X6132铣床的数控化改造设计.docx

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X6132铣床的数控化改造设计

任务书

学生姓名：

学号：

学院：

专业：

任务起止时间：

毕业设计（论文）题目：

X6132铣床数控改造

毕业设计工作内容：

1、实际调研，收集相关资料，完成开题报告；1—3周。

2、结合生产实际，对X6132铣床数控改造；

3、设计X6132铣床数控改造原理图；4—7周。

4、设计X6132铣床车床数控改造纵向、横向进给结构8—11周。

5设计相关零件图；12—13周

6、撰写毕业设计论文；准备答辩。

14---16周。

注：

要求全部用计算机绘图和打印文稿（交打印件和电子稿）

资料：

1、金属切削机床与数控机床；

2、非标设计手册；

3、金属切削用量手册；

4、相关的技术资料。

指导教师意见：

签名：

系主任意见：

签名：

评语

学生姓名：

学号：

学院：

专业：

任务起止时间：

毕业设计（论文）题目：

X6132铣床的数控改造

指导教师对毕业设计（论文）的评语：

该课题源于生产实践，该同学在毕业设计中，态度端正，能把所学习相关知识运用设计中，设计结构基本合理正确，设计论文论述正确、格式规范，能正确运用所学基本知识，完成任务要求，可以完成答辩。

指导教师签名：

指导教师职称：

评阅教师对毕业设计（论文）的评语：

该同学论文格式规范，对机械设计有了一定了解，进行的设计符合任务书要求，所做画纸符合要求，但在图纸的绘制和尺寸的标注需要改进，建议参加答辩。

评阅教师签名：

评阅教师职称：

答辩委员会对毕业设计（论文）的评语：

该同学的设计符合“毕业设计任务书”的要求，任务量适中，答辩表述基本清晰，尚能回答大多数提问，概念较清楚，设计的内容基本合理，无原则性错误，掌握了一定的基础知识和基本技能。

符合学院本科毕业设计的要求。

答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为：

答辩委员会主席签名：

职称：

年月日

教务处制表

X6132铣床数控改造

摘要

本文提供了一种X6132铣床的数控化改造方案，改造的主要模块有：

机械部分和数字控制电路部分。

机械部分主要是对丝杠、驱动元件的改造。

改造后的系统是以步进电机为驱动执行元件的开环控制系统，控制系统使系统能够控制进给轴的转速，并实现其正反转控制工作台，实现其纵、横向进给运动，以8031型单片机为控制处理芯片，通过键盘输入加工程序控制X6132铣床数控化改造后是升降台式的。

使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件。

改造后的数控机床具有高精、高效及加工产品范围广等特点。

随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。

关键词数控改造；X6132；开环控制

X6132TransformationNC

Abstract

Inthispaper,inbaseofourcountry’seco-mimicconditionandtheexpensiveCNC,inordertoextendmachiningscope,highaccuracy,smallbatch,andhasagoodconditioninexcitedlycomplicitiesmarket.So,thememorizationrebuildingofX6132issonecessaryandfeasible.Thispaperprovidesawayofhowtoimplementthesynchronizedmo-tionofthetwoaxesintheXandYplanewithCNCsystemandanopen-loopcontrolwhichusesteppingmotorsasactuatorsonaX6132mill，andthemicrocomputeris8031.thememorizationrebuildingofX6132millingmachinenotonlyisusedformachiningkeyway,planeandholeetc,butalso,itcanma-unfittingcomplicatedshipandtheaccuracyishigh.ThetechnologyofCNChasbecomethekeyandbasictechnologyinthemanufacturingin-dustry.Withthedevelopmentofmanufacturingtechnology,modernCNCmachinetoolswithmoderndesigntechniques,processintensificationandnewfeaturestomakemachinetools,machiningrange,dynamicperformance,machiningaccuracyandreliabilityhasimprovedgreatly.

KeyWordsnumerizationrebuilding；X6132；open-loopcontrol

第1章绪论

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[1]。

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，而对原有普通机床数控化改造也应是越来越广泛，依照设计任务本设计对X6132立式铣床进行了数控化改造[2]。

1.2数控机床的产生及发展简史

随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产设备-----机床也相应地提出了高性能、高精度与高自动化的要求。

在机械产品中，单位与小批量产品占到70%---80%，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而且通用机床的自动化程度不高，基本上需要人工操作，难以提高生产效率和保证生产质量。

特别是一些有曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。

数字控制机床就是为了解决单位、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化，并保证质量要求而产生的。

数控机床的发展简史

在美国诞生了第一台数控机床后，可划分为两个阶段：

第一阶段：

数控阶段（1952～1970年）。

早期采用数字逻辑电路组合成一台机床，专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控。

第二阶段：

计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）。

到1970年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控阶段。

1.3数控机床组成

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[3]。

数控铣床加工过程示意图1-1如下：

图1-1数控铣床加工过程示意图

1.4机床数控化改造的必要性和迫切性

数控机床是一种典型的机电一体化产品，它集精密、柔性和集成与一身，它可以较好的解决形状复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率，是一种高度自动化机床。

其造价较低，改造周期短，可靠性高，改造技术也日趋成熟，加之我国特有的经济实用产品“经济型数控装置”的技术指标不断的提高，产品的更新和完善的进度不断的加快，产量不断的提高，故有广阔的前景，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改造。

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。

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，这说明了机床数控化改造的必要性和迫切性[4]。

1.5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。

1.5.1从微观上看

数控机床相对传统机床有如下突出的优越性，且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。

1．可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件由于计算机可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就可以复合成复杂的曲线与曲面。

2．可实现加工的自动化，且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3-7倍，由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，而实现自动化。

传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，称之为刚性自动化，但凸轮制造、调整很费时，只有进行大批量生产时才经济合理。

而数控机床只要更换一个程序就可实现另一个工件加工的自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，称之为“柔性自动化”，以适应多品种小批量的生产方式。

3．加工出零件的精度高，尺寸的一致性好，分散度小，使装配容易，不再需要“修配”加工过程自动化，不受人的情绪高低和疲劳的影响。

计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。

数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能。

使加工精度得到进一步提高。

4．可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运自动化带来的效果（可以自动更换刀具）。

如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、镗、攻丝、扩孔等多工序的加工。

现已出现其它工序集中的机床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。

5．拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管在配备多种传感器的条件下，计算机威力的体现可以实现白班有人看管和作好充分准备工作，使得二班、三班在无人看管条件下进行自动加工。

工人只工作8小时，而机床可工作24小时。

因而带来的劳动生产率的提高和生产周期的缩短等效益是非常明显的。

此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础[5]。

1.5.2从宏观上看

工业发达国家的军、民机械工业在上世纪70年代末、80年代初即以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的技术改造。

除采用数控机床外，还包括推行CAD、CAE、CAM、MIS（管理信息系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等等，以及在其产品中增加信息技术，包括人工智能等含量。

由于采用信息技术对其军、民机械工业进行深入改造，最终使得他们的产品在国际军、民品市场上的竞争力大为增强。

而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年，因此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紧迫性。

近年来，全国约改造了两万多台普通机床为经济型数控机床（主要是车床和铣床）。

随国产高档数控系统的成功研发，我国又成功地用国产数控系统将普通机床改造为普及型和高级型数控机床，还用国产系统对进口的技术老化数控机床进行改造，使其起死回生。

例如：

华中数控公司把东方电机厂的10台重型机床（包括2.5m,3.4m,6.3m立车）和中型机床（包括卧车、立铣）及其它企业总共约50台的关键设备，改造为普及型和高级型数控机床。

若购置一台新的数苦恼感机床，进口的要上千万，国产的也要几百万元人民币。

而数控化改造一台只需几十万元就够了。

所以比起经济型数控改造来说，经济效益极为显著。

内蒙一机集团近年来也加大了普通机床的数控化改造，由西南自动化研究所对部分机床（卧车、铣床等）进行数控化改造，使用效果明显；又用西门子系统对特大型进口关键设备进行数控改造，使其焕发了青春。

1.6本章小结

本章主要介绍了数控机床的结构特点以及数控机床在未来的发展，机床的数控改造具有效率高，柔性化，减少工人强度等优点，在信息时代的今天，数控机床的改造已经日益普遍，成为发展的趋势。

第2章数控系统设计的总体方案

2.1数控铣床改造设计总体要求和内容

X6132立式铣床的原传动系统为其主轴转动由电机经齿轮变速驱动。

其主轴的升降用手柄经锥齿轮副，丝杠手动操作。

工作台的x轴和y轴分别通过离合器和离合器，由进给电动机通过齿轮变速驱动丝杠副和实现自动进给。

工作台的升降有电动机通过离合器将运动传给丝杠副来实现。

对X6132立式铣床进行机械部分改造，数控机床的刚度系数应该比同类普通机床高50%；应尽量提高机床的抗振性，通常机床的振动包括强迫振动和受迫振动。

要提高机床在低速进给时的平稳性和运动精度。

为实现复杂零件的自动铣削加工，提出三种方案：

第一种方案：

工作台升降，工作台x与y轴的进给运动

第二种方案：

主轴的升降和工作台的x,y轴的进给运动

第三种方案：

工作台的x,y轴进给运动改变为微机控制，实现三轴或二轴的开环同步控制或非同步控制。

上述方案中的第一种由于工作台较重，升降所需的步进电机转矩大，功率损失也大，改造成本较高，第二种方案较易实现，我们这里的设计要求改造x,y轴，z轴作为预留，所以我们这里选择第三种方案。

为保留原机床的半自动功能，应对原系统作尽可能少的改动，以免微机控制系统出了问题，机床还可手动加工。

为此可进行以下改动，如图

2-1所示：

1保留原机床主轴传动系统。

2保留机床工作台x,y轴进给系统，脱开离合器6，7，去掉手轮，将滑动丝杠副换成滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱，减速齿轮，步进电动机（6，7）。

2.2数控系统总体设计方案的拟定及框图

2.2.1系统总体方案的确定

根据设计任务的要求，决定采用点位控制，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，为确保数控系统的传动精度和工作平衡性，采用低摩擦的传动和导向元件，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和液动导轨，为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙，计算机系统采用高性能价格比的8031系列单片机扩展系统。

图2-1X6132改后传动原理图

1、3、4---伞齿轮2、7、10---步进电机5、8、11—滚珠丝杠6、9、12---滚珠丝杠螺母

2.2.2系统总体方案框图

图2-2系统总体方案图

2.3机床进给伺服系统机械部分设计计算包括的内容

X6132铣床数控化改造机械系统设计主要包括伺服驱动系统的设计计算，丝杠螺母副的设计计算、一些基本部件相关计算和传动系统的设计计算。

1．基本部件相关计算主要有工作台的外形尺寸及重量的计算、钻铣削力的计算以及滚动导轨参数的计算等。

2．丝杠螺母副的设计计算包括纵向、横向丝杠螺母副的选用。

3．伺服驱动系统的设计计算包括步进电机选型计算。

2.4本章小结

本章主要介绍了数控系统设计的方案的确定，数控铣床改造设计总体要求和内容以及机床进给伺服系统机械部分设计计算包括的内容，通过本章的介绍确定了总体改造的框图和方案。

第3章铣床机械机构设计

3.1数控机床的数据

工作台尺寸（长×宽）：

1250mm×320mm；

工作台最大行程：

纵向800mm横向300mm垂直400mm；

快速移动速度：

10m/min；

工作台定位精度x、y、z：

±0.03mm；

工作台重复定位精度x、y、z：

±0.02mm；

纵向、横向及垂直进给为微机控制，采用步进电机或直流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动，脉冲当量0.010mm/脉冲；

电机功率P：

7.5KW；

纵向快进速度：

2.3m/min；

横向快进速度：

1.2m/min；

垂向快进速度：

0.77m/min；

纵向切削数据：

0.06m/min；

横向切削速度：

0.06m/min；

垂向切削速度：

0.06m/min；

定位精度：

0.015mm；

纵向移动部件重量：

220kg；

横向移动部件重量：

450kg；

垂向移动部件重量：

1000kg；

加速时间：

30m/s；

机床效率：

0.8；

机动范围：

680mm/240mm/300mm。

3.2工艺数据

通用机床由于工艺范围广，在同一台机床上常用不同材料刀具对不同材料和尺寸的工件进行多种加工，故取具有代表性的典型加工条件为计算依据。

通常以加工量最大的钢料或铸件为工件材料，硬质合金或高速钢为刀具材料，选取用该机床上用得最多的常用工序或极限加工工序及与此相应的切削用量[6]。

结合本次改造，选取加工材料为HT200的平板凸轮的加工工艺。

刀具：

粗齿圆柱铣刀：

孔径27mm，直径D为63mm，L取63，前角α。

为15。

，后角α。

为12。

，螺旋角β为45。

，齿数Z为6　

切削用量：

铣削铸铁铣削前深度t＝5~7mm，取t＝6mm。

进给量：

粗齿圆柱铣刀，在加工铸铁装夹系统刚性一般，机床功率7.5kw的条件下，取每齿进给量fz＝0.01～0.15毫米／齿，取fz＝0.15毫米/齿　　　　　　　　　　　　　　　

3.3数控改造的纵向方向（X轴）的设计

工作台的进给运动是由步进电动机由一级消隙齿轮经滚珠丝杠螺纹副，带动工作台移动。

其中在纵向（X轴）进给系统的改造布置中，滚珠丝杠、轴承支架固定在工作台上，随工作台移动。

步进电动机经降速齿轮和滚珠丝杠的螺母固定在床鞍上，通过滚珠丝杠的转动，实现工作台与床鞍之间的相对移动[7]。

滚珠丝杠螺母副，它的特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦，丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。

滚珠丝杠螺母副的优点有：

1．传动效率高，摩擦损失小，使用寿命长。

2．给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，防止失步；定位精度高，刚度好。

3．有可逆性　丝杠和螺母都可以作为主运动件，故可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动。

4．运动平稳，无爬行现象，传动精度高。

3.3.1切削力的计算

结合本次改造：

（3-1）

式中：

CＦc—铣削力系数　取282；

ap—　铣削深度（即被加工表面的宽度，同时加工5个工件,每个工件厚度为10mm,故深度为50mm）；

fz—每齿进给量　取0.15mm/z；

ae—铣削宽度（即被切削金属层的深度），取6mm；

do—　铣刀公称直径，取63mm；

Z—　刀齿数，取6；

kFc—　铣削力修正系数且：

kmFc—工件材料系数　取（HB/190）0.55；

kγFc—　前角系数　取0.92。

故Fz=282×50×0.150.65×200.83×63-0.83×6×（200/190）0.55×0.92故可求出:

Fz=9000N

垂向切削分力Fy：

按经验公式：

Fy/Fz=0.80

求得：

Fy=7200N

纵向切削分力Fx:

按经验公式：

Fx/Fz=0.9

求得：

Fx=8100N

横向切削分力Fz’：

按经验公式：

Fz’/Fz=0.4

求得：

Fz’=3600N

3.3.2丝杠工作时轴向压力F轴的计算

铣削条件下在插补平面内合力Fr：

Fr=（Fx+Fy）/2（3-2）

铣削一周平均铣削力Fav取2Fr/3，铣削时丝杠轴向压力F轴：

F轴=βFav+μ’（mg+Fy）（3-3）

式中：

β—考虑到颠覆力矩的影响系数，一般取1.1；

μ’—导轨当量摩擦系数。

取0.18；

m—移动部件的质量估计为1000Kg；

g—重力加速度取9.8m/s2；

Fz’=3600N；

求得：

Fr=123.69N；

Fav=82.46N；

F轴=3151N。

3.3.3滚珠丝杠副工作负荷的计算及电动机的选择

1．丝杠的转速及电动机的选择：

数控改造多半采用开环步进式伺服驱动系统，本次改造也采用步进电机驱动丝杠。

开环步进伺服进给系统的设计计算步骤：

1．脉冲当量取0.01mm.初选步进电机的步距角φ为1.5º

2．计算降速比。

由于步进电机工作的特点是一个脉冲走一步，每一步均有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。

为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足要求的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。

传动比：

（3-4）

式中：

φ—步距角；

S—丝杠螺距，初取6mm；

Δ—脉冲当量。

确定齿轮传动比及模数和有关尺寸:

因为步进电机中距角

=1.5º，滚珠丝杆螺距离t=5mm,要实现脉冲当量

=0.01mm/step，在传动系统中应加一级齿轮降速传动，降速传动比：

i=

=

=0.48

选Z

=24，Z

=50

因传递的扭矩较小，取模数m=2,齿轮有关尺寸如下表：

表3-1齿轮的相关参数

关系式

Z

Z

Z

24

50

d=mz

48

100

d

=d+2m

52

104

d

=d-2×1.25

43

95

B=（3~6）mm

16

23

A=

74

3．根据结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的转动惯量Jt，并计算电机力矩，再按步距角，电机力矩，允许的负载惯量等项要求来选取合适的步进电机。

惯量计算：

（3-5）

式中：

Js＝0.03715Kgf.cm.s2

力矩计算：

快速空载启动时所需力矩：

（3-6）

最大切削负载时所需力矩：

（3-7）

快速进给时所需力矩