，以达到培训、维护等方面的便利。
经过上述诸方面因素综合考虑，才能制定出改造的总体方案。
数控改造班子一般以4-5人为宜。
分别涉及机械改造、电气布线、PLC编程等主要领域。
最好有使用人员的配合。
改造班子里最好有一名专家，从总体规划、选型、订货、资料准备（翻译）、布线、PLC编程、机械改造、调试、验收以指导工作结束做出安排，并协调各个方面的工作，这样往往可以缩短改造周期，并保证工程质量。
2、机电匹配计算
机电匹配计算是总体设计，在选型订货前首先应考虑的问题。
有些情况当然可以根据旧机床的参数作相应发参考。
但最好还是能做一些匹配计算或估算，以免改造失败。
3、快行速度的核算
快行速度是数控化改造后的重要指标，一般意义上来说和电机最高转速、丝杠螺距、传动比等有关。
4、精度估算
精度估算至少包括两个方面，一方面为丝杠精度，一般在产品手册中标明在多少毫米范围内存在多少误差；第二方面应为机械传动环节因机械热变形引起的位置误差。
最后通过坐标轴校准（螺距补偿）对精度进行补偿，达到预期的效果。
功能确定及分布
一台改造以后的数控机床的功能有两类。
一类是数控系统制造商提供的功能。
早期的数控机床是通过键盘命令形式，而现代的数控机床则主要通过软键菜单形式提供，例如零件加工程序输入、编辑、存储功能、图形功能、刀补以及坐标零点设置功能，调用一个零件加工程序准备切削加工等等。
另一类功能是机床厂家或系统集成商根据数控系统制造商提供的窗口二次开发后形成的功能。
它主要通过机床操作面板和可编程控制器软件提供。
例如启动、停止、自动操作按钮、速率超调、主轴启停、冷却润滑开关等等。
对最终用户而言，往往没有必要去分清到底是哪一类功能。
应该说第一类功能是死的，而第二类功能是活的，是可以删减的。
数控化改造是对一台旧机床的改造，它离不开原机床的环境，不是一种从零开始的过程。
在这种背景下，考虑功能的分布必须顾及原有的环境。
考虑的因素如下：
（1）人机工程
改造后的机床应方便操作、环境友好。
因此应该将机床的操作面板及显示屏安排在最合理的位置。
（2）节省开支
在实现功能的基础上，尽量采用原有的机构和部件。
（3）照顾习惯
在设计新的机床面板时，应尽量考虑保持原机床操作按钮的功能设置，有时需要保留一些手动按钮以方便操作人员使用。
机床调试验收
机床改造完毕后，还应该对其进行安装调试及验收。
一般来说，应特别注意安装的位置和基础，使机床处于良好稳定的工作环境。
其次是全面检查各器件、插件的连接情况以及各油路、电路的情况，再进行数控系统的连接。
当完成数控系统的调整，具备了机床联机通电试车的条件，可切断数控系统的电源，连接电动机的动力线，恢复报警设定，准备通电试车。
试车的目的是考核机床的安装是否稳固，各传动、操纵、控制、润滑、液压、气动等系统是否正常和灵敏可靠。
改造后的数控机床的验收是和安装调试工作同步进行的。
一台机床数控改造完好后的检测验收工作是一项复杂的工作，其试验检测手段及技术要求也很高，它需要使用各种高精度的仪器，对机床的机、电、液、气各部分及整机进行单项性能综合性能检测，包括运行刚度和热变形等一系列试验，其中应特别注意机床数控功能的检验，最后得该机床的综合评价。
数控机床开机，调试应按下列的步骤进行：
一、调试前准备
机床调试前，应首先调整机床床身水平位置，粗调机床主要几何精度。
之后，按照要求加装润滑油、液压油、切削液，接通外接气源等。
二、机床通电试车
机床通电试车一般采用各部件分别通电试验后，再作全面供电试验，检查机床主要部件功能是否正常齐全，使机床各部件都能操作运动。
三、机床精度和功能的调试
1、使用精密水平仪等检测工具，主要通过调整垫铁的方式精调主床身的水平，使机床几何精度达到允许公差范围。
机床检验前，须将机床和主轴箱分别置于行程的中间位置，在工作台中央位置放置水平仪在纵向和横向的读数均不超过0.04mm/1000
（1）几何精度
序号
检验项目
允差mm
1
主轴箱垂直移动的垂直度
a在机床的横向垂直平面内
b在机床的纵向垂直平面内
a在300侧长度上为0.025
b在300侧长度上为0.025
2
工作台面对主轴箱垂直移动的垂直度
a在机床的横向垂直平面内
b在机床的纵向垂直平面内
a0.025/300
b0.025/300
3
工作台面的平面度
在1000长度内为0.04
工作台长度增加1000允差值增加0.005
最大允差值为0.05
局部公差：
在任意300测量长度上为0.02
4
工作台面对工作台移动的平行度
a横向
b纵向
a在300侧长度上为0.025
b在300侧长度上为0.025
最大允差为0.05
5
主轴端部的跳动
a主轴定心轴颈向跳动
b主轴的轴向窜动
c主轴轴肩支承面的跳动
a0.01
b0.01
c0.02
6
主轴锥孔轴线的径向跳动
a近主轴端b主轴端面300mm处
a0.01
b0.02
7
主轴旋转轴线对工作台的垂直度
a在机床的横向垂直平面内
b在机床的纵向垂直平面内
a0.025/300
b0.025/300
（2）位置精度
项目
名称
允差mm
1
定位精度
X向
300+/-0.025
Y向
300+/-0.025
Z向
300+/-0.025
2
重复位精度
X向
+/-0.01
Y/Z向
2、机床调整完毕后，仔细检查数控系统和可编程控制器中参数设定值是否符合随机指标中规定的数据，然后试验各主要操作功能、安全措施，常用指令执行情况等。
3、检查机床辅助功能及附件的正常工作。
四、机床试运行
试运行是指数控机床在带有一定负载的条件下，经过较长时间的自动运行，比较全面地检查机床功能及工作可靠性的过程。
在此过程中，其中，除操作失误引起的故障外，不允许机床有其它故障出现。
五、改造后取得的效果
1、提高机床加工精度，稳定产品加工质量。
2、降低了操作者的劳动强度，提高了工作效率。
3、节省了新设备购置成本，降低了生产的成本。
结束语
此次对XK715B铣床的数控化改造的目的是：
（1）主要解决数控系统的老旧减少系统故障；
（2）机械部分更换磨损件提高几何精度；（3）提高加工零件质量。
改造后解决了机床对零件加工精度、加工效率不高的问题，降低了操作者的劳动强度，提高了零件的加工速度，降低了零件生产的成本。
另外，此次改造避免了使用单位为单一零件而重新购置新数控设备的资金，为使用单位节省了机床购置成本。
此次设计改造期间，由于经验不足，在有些方面有不佳之处，希望能得到更好的方法。
在此，特别向王周平指导老师及高军老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
谢谢老师在我设计程中给予我极大的帮助。
同时，也离不开其他老师、同学和朋友的关心和帮助。
在整个设计过程中，他们的帮助使我的改造设计得以不断的完善，最终帮助我完整的完成了本次设计任务，从而学到许多新知识。
参考文献
金属切削机床构造与设计国防工业出版社
机械制图高等教育出版社
机床夹具设计机械工业出版社
机械制造工艺学西北工业大学出版社
数控机床维修机械工业出版社
机械制造基础中央广播电视大学出版社
理论力学西北工业大学出版社
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