X502铣床的数控化改造Word格式.docx
《X502铣床的数控化改造Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《X502铣床的数控化改造Word格式.docx（21页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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（机械部分）进行数控化改造。
二、设计方案论证
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
进给参数：
1.工作进给速度、
横向进给（Z轴）8~400mm/min
纵向进给（X轴）2~100mm/min
2快速进给速度
横纵向的最大进给速度均为1m/min
三、横向进给系统的设计
在横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：
（1）
式中：
P——主电动机功率，7.5kW
η——主传动系统总效率，一般为0.6～0.7，取0.65
K——进给系统功率系数，取0.96
根据式
（1）可得：
Nc=4.3kW。
又因为Nc=FcVc×
10-3，则Fc=Nc/Vc，Vc为切削线速度，取100m/min，所以主切削力Fz=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
若丝杆的工作长度为Lm=150mm，转速Nm=60r/min,每天工作8小时，每年平均300个工作日，要求工作6年以上。
3.2.1工作台横向进给丝杠的轴向力
F轴=KF横+f'
（F垂+W）
（2）
K——考虑颠覆力矩影响的实验系数，K=1.1
F横——横向切削分力f'
——导轨上的摩擦系数，f'
=0.15
W——工作台、床鞍和回转盘重力，W=9.8G=2kN
根据式
（2）可得：
F轴=1.8kN。
1计算载荷F的计算
计算载荷：
（3）
Kf——载荷系数，机床为一般运行取1.2
Kh——硬度系数，滚珠丝杠一般为58—62HRC,对应值为1.0
Ka——精度系数，精度D、E级，对应值为1.1
将数值代入公式（3）得：
F=2.16KN
3.2.2额定动载荷Ca（N）的计算
Ca=F
（4）
其中Lh=8×
300×
6=14400h
计算得
Ca=8.04KN
3.2.3根据Ca值从滚珠丝杠副系列中选所需的规格，使所选规格的丝杆副的额定动载荷
等于或大于Ca值，列出其主要参数如图3-1：
图3-1滚珠丝杠副规格
表3-1滚珠丝杠副规格（附表）
从表中可选型号待定
规格代号
公称直径do
公称导程P
丝杆外径d1
丝杆底径d2
循环圈数
额定载荷
钢珠直径
Dw
刚度
N/μm
动载荷KN
静载荷KN
FFZD2005-3
20
5
19.5
16.9
3
9.1
18.3
3.5
536
3.2.4效率计算
η=
（5）
螺纹的螺旋升角λ=arctan（P/πdo）
计算得：
FFZD2005-3的螺旋升角π=4.3°
φ——摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003-0.004.其摩擦角约为10′
代入公式（5）计算得
η=96%
由计算可知该丝杆副满足效率要求
3.2.5刚度计算
（1）受F轴后的丝杆导程变化量ΔL
（6）
式中F-工作载荷，P-导程，
E-弹性模数，对钢E=20.6×
106,A-滚珠丝杠截面积（内径）
代入公式（6）计算得
ΔL1=0.19um
（2）滚珠丝杠受扭矩作用而引起导程变化量ΔLm
（7）
M-扭矩，M=
d2为丝杆外半径，N.cm
G-扭转弹性模量，对钢G=84.2×
105N/CM2
Jc-滚珠丝杠截面积得惯性矩，Jc=0.098d14,其中d1为丝杆小径CM
由（7）计算得
ΔLm=8.9X10-3um
总变形：
ΔL=ΔL1+ΔLm=0.199um
Δ=
=5.97um/m
C、D级丝杆的允许的螺距误差为5--10um/m
经计算得两丝杆满足精度要求
3.2.6稳定性计算
（8）
E—丝杆材料弹性模量，对钢E=21106
Lm—丝杆工作长度，即机床工作台最大行程150mm
J—截面惯性矩，对实心圆柱J=0.049d14
μ—丝杆轴端系数，由支撑条件决定：
（1）一端装止推轴承，可简化为一端固定，另一端自由μ=2
（2）一端装止推轴承，另一端装向心球轴承，可简化为一端固定，另一端绞接μ=2/3
由公式（8）计算得
Fk=828657N
（9）
由公式（9）计算得
Nk=383>
4
丝杆也满足要求，综上考虑丝杆选取FFZD2005-3
3.2.7确定滚珠丝杠副的规格代号
已确定的型号：
FFZD公称直径：
20导程：
螺纹长度L1=有效行程Lm+行程裕度Lx=150+40=190mm
丝杠全长：
螺纹长度L1+端部安装长度（两端）Lz+螺母长度Lm=190+83+30=330mm
P类E级精度
3.3确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格
（1）轴承类型
两端固定的支承形式，选背对背60°
角接触推力球轴承
（2）轴承内径
轴承内径D应略小于丝杆底径d2=16.9mm,
取D=15mm
表3-2角接触推力球轴承规格
查表3-2得选用60°
角接触推力球轴承760202
3.4横向步进电动机及齿轮的选用
确定步距角取系统的脉冲当量t=0.01mm/脉冲，选用步距角θ=0.6
3.4.1启动力矩的计算
丝杠牵引力
（10）
式中f——当量摩擦系数，f=0.01
代入式（10）得
Fs=1.33kN
设步进电动机等效负载力矩为T，负载力为Ff，根据能量守恒原理，电动机所作的功与负
载所作的功相等，即
则
（11）
又Ff=Fs+µ
（W+F1），数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移量L为一个脉冲当量0.01mm，这时电动机转过的角度f=2πθ/360°
，代入式（11）得
T=FfL/fη=360°
t[Fs+µ
（G+F1）]/2πθη（12）
µ
——机床导轨摩擦系数，取µ
=0.18
η——进给系统总效率取0.91
F1——与重力方向一致，作用在移动部件上的负载力，F1=F垂=1.2kN
由公式（12）计算得:
T=200N/cm
如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩Tq=T/0.3～0.5，取安全系数为0.5，Tq=400N·
cm。
对于工作方式为三相六拍的步进电动机，最大启动力矩Tjnax=Tq/0.866=462N/cm
3.4.2步进电动机的最高频率及型号选择
取横向进给速度最大为Vmax=1m/min，则步进电动机的最高频率为fmax=1000Vmax/（60×
t）=1667Hz。
表3-3步进电动机规格（见上页）
根据表3-3，选用南京华兴电机制造有限公司90BYGH3503型混合式步进电动机较合
适，该电动机步距角为0.6，保持力矩700N·
cm，最高空载启动频率为1800Hz。
3.4.3齿轮设计
据步距角θ、滚珠丝杠螺距p、脉冲当量t，则在步进电动机与滚珠丝杠之间所加的一
对齿轮的传动比为：
=
=0.833（13）
t——脉冲当量mm/脉冲
——步距角
P——螺距mm
选Z1=30，Z2=36，根据经验，齿轮模数取1.25mm。
小齿轮材料选用40Gr调质处理，大齿轮采用45钢调质处理。
为了消除传动间隙，采用薄片齿轮错齿消隙法。
齿轮侧隙消除采用弹簧，每根弹簧的拉力为140—170N，取力臂值为20mm。
四、纵向进给系统设计
在纵向进给系统的改造中，拆掉了原机床的丝杠螺母机构，更换上用步进电
动机和一对齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。
4.1工作台重量的估算和切削力计算
1.纵向工作台约重100kg
2.切削力计算（已在横向进给设计中计算）
3.主切削力Fz=2.7kN
4.F纵=0.6Fz=1.6kN
4.2滚珠丝杠设计
工作台纵向进给丝杠的轴向力
F轴=KF纵+f'
（F垂+W）（14）
F纵——纵向切削分力f'
W——工作台重力，W≈10G=1kN
根据式（14）可得：
F轴=2.09kN。
4.2.1计算载荷F的计算
计算载荷
F=KfKhKaF轴（15）
代入（15）得：
F=2.75KN
4.2.2额定动载荷Ca（N）的计算
（16）
其中Lh=8×
由公式（16）计算得
Ca=10.2KN
4.2.3根据Ca值从滚珠丝杠副系列中选所需的规格，使所选规格的丝杆副的额定动载荷
等于或大于Ca值,表如下：
欲选择的丝杆螺母副主参数如下：
FFZD2506-3
25
6
23.9
20.9
11.3
23.7
635
4.2.4效率计算
（17）
4.2.5刚度计算
ΔL1=Fp/EA（18）
式中F-工作载荷，P-导程，E-弹性模数，对钢E=20.6×
由公式（18）计算得
ΔL1=0.177um
ΔLm=Mp2/2πGJc（19）
由公式（19）计算得
ΔLm=9.5X10-3um
总变形ΔL：
ΔL=ΔL1+ΔLm=0.186um
=13.9um/m
按设计要求进给精度±
10um
所以该丝杆满足设计要求
2.2.6稳定性计算
（20）
Fk=215362N
（21）
Nk=78>
丝杆不失稳,综上考虑丝杆选取FFZD2506-3
4.2.7确定滚珠丝杠副的规格代号
FFZD
公称直径：
25
导程：
螺纹长度L1=有效行程Lm+行程裕度Lx450+50=500mm
丝杠全长L：
螺纹长度L1+端部安装长度（两端）Lz+螺母长度Lm=500+100+50=650mm
P类E级精度
4.3确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格
4.3.1轴承类型
4.3.2轴承内径
轴承内径D应略小于丝杆底径d2=20.9mm,
取D=17mm
查表得选用60°
角接触推力球轴承760203
4.4步进电动机及齿轮的选用
纵向步进电动机的选取确定步距角取系统的脉冲当量t=0.01mm/脉冲，选用步距角θ=0.6°
4.4.1启动力矩的计算
丝杠牵引力：
Fs=F横+1.414fW（22）
式中f——当量摩擦系数，f=0.01代入式（22）得
Fs=2.1kN
设步进电动机等效负载力矩为T，负载力为Ff，根据能量守恒原理，电动机所作的
功与负载所作的功相等：
即Tfη=FfL
则T=FfL/ηf（23）
又Ff=Fs+µ
（W+F1），数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移量L为一个
脉冲当量0.001cm，这时电动机转过的角度f=2πθ/360°
，代入式（23）得
（G+F1）]/2πθη
计算得:
T=262N/cm
如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩Tq=T/0.3～0.5，取安全系数为0.5，Tq=524N·
对于工作方式为三相六拍的步进电动机，最大启动力矩Tjnax=Tq/0.866=605N/cm.
4.4.2步进电动机的最高频率
取纵向进给速度最大为Vmax=1m/min，则步进电动机的最高频率为fmax=1000Vmax/（60×
根据以上数据和经验，选用南京华兴电机制造有限公司90BYGH3503型混合式步进电动机较合适，该电动机步距角为0.6，保持力矩700N·
4.4.3纵向进给齿轮设计
据步距角θ、滚珠丝杠螺距p、脉冲当量t，则在步进电动机与滚珠丝杠之间所加的一对齿轮的传动比为：
（24）
θ——步距角
五、结束语
对机床进行了机械部分的改造后，再配以合适的数控系统，用它控制步进电动机来执行机床在加工中所需的进给运动，使其按照预先编制好的程序进行铣削加工，可获得高质量、高精度的零件。
六、致谢
经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经结束，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
在这里首先要感谢我的指导老师李皖老师。
李皖老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，等整个过程中都给予了我悉心的指导。
我的设计较为复杂烦琐，但是李皖老师仍然细心地纠正图纸中的错误。
除了敬佩老师的专业水平外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。
其次要感谢和我一起作毕业设计的其他同学，他们在本次设计中勤奋工作，克服了许多困难来完成此次毕业设计，并承担了大部分的工作量。
如果没有他们的努力工作，此次设计的完成将变得非常困难。
然后还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础；
同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。
此次毕业设计才会顺利完成。
最后感谢工学院和我的母校—安徽冶金科技职业学院年来对我的大力栽培。
七、参考文献
1熊光华主编.数控机床.北京：
机械工业出版社，2001
2机床设计手册编写组.机床设计手册.北京：
机械工业出版社，1986
3余良英著.机床数控改造设计与实例.北京：
机械工业出版社，1998
升级会员 