毕业设计-X5032立式铣床进给系统的数控改造

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摘 要

数控机床是当今机械制造业中实现机电一体化的代表性先进设备。随着先进制造业的发展，对旧机床的数控化改造，特别是普通股机床数控化改造已经成为摆在我们面前迫切而艰巨的任务。本课题选择了对X5032铣床进给系统的数控改造方案，在叙述数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过对X5032旧机床的分析，结构机床改造的思想，提出了数控化改造的技术方案。改造的主要是机械部分，即对丝杠、驱动元件步进电机和减速齿轮的改造。改造后的铣床除了能加工铣削键槽、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，具有高精、高效及加工产品范围广等特点。控制方式可以是开环、闭环及半闭环。

机床改造后，显示了机床强大的工作能力和高度的可靠性，加工精度和生产率有较大的提高，是提高企业数控化率的一条切实可行的途径。

[关键词] 数控改造 进给 X5032铣床

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X5032 MILLING MACHINE FEED SYSTEM OF THE NUMERICAL CONTROL

ABSTRACT

NC(numerical control)machine is the representative of advanced equipment in current mechanical manufacture industry． With the developing of modem manufacture industry,to retrofit old machine with NC，especially to study the ordinary milling—machine's retrofitted with NC has become more and more urgent and arduous for US．After introducing NC machine's history and current status and the analysis of old mathine X5032,a novel scheme for NC machine retrofitted and new NC machine selection is proposed .The main part to improve is the part of machine,which means improving screw,stepper motor and reduction gear.After transformation,the milling machine not only can be milling keyway ,flat, and the hole parts, but also processing of complex shaping parts(such as the processing of circular surface,slope,and cam,etc),and has high precision, wide rage of efficient and processed products features.The control way can be open loop,closed loop and semi-closed loop. After retrofitted the work ability and reliability of the second-hand had been enhanced greatly,so as to their working precision and productivity.It is proved that raising rate of NC control is a feasible way for enterprise to enhance their productivity and profit.

【KEY WORDS】 NC transformation feed X5032 milling machine

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目 录

第一章 绪论 .......................................................... 1

1.1数控机床的产生和发展........................................... 1 1.1.1数控机床的发展简史........................................... 1

1.1.2我国数控技术的发展........................................... 1 1.1.3数控机床发展趋势............................................. 4 1.2机床数控化改造业的发展及前景分析............................... 5 1.2.1链美国、日本和德国等发达国家把机床改造作为新的经济增长行业···5

1.2.2机床数控化改造内容........................................... 5 1.2.3机床数控化改造的优越性....................................... 5 1.2.4机床数控化改造的现实意义和市场前景........................... 6 1.3课题背景、意义及研究目标....................................... 6 1.3.1课题背景、意义............................................... 6 1.3.2设备现状及鉴定............................................... 7 1.3.3研究目标..................................................... 7 第二章 数控机床及控制方式 ............................................ 8

2.1数控机床的组成及工作原理....................................... 8 2.1.1数控机床的组成............................................... 8 2.1.2数控机床的工作原理........................................... 8 2.2数控机床的控制方式选择......................................... 9 2.2.1位置控制方式分类............................................. 9 2.2.2步进电机的开环控制.......................................... 11 2.2.3数控机床开环系统速度计算.................................... 12 第三章 机械传动系统的改造设计 ........................................ 13 3.1机械传动系统改造设计方案...................................... 13 3.1.1改造设计任务................................................ 13 3.1.2总体方案设计的确定.......................................... 13 3.2机械传动系统改造设计与计算.................................... 14

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3.2.1已知条件.................................................... 14 3.2.2进给系统计算设计............................................ 16 3.2.2.1纵向（X向）设计计算 ...................................... 16 3.2.2.2横向（Y向）设计计算 ...................................... 27 3.3数控铣床的导轨................................................ 34 第四章 机床参数的设定与调试 .......................................... 37

4.1系统常用技术参数设定.......................................... 37 4.2反向间隙补偿.................................................. 40 4.3丝杠螺距误差补偿.............................................. 41 4.4调试内容...................................................... 42 4.4.1调试步骤.................................................... 42 4.4.2常见故障及解决方法.......................................... 43 4.5本章小结...................................................... 43 第五章 结论与展望 .................................................... 44 5.1结论.......................................................... 44 5.2尚需完善之处.................................................. 44 5.3建议.......................................................... 45 第六章 致谢........................................................... 46 参考文献 ............................................................. 47

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第一章 绪 论

1.1 数控机床的产生和发展历程

1．1．1 数控机床的发展简史

1946年世界上诞生了第一台电子计算机，同期美国北密执安的小型飞机承包商帕尔森斯公司(Parsons Corporation)为了制造飞机机翼轮廓的板状样板，提出了采用数字控制技术进行机械加工的思想，1949年由帕尔森斯公司与美国麻省理工学院伺服机构研究所合作开始从事数控机床的研制工作， 1952年，研制出第一台实验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上，成为世界上第一台数控机床，成功实现了同时控制三轴的运动。1954年11月，在帕尔森斯专利基础上。第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司(Bendix corporation)生产出来，从此，传统机床产生了质的变化。50多年过去了，数控系统由当时的电子管起步，经历了两个阶段六代的发展，即：硬件逻辑数控，简称为数控∞c)阶段经历了三代，即1952年第一代——电子管；1959年第二代——晶体管和印刷电路板；1965年第三代—一小规模集成电路，由于它体积小，功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。

计算机数控(计算机数字的控制，简写为CNC)阶段也经历了三代，即1970年第四代——小型计算机，1974年第五代——微处理器(MNC)和1990年第六代——基于PC的阶段。数控系统发展到了第五代以后，从根本上解决了可靠性低、价格昂贵、应用不方便等极为关键的问题，并在上世纪七十年代末八十年代初以后首先在美国、日本、欧洲等工业发达国家得到大规模普及应用。

1．1．2 我国数控技术的发展

1．1．2．1 我国数控技术经过了研制开发、引进技术、消化吸收、科技攻关和产业攻关几个过程，并得到了飞速发展

从1958年起，由一些科研院所、高等学校和少数机床厂起步进行数控系统的研制和开发，由于受到当时国产电子元器件水平低、部门经济等因素的制约，未能取得较大的进展。在改革开放以后，经过“六五”(1981．1985年)的引进国外技术，“七五”(1986．1990年)的消化吸收和“八五”(1991-1995年)国家组织的科技攻关和“九五”(1996．2000年)国家组织的产业化攻关，才使得我国数控技术逐步取得实质性的进展，一些较高档次的数控系统(五轴联动)，分辨率为0．002pm的高精度数控系统、数字仿形数控系统、为柔性单元配套的数控系统都开发出来，并造出样机，开始了专业化生产和使用。

1．1．2．2 国内数控机床现状

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近年来，随着机床工业的发展，我国机床一“工作母机～直保持两位数增长。2003年产值达260亿元，产量居世界第四。我国的机床消费则超过59亿美元(约台人民币488亿元)，首次跃居“世界第一，产值水平260亿元，消费超出220多亿元，其差额自然只有靠进口。据海关统计，2003年我国进口机床产品金切机床及锻压设备约31．5亿美元，又是一个“世界第一”!而全行业出口仅为进口的lnO一一3．1亿美元。其中出口的数控机床有数拉车床、数控磨床、数控特种加下机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。机床业现状可以用“三人一小”一一消费大国、生产大国、进口大国和出口小国。

“母机”水平看“数控”。1992年我国年产数控机床仅4200多台．到2003年这一数字已为2．48万多台，比上年增长了41．6％。10年来，我国数控金切机床产量翻了两番多，数控机床产品开发加快，一批反映当前世界数控机床发展潮流的高档次数控机床问世，如直线电机驱动加工中心、五轴车铣复合中心、五轴龙门加工中心等。建立了以中、低档次数控机床为主的产业体系和高档次数控机床的研发和生产体系，可以说，我国机床业整体素质有了明显提高。但与发达国家相比，我国机床数控化率还不高，目前生产产值数控化率还不到30％；消费值数控化率还不到50％，而发达国家大多在70％左右。高档次的数控机床及配套部件只能靠进口。

我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。这些数控机床，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。

1．1．3 数控机床发展趋势

1 高速、高效、高精度、高可靠性 1) 高速、高效加工

进入21世纪，机床向高速化方向发展，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度。上世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。

2) 高精度、超精密化加工

当前，机械加工高精度的要求较普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加丁精度进入纳米级(O．OOl微米)，主轴回转精度要求达到O．01-0.05微米，加工圆度为O．1微米，加工表面粗糙度Ra=O．003微米等。从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(

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3) 高可靠性

是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠。对于每天工作两班的无人工厂而言．如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)=99％以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。当前国外数控装置的MTBF值已达60000小时以上，驱动装置达30000小时以上。 2 模块化、智能化、柔性化和集成化 1) 模块化、专门化与个性化

为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。 2) 智能化

在数控系统中智能化的内容包括：①为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；②为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算等：③简化编程、简化操作方面的智能化；④智能诊断、智能监控方面的内容等。 3) 柔性化和集成化

数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、工厂自动化FA)、体(cIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。 3 开放性

为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结{每的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国的OMAC、欧共体的OSACA及日本的OSEC发展开放式数控的计划等。 4出现新一代数控加工工艺与装备

1．2 机床数控化改造业的发展及前景分析

机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标，它是根据生产实际需要提出，并随着机床行业以及技术的不断进步而发展起来孵，它的内容是应用成熟数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，对现有机床的局部结构进行改造。并安装上新部件、新装置、新附件，用计算机控制机床的工作，提高机床的技术性能指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。

1．2．1 美国、日本和德国等发达国家把机床改造作为新的经济增长行业

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美国、日本和德国等发达国家在大量生产数控机床的同时，还非常重视普通机床的数控化改造，机床改造正逐步从制造业中分化出来，并形成了把机床改造作为新的经济增长行业。如德国的Schicss公司在1981年把一台加工直径为19rn的超重型立式车床改装成数控机床。在美国机床改造业称为机床再(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、 Dcvlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。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：大隈工程集团、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。我国的机床改造业，也从老的行业发展到以数控技术为主的新的行业。

1．2．2 机床数控化改造的内容

(1)恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复 (2)选用成熟的数控系统对机床进行数控化改造；

(3)翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行改造设计，经大修鉴定，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；

(4)技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，拓展其功能的更新改造。

1．2．3 机床数控化改造的优越性

1．2．3．1 机床数控化改造的技术优越性

(1)数控机床比传统机床有突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统中计算机的作用。 （2）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。

(3)可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高3到7倍。传统机床靠凸轮或挡块等可实现“剐性自动化”，且只有进行大批量生产时，才经济合算；而数控机床只要更换一个程序就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以白动化，故称之为“柔性自动化”。

(4)加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要“修配”。这是由于加工过程自动化，不受人的情绪和疲劳影响的结果。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。数控系统中增加的机床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。

(5)可实现多工序的集中，减少零件在机床问的频繁搬运。这是自动化带来的效果(可以自动换y3)，如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、攻丝、扩孔等多工序的加工。这些多工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，提高了相关的加工精度。现已出现其他工序集中的机床。如车削中心、车铣中心、磨削中心等。

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(6)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加工。 (7)数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，并可对市场需求做出快速反应。 1．2．3．2 机床数控化改造的客观优越性

(1)费用低-经济性好。改造周期短，可满足生产急需同可购置新机床相比，一般可以节省60％～80％的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的I／3，以大型的龙门加工中心为例，进口新的需要1000_一5000万元，而升级改造只需要100～500万元，仅占成本的1／10，且交货期短。

(2)改造后的机床机械性能稳定可靠、功能增强、质量好、效率高，可作为新设备继续使用多年。 (3)降低了对操作者的技术要求，更易提高管理水平操作者只需编程、装夹工件和按开关，加工全部由电脑控制自动完成，即使再复杂的工件也能快速完成，省去了对技术要求的烦恼，同时提高了定额管理水平。

(4)可以采用虽新的控制技术可根据技术革新的速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成具有当今水平的机床。

1．2．4 机床数控化改造的现实意义与市场前景

目前在我国400余万台机床拥有量中，数控机床总数只有11．34万台，机床数控化率不到3％，而陈旧普通机床占到6 O％之多。这些旧装备(机床)大部分结构陈旧，操作系统复杂，控制系统落后。用这种旧装备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，影响企业的生存和发展。如果购置新机床全部去取代旧机床，显然义会导致旧机床的闲置和巨大浪费，也不现实：况且购买一台数控机床动辄十几万、几十万，甚至上百万，在我国一些企业是很难承受的。因此如何用较少的费用，获得具有数控功能的机床就成为一个值得探讨的问题。普通机床数控化升级改造不失为一种行之有效的方法，并可为企业节约大量资金，具有重要的现实意义和广阔的市场前景。如：国防科技工业完成了3000多台普通机床数控化改造，改造后生产效率提高约3倍，加工精度提高20％，与新购设备相比可节约资金50％以上。

1．3 课题背景、意义及研究目标

1．3．1 课题背景、意义

1)专家预言

专家们预言：“二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争，最终是数控人才的竞争。”

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中国加入世贸组织后，正在逐步变成“世界制造中心”。制造企业已开始广泛使用先进的数控技术。而掌握数控技术的机电复合人才奇缺“月薪6000难聘数控技工”、“年薪16万招不到模具技工”成为全社会普遍关注的热点问题，从而引起了中央领导、教育部、劳动与社会保障部等政府部门的高度重视。2003年，教育部已明确把数控人才列为社会四大紧缺性人才之一。2005年数控人才缺口仍高达60万。

2)企业人才需求现状

(1)蓝领层主要从事数控机床的操作，在企业需求的数控岗位中占先70．13％，是企业数控人才需求量最大的部分；

(2)银领层主要指企业目前急需的人才

①具有扎实的数控加工工艺及编程基本理论知识和操作技能的工艺编程人员，在企业数控技术岗位中占12．6％：

②具有较强的数控设备、机械、电气调试及维护、维修动手能力的数控设备维修人员，在企业数控技术岗位中占12．“％=

(3)金领层主要指精通机电、机电联调、机床操作、编程及维修的数控高层次技术人才，在企业数控技术岗位中占4．83％。 3)数控技术教育现状

张家口职业技术学院在校生达3000多入，其中数控、机电等工科专业学生占80％以上。学院有两个实习工厂，供学生机加工、钳焊等工种实习，其中数控车、铣床不足十台。随着社会经济的发展，社会大中型企业、集体企业、私营企业迫切需要数控人才，主要用于数控加工的编程、数控机床的操作、维护等．学校在设备数量、培养规模等方面，远远不能适应这一现状。为改善数控实训条件，改变数控机床严重短缺的现状，满足学生数控机床的操作、编程、维护等实训要求，同时还能用微机控制铣削任意弧面及轮廓曲面，实习工厂以X5 0 3 2铣床、CA6 l 4 0车床为重点技改项目，进行数控化改造。

1．3．2 设备现状及鉴定

X5032立式升降台铣床购于上世纪80年代，主要用于学生生产实习与教学实习，很少从事对外生产，经对机床综合考察认为，尽管经历了20多年，但机床的底座、工作台等基础件很好，机床主传动系统工作正常，运转精度等尽在技术指标范田之内，进行保养即可．无需大修。存在的问题是电气系统老化，控制落后，机床进给系统传动链太长，工作中存在变速困难，经常发出齿轮啮合、类似打齿～类的噪声，升降台机动升降功能已经丧失，丝杠传动链反向间隙过大无法保证零件质量，机加工精度大大下降，因经常要停车检查维修，生产率大受影响，虽经多次维修，但仍不能正常运行，

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故需对进给系统、电气控制作彻底的改造。

1．3．3 研究目标

本人的研究目标是针对X5 0 3 2铣床的特点，在满足生产、现场教学、实习实习需要的前提下。对原铣床做尽可能少的改动，利用数控系统控制铣床运动，实现工作台x、Y轴的两坐标控制及任意两轴的联动控制，提高铣床的加工精度和自动化水平，完成铣床的数控化改造工程研究。

1．4 论文总体思路(改造思想)及研究内容

在充分调查研究和技术分析的基础上，利用数控改造成功经验和自己在机械、电气、数控技术等方面的理论及实践基础，完成X5032铣床的数控化改造。改造后的铣床，具有数控功能，较先进的自动化加工能力。加工精度、效率、质量稳定性得以提高和保证。具体是：保留原机床的主进给功能，增加主轴的正，反转、启动／停车CNC控制功能，具有工进、快进、急停、显示行程、控制行程和报警及断电保护功能；实现工作台的x、Y两轴数控，两轴联动开环控制功能。

(1)技术鉴定和了解机床的机械传动部分改前的几何精度、尺寸精度，电气元器件及线路老化状况，对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析。

(2)机械部件测绘设计，完成x、Y向进给机构设计计算和滚珠丝杠的选型，初选步进电机。 (3)数控系统的分析选用．伺服系统和步进电机的配套选用。 (4)机床安装调试与试运行。

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第二章 数控机床及控制方式

2．1 数控机床的组成及工作原理

数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处联盟(International Federation ofInformation Processing，IFIP)第五技术委员会，对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其它符号指令规定的程序。

2. 1．1数控机床的组成

数控机床通常由程序载体(控制介质)、输入装置、数控装置、伺服系统、位置反馈系统和机床本体组成，如图2-I所示。其中实线部分为开环控制数控机床框图，上述系统再加上虚线部分，就构成具有测量反馈功能的闭环控制数控机床框图。

1 控制介质(信息载体) 数控机床加工时，为了得到图样上所规定的零件形状和加工精度，在加工过程中，机床所需要的全部操作动作和刀具相对于工件的运动轨迹，都是由我们按着一定的要求和顺序编成控制指令即加工程序，并把它存放在一种存储物上。此存储物就是在人和机床之间建立联系的媒介物，也就是控制介质或称信息载体。控制介质可以是穿孔纸带，磁带、磁盘或其他可存储物质。

2 数控装置数控装置 是数控机床的中心环节，它接受控制介质输入的信息，经过处理与运算去控制机床动作。数控装置由输入装置、存储器、控制器及一套处理数控加工的相关软件、运算器和输出装置组成。

3 伺服系统 是数控装置与机床的联系环节，它把来自数控装置的指令转变为机床部件的运动，使工作台和主轴按规定的动作运动，加工出合格产品。

2．1．2数控机床的工作原理

(1)在使用数控机床进行数控加工时，把零件的加工信息(如零件尺寸、形状和技术条件)编出工件加

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工程序，将加工工件时刀具相对于工件的位置和机床全部动作顺序，按规定格式和代码记录在信息载体上；

(2)把信息载体(控制介质)即工件加工程序输入计算机数控装置：

(3)数控装置接收由穿孔带、阅读机、磁盘、键盘等送入的代码信息，经过识别与译码之后送到指定存储区，作为控制与运算的原始数据：

(4)伺服驱动系统把来自数控装置的运动指令转变成机床移动部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或定位，加工出符合图样要求的工件：

(5)辅助装置把计算机送来的辅助控制指令，经机床接口电路转换成强电信号，用来控制机床主轴电机的启动停车，主轴转速调整，冷却泵启停以及转位换刀；

(6)反馈系统将机床移动的实际位置，速度参数检测出来。转换成电信号。并反馈到计算机中，使计算机随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。零件在机床上加工过程如图2-1所示，当改变加工上件时，在数控机床上只需改变加工程序即可进行新零件加工。

2．2数控机床控制方式选择

2．2．1位置控制方式分类

伺服系统是位置控制系统，是数控装置与机床的联系环节，位置控制按其结构分为开环控制和闭环控制。

2．2．1．1开环控制形式

如图2-2是典型的开环数控系统，其中没有位置检测反馈装置，指令是单方向传送的，并且指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环控制的伺服系统主要使用步进电机。插补器进行插补，发出指令脉冲，经驱动放大电路放大后，驱动步进电机转动，一个进给脉冲使步进电机转动一个角度，通过齿轮减速，丝杠传动使工作台移动一定距离，因此，工作台的位移量与步进电机的转角成正比，即与进给脉冲数目成正比。改变进给脉冲数目和频率，可以控制工作台的移动量和速度。

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开环控制结构简单，调试方便，容易维修，成本较低，但控制精度不高，适宜于经济型数控机床及数控改造。

2．2．1．2闭环控制形式

安装在工作台上的检测元件将工作台的实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位移量相比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止，从而使精度大大提高，如图2-3所示。闭环控制加工精度高，移动速度快，但电机控制电路比较复杂，检测原件价格昂贵，调试维修费用高。

2．2．1．3半闭环控制形式

半闭环控制没有直接检测工作台的位移量，原因是检测元件安装在电机的端头或丝杠的端头，闭环环路内不包括丝杠螺母副工作，所以可获得较稳定的控制特性。控制精度比闭环控制的要差，但控制系统调试维修方便。如图2_4所示。

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2．2．1.4结论

目前，机床数控化改造大多采用经济型数控改造即开环数控系统来提高机床的自动化程度和机床的加工精度，X5032铣床数控化改造采用的即是开环控制形式。

2．2．2步进电机的开环控制

步进电机是典型的开环驱动装置，与所选定的wA一21M数控系统相匹配，是将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。其角位移量和输入脉冲的个数严格的成正比，在时间上与输入脉冲同步。 2．2．2．1步进电机的工作原理

(I)步进电机的定子绕组每换接一次通电相序 步进电机转子就沿某旋向旋转一个角度即步距角φ。 Φ=360°/mzk 其中p一步距角；

m一定子绕组相数，通常有由三相、四相、五相等； z—转子齿数；K-与通电方式有关的系数，k=拍数／相数。

(2)步进电机的输出转角与输入的脉冲个数严格的成正比例，控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。

(3)步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。

n??360?60f??f6

其中 n-转速（r/min)； f- 控制脉冲频率（Hz)； ?-步距角（度数）。 (4)改变通电相序即可改变电机转向。 2．2．2．2步进电机开环控制系统构成

如图2-5是步进电机开环控制系统的构成及原理框图，它由脉冲信号源、脉冲分配器、功率放大器、步进电机组成。

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脉冲信号源 是一个脉冲发生器，脉冲的频率可以连续调整，送出的脉冲个数和脉冲频率由控制信。引空制。在CNC系统由计算机根据程序控制脉冲个数和脉冲频率，对步进电机实行各种运行状态的控制。

脉冲分配器 一方面接受输入脉冲和方向指令，另一方面面向功率驱动器供给控制信号。在方向指令的作用下，脉冲分配器将输入cP脉冲信号按～定顺序分配，然后送到驱动器进行功率放大，驱动步进电机使其转子按顺时针或逆时针方向转动。

功率驱动器 是一功率开关电路，其作用就是将从脉冲分配器送来的弱电信号经功率放大，控制步进电机各项绕组电流按一定的顺序切换，步进电机按要求运转。 步进电机是拖动负载的执行元件。

2．2．3数控机床开环系统速度计算

在开环系统中，坐标轴运动速度是通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现的，系统每发出一个脉冲，步进电机就转过一个角度，从而驱动坐标轴移动～定距离即脉冲当量(δmm)。插补程序根据零件轮廓要求向各个坐标轴分配脉冲，提供位置指令。而脉冲发送到步进电机的频率则确定了进给速度，进给速度V与脉冲发送频率f有如下关系：

V=60×δ×f mm/min = δ×f ×10-3 m/s

其中V-进给速度（m/s)； f-脉冲发送频率（Hz)； δ-脉冲当量（mm)。

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第三章 机械传动系统的改造设计

在机床数控化改造中，很重要的工作之一便是进行机械传动系统的改造设计，这里所提到的机械传动系统与一般的机械系统相比，除要求有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快。稳定性要好。为此在设计中，常提出无间隙，低摩擦．低惯量，高刚度，高谐振频率，适当的阻尼比要求。

机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件，以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承件、旋转支承件、轴系及架体等机构组成。常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带以及各种非线性传动部件等。

3．1机械传动系统改造设计方案

3．1．1改造设计任务

将一台X5032普通立式铣床，对其进给系统进行改造，成为用以实现平面、凸轮、沟槽、圆弧槽等复杂零件的自动铣削加工的数控铣床。

3.1.2 总体方案设计的确定

总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式，伺服系统的类型，以及传动方式和执行机构的

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选择等，在符合经济型数控改造一般原则的前提下，具体方案如下：

（1）保留机床原主轴运动系统，通过改造实现主轴正/反转，启动/停车的NC控制； （2）拆除机床工作台X、Y轴原有进给系统，将滑动丝杠副更换为滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱，减速齿轮，步进电机。对机床结构进行测绘，传动系统设计计算，选择合适的滚珠丝杠安装方式，完成齿轮传动机构设计，步进电机选则等。为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用磨擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便；需经常调整的部位调整应方便。

（3）选择经济型开环数控系统，确定步进驱动元件，实现机床工作台X、Y轴数控，主轴的部分数控功能要求。X、Y向步进精度为0.005/0.005mm/step;轴向定位精度0.015mm；重复定位精度0.008mm。

3.2 机械传动系统改造设计与计算

3.2.1 已知条件

1. 原x5032铣床数据

进给电机 额定功率 1.5kw 额定转速 1410rpm 最大水平托动力 15KN

最大进给速度 纵向 2.3m/min; 横向 1.54m/min ； 工件最大重量 200kg

机动范围 纵向 680mm; 横向 240mm； 主轴轴向移动距离 85mm 2.工艺数据

根据3.1.1改造设计任务的要求，参考《切削用量手册》，确定选择用YT15硬质合金端铣刀铣削，铣刀直径d0=0.125m；齿数Z=4；铣削宽度a0=0.07m；铣削深度ap=h=3.7×10-3m/s；每齿进给量af=2×10m/z；刀具耐用度T=10.8×10s；主轴转速n=(4.17-5.0)r/s=(250-300)rpm;切削速度v=(1.64-1.96)m/s;进给速度vf=（3.5-3.92）×10-3m/s。

3.机床进给部件重量估算

纵向（X轴）工作台 长1335mm 约重 2200N 横向（Y轴）工作台 长 445mm 约重4500N 4.对进给传动系统的要求

-4

3

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（l）、高的传动精度和定位精度

传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，也是机床特征的指标之一。在设计中在进给传动链中加入减速齿轮，以减少脉冲当量(即伺服系统接收一个指令驱动工作台移动的距离)，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法，可达到提高传动精度和定位精度的目的。

（2）、宽的进给调速范围

伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围， 以适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可到 3--6000mm/min(调速范围1：2000)。为了完成精确定位，伺服系统的 低速趋近速度达0.1mm/min。为了缩短辅助时间，提高加工效率，快速移动 速度应高达1 5m/min。 （3）、响应速度快

所谓快速响应特性是指迸给系统对指令输入信号的相应速度及瞬态过程 结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给 速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令， 进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。进给系统响应速度 的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。 （4）、无间隙传动

进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个 传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度。 （5）、稳定性好，寿命长

稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本条件，特别是在低速进给 情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系 统的惯性、刚性、阻尼及增益等都有关系，适当选择各项参数，并能达到最 佳的工作性能。 （6）、使用维护方便

数控铣床是高精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度及 复杂间的生产加工，机床的开机率相应就高，因而进给系统的结构设计应便 于维护和保养，最大限度地减少维修工作量，以提高机床的利用率。 拆除铣床原有的手柄和滑动丝杠螺母副，更换为滚珠丝杠副和减速齿轮

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及交流伺服电机。

3.2.2 进给系统计算，设计

3.2.2.1 纵向（X向）设计计算 1.纵向（X向）进给系统概述：

X5032经济型数控改造纵向进给系统采用步进电机一级减速齿轮传动，带动滚珠丝杠传动，并通过丝杠-螺母副带动工作台移动。一般把步进电机安装在纵向丝杠的右端，如图：

普通机床通常采用滑动丝杠实现旋转运动到直线运动的转换，其精度相对较低，摩擦因数大，传动效率低，因此在要求较高的场合应将其更换为滚珠丝杠。滚珠丝杠的传动效率高，无爬行，预紧后可消除反向间隙，精度高，因而在改造中得到了广泛的使用。 2. 滚珠丝杠的工作原理及特点：

滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。如图：

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在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生轴向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠、螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。滚珠丝杠螺母机构具有下列特点：

（1）摩擦损失小，传动效率高。滚珠丝杠螺母机构的传动效率可达0.92—0.96，是普通滑动丝杠螺母机构的3-4倍，而驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的1/4。

（2）运动平稳，摩擦力小，灵敏度高，低速时无爬行。由于主要存在的是滚动摩擦，不仅动，静摩擦因数都很小，且其差值很小，因而起动转矩小，动作灵敏，即使在低速情况下也不会出现爬行现象。

（3）轴向刚度高，反向定位精度高。由于可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度高，反向时无空行程，定位精度高。

（4）磨损小、寿命长、维护简单。使用寿命是普通滑动丝杠螺母机构的4-10倍。

（5）传动具有可逆性、不能自锁。由于摩擦因数小，不能自锁，因而使该机构的传动具有可逆性，即不仅可以把旋转运动转化为直线运动，而且还可以把直线运动转化为旋转运动。由于不能自锁，在某些场合，如传动垂直运动时必须附加制动装置或防止逆转的装置，以免工作台等因自重下降。 （6）同步性好。用几套相同的滚珠丝杠螺母机构同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。

（7）有专业厂生产，选用配套方便。 3. 滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整：

现代数控机床广泛采用施加预紧力来消除间隙，提高传动刚度，这是伺服进给系统机械传动机构设计中突出的一点。滚珠丝杠螺母轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量，为了保证反向运动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。

用预紧方法消除间隙时应注意，预加载荷能够有效的减少弹性变形所带来的轴向位移，但预紧力不宜过大，过大的预紧载荷将在年国家摩擦力，使传动效率降低，缩短丝杠的使用寿命。所以，一般需要经过多次调整才能保证机床在最大轴向载荷下既消除了间隙又能灵活运转。 对于x5032铣床，采用双螺母垫片调隙式结构。如图：

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通过调整垫片的厚度使左右螺母产生轴向位移，就可达到消除间隙和产生预紧力的作用，这种方法结构简单，刚性好，装卸方便，可靠，但缺点是调整费时，很难在一次修磨中调整完成，调整精度不高，仅适用于一般精度的数控机床。 4. 进给系统传动齿轮间隙的消除

普通机床的进给箱为齿轮箱。齿轮箱传动链长，机构复杂，反向间隙累计增大，大大降低了传动精度。进给箱部分的改造就是要取消元齿轮箱，换为具有消隙装置的一级减速机构传动副，以减小传动间隙，提高精度。

在机床改造中，步进电动机与丝杠传动副之间装有减速机构，通过减速机构可得到所需的脉冲当量和增大驱动力矩。通常采用齿轮传动或同步齿形带传动机构。齿轮减速机构结构简单，传动功率大，寿命长，成本低，所以在传动功率要求较大的场合较多采用。

在数控机床进给系统中，当考虑惯量，转矩或脉冲当量的要求，必须进行减速的情况下，采用齿轮传动。而减速齿轮的齿侧间隙使换向后的运动滞后于指令信号，造成开环伺服进给系统的死区误差，影响定位精度。因而在横向和纵向进给机构中采用双片齿轮错齿法。 5. 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 ① 铣削力的计算

Fr?9.81(789.3)aeafapzdo1.10.75?1.3n?0.2kFz

考虑修正系数 kFz?(?b0.673)0.3 （式中σb的单位为GPa)

将相关参数代入 得： Fz=2224.2N

对硬质合金端铣刀加工时作用于工件或工作台上的各切削分力有： 纵向分力 Px=（0.3~0.4）Fz 取Px=0.35 Pr 横向分力 Py=(0.85~0.95) Fz 取 Py=0.9 Pr 垂直分力 Pz=(0.5~0.55) Fz 取 Pz=0.525 Pr

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于是得： Px=778.47N

Py=2001.78N Pz=1167.71N

② 计算进给牵引力Fm：

X向（纵向）进给为燕尾型导轨则

Fm?KPx?f?(Pz?2Py?G)

式中 Px、Py、Pz一铣削分力（N）

G—移动部件重量

(考虑最大承载重量200kg)

f?—导轨上的摩擦系数 ,f?=0.2

K—考虑颠复力矩影响的实验系数 K=1.4

则 Fm =1.4×778.47+0.2(1167.71+2×2001.78+420×9.8)=2947.3N ③ 计算最大动负载C

选用滚珠丝杆副的直径do时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杆在回转100万转（10转）后，在它的滚道上不产生点蚀的现象，这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杆能承受的最大动负载C，可用下式计算：

C?36

LfwfhFm

式中 L—滚珠丝杠的寿命,以106转为一单位

L?60?n?T106

n—丝杆转速，（rpm），用下式计算

n?Vf—最大进给速度（m/min） 取Vf=3.92?10-3m/s L0—丝杆导程（mm）,L0=6mm 则代入n?VfL0VfL0

得：n=39.2rpm

T—滚珠丝杠的使用时间（h），对于数控机床T=15000h

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L?60?39.2?15000106?35.28

fw—滚珠丝杠运转系数

取fw=1.2;

fh-硬度系数， 取fh=1.1;

C?335.28?1.2?1.1?2947.3?12759.77N

④滚珠丝杆螺母副的选择

根据最大动载荷C值，，选取HJG—S系列FYC2D4006—5—4滚珠丝杠。该滚珠丝杠副属外循环双螺母凸出式，公称直径φ40，导程L0=6×10m，螺母上的负荷滚珠总圈数为5圈，精度为4级，右旋螺纹，其动载荷为29.126KN，远大于12.759.77 KN，故强度足够用。

⑤ 传动效率计算

-3

??tg?tg(???)

式中：γ—螺旋升角,??2?44'

?—磨擦角，滚珠丝杠的磨擦系数 f=0.003～0.004,则Φ=arctanf=10'

??⑥ 刚度计算

tg2?44'tg(2?44'?10?)?0.9423?94.23%

滚珠丝杠受Fm及受到扭矩引起的导程变化量：

?L??Fm?L0E?A+ML02πIE2

?L— 在工作负载Fm作用下引起每一导程的变化量（mm）

FmL0— 工作负载

— 滚珠丝杠的导程（mm）6?10m；

6

2

-3

E — 材料弹性模数，钢E=20.6?10（N/cm）； A — 滚珠丝杠横截面积（按内径确定）(mm2) “+” 用于拉伸，“-” 用于压缩

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A??R?2?d142

d1?d0?2e?2R外循环滚道圆弧半径 R=0.52dq ，滚珠直径 dq =3.969mm 滚珠丝杠副的接触角 β=45°；公称直径d0=40mm； 滚道圆弧偏心距e??R???dq?cos?=0.01√2dq 2??2

丝杠小径d1=d0+2e-2R=35.984mm 而滚珠丝杠横截面积 A???35.98442?1016.456mm

2丝杠承受转矩 M=Mjmaxi=19.2NM 所以 ?L??Fm?L0E?A-7+ML02πIE2=2947.312?0.62.1?10?10.16-77+1920?0.6272π?16.45?2.1?10?2

=82.88?10+3.186?10=86.07?10cm?8.607?10-7um所以 丝杠1米长度上导程变形总误差为 △=100L0△L?1000.6?8.607?10?2?14.34um

另外需要考虑到当工作台横向进给时，在纵向上会有较大的切削分力作用到滚珠丝杠致使滚珠丝杠发生变形。此时Fm=3.778KN, C=16.36KN，于是可计算1米范围内丝杠的螺距误差为：△=18um。 经查滚珠丝杠弹性变形允许的螺距误差（1米）得知：选用4（F)级精度丝杠的螺距误差18um/m<30um/m，刚度足够。

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⑦滚珠丝杠的安装：

数控机床的进给要求获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及支撑刚度不足，也是不可忽视的因素，滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及支承刚度不足，还会使滚珠丝杠的使用寿命大大下降。

滚珠丝杠的支撑方式有“双推-自由”，“双推-支承”，“单推-单推”，“双推-双推”四种方式，其中“双推支承”方式两方向的推力轴承8206和7206型向心角接触球轴承装在有右端，另一端装一个7206型向心角接触球轴承，避免或减少了丝杠因自重而造成的弯曲，结构也较为简单。对于x5032铣床的改造，根据纵向装置的具体情况，选用此种支承方式。

这种支承形式的特定是安装时需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难；这种形式的丝杠的轴向刚度和一端固定一端自由的支撑形式相同，但压杆稳定性和临界转速更高。丝杠有热膨胀的余地，即丝杠固定端承受径向力和两个方向的轴向力，而另一端只承受径向力，并能做微量轴向浮动。

纵向进给装置中，滚珠丝杠与工作台固定，螺母与中拖板固定。纵向进给时，螺母不动，丝杠转动并移动。在纵向滚珠丝杠螺母座的设计中，关于螺母与螺母座的固定方案，在不改动中拖板铸件结构的前提下，比较了两种方案：方案一：采用中拖板的原有凸座作为螺母座，然而滚珠丝杠中双螺母的连接要靠一个平键，因此需要在螺母座上插一键槽。由于加工此键槽的中拖板设计及制造较为困难，此方案未予采用。方案二：将中拖板中的凸座铣掉，另制造一个螺母座，然后用螺钉及定位销固定在中拖板上。该方案较于方案一将会出现较大的同轴度误差，但采用适当的工艺措施可以解决。工艺措施如下：

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（1）将未镗孔的螺母座用螺钉紧固到中拖板上，打上定位销定位后，镗孔； （2）取下镗孔后的螺母座在插床上插出键槽； （3）将螺母装回机床。

⑧ 稳定性校核：

根据压杆工作，不失稳的条件是： nk?2pkp?[nk] [nk]=2.5~4

而pk??EI(ul)2N

其中E=21?106N/cm2；L—丝杠工作长度（cm) I—界面惯性矩 I?取L=44.5cm；

?32d

4u—由支撑条件决定的轴端系数，一端固定一端自由，此处u=2 则I=16.45cm

4

Pk=9.373?103 KN nk=3.18>[ nk ]=2.5-4

则I=10.29cm4 6. 齿轮传动计算 纵向进给齿轮传动比计算

i??bLo360?p

式中

δp—脉冲当量 δp=0.005mm/step，

Lo—滚珠丝杆导程 Lo=6mm ?b—步进电机步距角0.72o

i?0.72?6360?0.00523

?2

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可取齿轮齿数：Z1=25，Z2=50；齿轮Z2为双片齿轮。

模数m取2，压力角 а=20°；齿轮宽度b=20mm；有关齿轮的参数如下表所示：

齿轮传动比参数(mm)

齿数 分度圆 齿顶圆 齿根圆 齿宽 中心距

7. 纵向进给步进电机计算 ⑴ 等效转动惯量计算

J??JM?J1+J2?Jsi2 d=mz Da=d+2m Df=d-2×1.25 (6~10)m A=(d1+d2)/2 25 50 54 47.5 20 75 50 100 104 97.5 20

式中 JM——步进电机转子转动惯量（kg·cm）；

J2——双片齿轮Z1的转动惯量（kg·cm2）；

2

J1——普通齿轮Z2的转动惯量（kg·cm2）；

Js——滚珠丝杠转动惯量（kg·cm2）。

参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量为Jm=10（kg·cm2）。 双片齿轮J=??rDL32g4?10×2=0.78×10×d14?L×2=7.8×10×2×10

?3-34-4

=15.6kg·cm2=1.53?10-2NM2 普通齿轮J=??rDL32g4?10=0.78×10×d24?L=7.8×5×2×10

?3-34-4

=0.975 kg·cm2=0.0955?10-2NM2

丝杠的转动惯量

对于HJG—S系列，FYC1D4006-5—4—1639／990滚珠丝杠，其支承间距长度为 L=1335mm，公称直径do=40mm

则 Js=0.78×10-3×44×133.5=26.657kg·cm2=2.61?10-2NM2

工作台质量折算到电机轴上的转动惯量；预选步进电机J130BYG3H840C。

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步距角φ=0.72°， 脉冲当量δ=O.005/step G1=420kg JM=（180?2）W

??JM= 266.238kgmm2 = 2.66238kgcm2 = 2.609?10-3NM2 因此总的转动惯量为

J=0.2609+0.0955+（1.53 +2.61）/4=1.3914?10NM= 14.198kgcm ⑵电机力矩计算

-2

2

2

机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算： 快速空载启动时所需力矩 M=Mamax?M最大切削力矩时所需力矩 M?Mat?Mff?M0 ?M0?Mt

快速进给时所需力矩 M=Mf?M0

其中 Mamax— 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩（NM)

Mf— 折算到电机轴上的摩擦力矩 （NM)

M0—由于丝杠预紧引起折算到电机轴上的附加摩擦力矩（NM) Mat—切削时折算到电机轴上的加速度力矩 （NM）

Mt—折算到电机轴上的切削负载力矩 （NM)

①计算加速力矩：

M?J????J?nmax602??tavmaxiL0amax?10?2?J??2??nmax?1060?ta?2

nmax?nmax——电机最高转速； ta——起动加速时间；

J——折算到电动机轴上的总惯量； 将数据代入，得：

nmax?vmaxiL0=2300mm/min?26mm?766.7rmin

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时间常数ta=25ms 代入得：

Mamax?J?nmax9.6T?4.536NM

又af=0.2mm Z=4, f = afZ =0.8mm 主轴转速n=300r/min 所以nt=300r/min

nt?300?0.8?26?40r/min ?10?4得Mat?14.198?409.6?0.025?0.2366NM

②计算折算到电机轴上的磨擦力矩Mf：

Mf?F0L02??i?fGL02??z2z1

F0——导轨摩擦力；L0——丝杠螺距； i——齿轮降速比；

η ——传动链总效率，一般取0.7-0.85；当η=0.8时，k=1.4, f=0.2；

Mf?F0L02??i?fGL02??z2z1

?0.2?420?0.62??0.8?2?5.016kg?cm?0.49NM

③由于丝杠预紧引起折算到电机轴上的附加磨擦力矩M0： 当滚珠丝杠未预紧时的效率η0=0.9时，预加载荷 Fp0=1/3Fx

1?F?LM02?(1??)?3(1??0)z2??i2??2z1Fp0L020M0

?778.47?0.62??0.8?1(1?0.8)?16.33N?cm?0.1633NM

2④最大切削负载时所需力矩M切 Mt?FxL02??i=778.47?6?102π?0.8?2-3=0.4649NM

所以快速启动时所需力矩 M= Mamax + Mf + M0 = 5.1893 NM 切削时所需力矩 M= Mat + Mf + M0 + Mt = 1.3548NM

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快速进给时所需力矩 M = Mf + M0 = 0.6533NM

经比较所需要最大力矩发生在快速启动时为： Mmax=5.1833NM (3)步进电机的匹配选择

在铣削加工时，由于材料不均匀等因素的影响，会引起负载转矩突然增加，为避免计算机上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电机丢步，从而引起加工误差，可以适当考虑安全系数。安全系数一般可取K=1.2-2.5之间或按公式M'》Mmax/(0.3-0.5)计算。 若K = 2.5 则步进电机可按一下总负载转矩选取M'= k Mmax 得 M’=12.9NM

若选用上述预选电机J110BYG5502，其最大静转矩Mjmax=16NM,在五相十拍驱动时，其步距角为0.72°/步；五相二十拍时，其步距角为0.36°/步。为保证带负载能正常加速启动和定位停止，电机的启动转矩Mq必须满足Mq》M'。

经差步进电机相数、拍数、启动力矩表（《经济型数控机床系统设计》张新义主编）得： Mq/Mjmax=0.951,于是Mq=0.951Mjmax=0.951×16=15.216NM>12.9NM 电机正常工作频率 fmax=Vmax/60δp

fmax=3833Hz < 20000Hz 电机能正常启动运行，故选用合适。 3.2.2.2 Y向（横向）设计计算

1.已知条件 ：

工作台重量（含最大承载重量200kg) G=650kg 时间常数 T=25ms 快速进给速度Vmax=1540 mm/min； 横向进给系统设计与纵向相似

2.计算进给牵引力：

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Y向（横向）进给为燕尾型导轨则

Fm?KPz?f?(Px?G) 式中 Px、Py、Pz一铣削分力（N）

G—移动部件重量

(考虑最大承载重量200kg)

f?—导轨上的摩擦系数 ,f?=0.16

K—考虑颠复力矩影响的实验系数 K=1.4

则 Fm =1.4×1167.71+0.16(778.47+650×9.8)=2278.55N 3. 计算最大动负载C

选用滚珠丝杆副的直径do时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杆在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀的现象，这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杆能承受的最大动负载C，可用下式计算：

C?3LfwfhFm

式中 L—滚珠丝杠的寿命,以106转为一单位

L?60?n?T106

n—丝杆转速，（rpm），用下式计算

n?VfL0

Vf—最大切削条件下的进给速度（m/min） 取Vf=2.57?10-3m/s L0—丝杆导程（mm）,L0=6mm 则代入n?VfL0得：n=25.7rpm

T—滚珠丝杠的使用时间（h），对于数控机床T=15000h

L?60?44?15000106?39.6

fw—滚珠丝杠运转系数 取fw=1.2;

fh-硬度系数， 取fh=1.1;

C?325.7?1.2?1.1?2947.3?8685N

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4.滚珠丝杆螺母副的选择

根据最大动载荷C值，，选取滚珠丝杠型号HJG-S FYC1D3206-5-4(365/330),该滚珠丝杠副属外循环双螺母凸出式．公称直径φ32，导程L0=6×10-3m，螺母上的负荷滚珠总圈数为5圈，精度为4级，右旋螺纹，其动载荷为19.417KN，远大于8.65 KN，故强度足够用。

5. 传动效率计算

??tg?tg(???)

式中：γ—螺旋升角,??2?44'

?—磨擦角，滚珠丝杠的磨擦系数 f=0.003～0.004,则?=arctanf=10'

??6.刚度计算

tg2?44'tg(2?44'?10?)?0.9423?94.23%

滚珠丝杠受Fm及受到扭矩引起的导程变化量：

?L??Fm?L0E?A+ML02πIE2

?L— 在工作负载Fm作用下引起每一导程的变化量（mm）

FmL0— 工作负载

— 滚珠丝杠的导程（mm）6?10-3m；

E — 材料弹性模数，钢E=20.6?106（N/cm2）； A — 滚珠丝杠横截面积（按内径确定）(mm2) “+” 用于拉伸，“-” 用于压缩

A??R?2?d142

d1?d0?2e?2R外循环滚道圆弧半径 R=0.52dq ，滚珠直径 dq=3.969mm 滚珠丝杠副的接触角 ?=45°；公称直径d0=32mm；

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滚道圆弧偏心距e??R???dq?cos?=0.01√2dq 2??丝杠小径d1=d0+2e-2R=27.984mm2 而滚珠丝杠横截面积 A???27.98442?615.44mm

2丝杠承受转矩 M=Mjmaxi=14.2NM 所以 ?L??Fm?L0E?A-7+ML02πIE2=2278.55?0.62.1?10?6.154-7-77+1420?0.6272π?10.29?2.1?10?2

=105.78?10+2.356?10=108.13?10cm?10.813?10um所以 丝杠1米长度上导程变形总误差为 △=100L0△L=1000.6?10.813?10=18.02-2

经查滚珠丝杠弹性变形允许的螺距误差（1米）得知：选用4（F)级精度丝杠的螺距误差18.02um/m<30um/m，刚度足够。 7. 稳定性校核：

根据压杆工作，不失稳的条件是： nk?2pkp?[nk] [nk]=2.5~4

而pk??EI(ul)2N

其中E=21?106N/cm2；L—丝杠工作长度（cm) I—界面惯性矩 I?取L=44.5cm；

?32d

4u—由支撑条件决定的轴端系数，一端固定一端自由，此处u=2 则I=16.45cm4

Pk=27.3?103 KN nk=27.3/2.27855=11.97>[ nk ]=2.5-4

所以，X向滚珠丝杠稳定性足够。 8. 齿轮传动比计算 横向进给齿轮传动比计算

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i??bLo360?p

式中

δp—脉冲当量 δp=0.005mm/step，

Lo—滚珠丝杆导程 Lo=6mm ?b—步进电机步距角0.72o

i?0.72?6360?0.005?2

可取齿轮齿数：Z1=25，Z2=50；齿轮Z2为双片齿轮。

模数m取2，压力角 а=20°；齿轮宽度b=20mm；有关齿轮的参数如下表所示：

齿轮传动比参数(mm)

齿数 分度圆 齿顶圆 齿根圆 齿宽 中心距 9. 横向进给步进电机计算 ⑴ 等效转动惯量计算

J??JM?J1+J2?Jsi2 d=mz Da=d+2m Df=d-2×1.25 (6~10)m A=(d1+d2)/2 25 50 54 47.5 20 75 50 100 104 97.5 20

式中 JM——步进电机转子转动惯量（kg·cm2）；

J2——双片齿轮的转动惯量（kg·cm2）；

2

J1——普通齿轮的转动惯量（kg·cm）；

Js——滚珠丝杠转动惯量（kg·cm）。

2

参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量为Jm=10（kg·cm2）。 Z1普通齿轮J=??rDL32g4?10?34-42

=0.78×10×d1?L1=7.8×5×2×10=0.975 kg·cm

-3

4=0.0955?10-2NM2

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Z2双片齿轮J=??rDL32g4-342

?10=0.78×10×d2?L1=0.78×10×10×2=15.6kgcm

?3-3

4=1.53?10-2NM2

丝杠的转动惯量

对于HJG—S系列，FYC1D4006-5—4—1639／990滚珠丝杠，其支承间距长度为 L=445mm，公称直径do=32mm

则 Js=0.78×10-3×44×133.5=26.657kg·cm2=2.61?10-2NM2

工作台质量折算到电机轴上的转动惯量；预选步进电机J130BYG3H840A。 步距角φ=0.72°， 脉冲当量δ=O.005/step JM=（180???2）W

JM= 266.238kgmm= 2.66238kgcm

2 2

= 0.2609?10NM

-22

-2

2

2

因此总的转动惯量为J=0.2609+0.0955+（1.53 +2.61）/4=1.3914?10NM= 14.198kgcm ⑵电机力矩计算

机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算： 快速空载启动时所需力矩 M=Mamax?M最大切削力矩时所需力矩 M?Mat?Mff?M0 ?M0?Mt

快速进给时所需力矩 M=Mf?M0

其中 Mamax— 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩（NM)

Mf— 折算到电机轴上的摩擦力矩 （NM)

M0—由于丝杠预紧引起折算到电机轴上的附加摩擦力矩（NM) Mat—切削时折算到电机轴上的加速度力矩 （NM）

Mt—折算到电机轴上的切削负载力矩 （NM)

①计算加速力矩：

M?J????J?nmax602??ta?10?2amax?J??2??nmax?1060?ta?2

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nmax?vmaxiL0

nmax——电机最高转速； ta——起动加速时间；

J——折算到电动机轴上的总惯量； 将数据代入，得：

nmax?vmaxiL0=1540mm/min?26mm?513.3rmin

时间常数ta=25ms 代入得：

Mamax?J?nmax9.6T?3.04NM

又af=0.2mm Z=4, f = afZ =0.8mm 主轴转速n=300r/min 所以nt=300r/min

nt?300?0.8?2?40r/min得Mat?614.198?409.6?0.025

?10?4?0.2366NM

②计算折算到电机轴上的磨擦力矩Mf： Mf?F0L02??i?fGL02??z2z1

F0——导轨摩擦力；L0——丝杠螺距； i——齿轮降速比；

η ——传动链总效率，一般取0.7-0.85；当η=0.8时，k=1.4, f=0.2； Mf?F0L02??i?fGL02??z2z1

?0.2?650?0.62??0.8?2?7.76kg?cm=0.76NM

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③由于丝杠预紧引起折算到电机轴上的附加磨擦力矩M0： 当滚珠丝杠未预紧时的效率η0=0.8时，预加载荷 Fp0=1/3Fx

1?F?LM02?(1??)?3(1??0)z2??i2??2z1Fp0L020M0

?

759.5?0.62??0.8?22(1?0.8)?16.33N?cm=0.1633NM

④最大切削负载时所需力矩M切 Mt?FxL02??i=778.47?6?102π?0.8?2-3=0.4649NM

所以快速启动时所需力矩 M= Mamax + Mf + M0 = 3.96NM 切削时所需力矩 M= Mat + Mf + M0 + Mt = 1.6248 NM 快速进给时所需力矩 M = Mf + M0 = 0.92NM

经比较所需要最大力矩发生在快速启动时为： Mmax=3.96M (3)步进电机的匹配选择

在铣削加工时，由于材料不均匀等因素的影响，会引起负载转矩突然增加，为避免计算机上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电机丢步，从而引起加工误差，可以适当考虑安全系数。安全系数一般可取K=1.2-2.5之间或按公式M'》Mmax/(0.3-0.5)计算。 若K = 2.5 则步进电机可按一下总负载转矩选取M'= k Mmax 得 M’=9.9NM

若选用上述预选电机J110BYG5502，其最大静转矩Mjmax=16NM,在五相十拍驱动时，其步距角为0.72°/步；五相二十拍时，其步距角为0.36°/步。为保证带负载能正常加速启动和定位停止，电机的启动转矩Mq必须满足Mq》M'。经差步进电机相数、拍数、启动力矩表（《经济型数控机床系统设计》张新义主编）得：

Mq/Mjmax=0.951,于是Mq=0.951Mjmax=0.951×16=15.216NM>9.9NM 电机正常工作频率 fmax=Vmax/60δp

fmax=3833Hz < 20000Hz 电机能正常启动运行，故选用合适。

3.3 数控铣床的导轨

(1). 数控铣床对导轨的基本要求：

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铣床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁等支承件上的导轨进行运动的，导轨的作用概括的说是对运动部件起导向和支承作用，导轨的制造精度及精度保持性对机床加工精度有着重要的影响。数控铣床对导轨的主要要求如下。

（1）导向精度高 导向精度是指机床的动导轨沿支承导轨运动的直线度（对直线运动导轨）或圆度（对圆周运动导轨）。无论空载还是加工，导轨都应该具有足够的导向精度，这是对导轨的基本要求。各种铣床对于导轨导轨本身的精度都有规定或标准，以保证导轨的导向精度。

（2）精度保持性好 精度保持性是指导轨能否长期保持原始精度。影响精度保持性的主要因素是导轨的磨损，此外，还与导轨的结构形式及支承件的材料有关。数控铣床的精度保持性要求比普通机床高，应采用摩擦因数小的滚动导轨，塑料导轨或静压导轨。

（3）足够的刚度 机床个运动部件所受的外力，最后都由导轨面来承受。若导轨受力后变形过大，不仅破坏了导向精度，而且恶化了导轨的工作条件。导轨的刚度主要决定于导轨类型，结构形式和尺寸大小、导轨与床身的连接方式、导轨材料和表面加工质量等。数控铣床的导轨截面积通常较大，有时还需要在主导轨外添加辅导导轨来提高刚度。

（4）良好的摩擦特性 数控铣床导轨的摩擦因数要小，而且动、静摩擦因数应尽量接近，以减少摩擦阻力和导轨热变形，使运动轻便平稳，低速无爬行。

此外，导轨结构工艺性要好，便于制造和装配，便于检验、调整和维修，而且有合理的导轨防护和润滑措施等。

普通机床的导轨多采用铸铁-铸铁或铸铁-淬火钢滑动导轨，其静摩擦因数大，动静摩擦因数相差较大，低速时易出现爬行，影响运动的平稳性和定位的精度，力矩损失大。而将导轨改造为滚动导轨或静压导轨工艺复杂，费用大，周期长。较为常见的是采用在原导轨上粘接聚四氟乙烯软袋的方法。这种方法实现比较方便，费用低，动、静摩擦因数相差小，耐磨性和抗咬伤力强，具有良好的自润滑性和抗振性，进给运动无爬行，运动平稳，因而得到了广泛采用。 (2). 机床导轨贴塑工艺实施

在机床数控化改造工作中，除进行两坐标轴的机械改造，配置数控系统、步进电机．实现机床的数控加工，提高机床的自动化能力，产品质量和生产力水平外，还有一项对机床性能有重要影响的工艺措施，那就是对机床导轨实旆贴塑工艺。 （1） 塑料导轨软带的类型与特点

塑料导轨已广泛用于数控机床上，其动、静摩擦系数相差很小， 能防止低速爬行现象；耐磨性、抗撕伤能力强；加工性和化学稳定性好，工艺简单，成本低，并有良好的自润滑和抗震性。塑料导轨多与铸铁导轨或淬硬钢导轨相配使用。

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近年来，国内外已研制了数十种塑料基体的复合材料用于机床导轨，其中比较引人注目的为应用较广的填充PTEE(聚四氟乙烯)软带，如美国的霞板(Shanban)公司的德尔赛“塑料导轨软带和我国的TSF软带口”。塑料导轨与其他导轨相比，有如下特点： 1 摩擦因数低而稳定，比铸铁导轨低一个数量级。

2 动、静摩擦系数相近。运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好。 3 吸收振动。具有良好的阻尼性。

4 耐磨性好。有自润滑作用，无润滑油也能工作。灰尘磨粒的嵌入性好。 5 化学稳定性好。耐磨、耐低温、耐酸、强碱、强氧化性及各种有机溶剂。 6 维护修理方便。

7 经济性好。结构简单，成本低，约为滚动导轨成本的1／20。 （2） 塑料软带应用及贴塑工艺

对数控机床来说，导轨副除具有普通机床导向精度和工艺性外，还应考虑具有良好的耐摩擦、耐磨损特性、并避免因摩擦阻力而产生死区，同时又有足够的刚度，以减小导轨副变形对加工精度的影响，更要有合理的导轨副防护和润滑。本改造实例的改造工艺采用导轨面经机械加工后贴一层聚四氟乙烯软带这一贴塑方案。 ① 聚四氟乙烯导轨板阿性能

成分： 聚四氟乙烯、青铜粉、其它填充料 最大可承受压力：llMpa 干摩擦系数：0．05

有润滑时的摩擦系数：0．03 ② 聚四氟乙烯导轨板的规格

导轨板长度约4m，导轨板一般选用1．0、1．2ram厚度。导轨板太厚，导轨板自身容易产生变形影响运动精度，导轨板太薄则在精加工其表面时，容易穿透。本次应用1．0：mm软带进行工艺改造。 ③ 贴塑工艺

塑料软带一般粘贴在短的动导轨上，不受导轨形式限制，其粘贴工艺包括：金属导轨面加工：软带切割成形及清洗；粘贴及加工。

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第四章 机床参数的设定与调试

系统参数决定系统工作方式，系统要正常工作，必须正确设置系统参数。一般情况下，系统在出厂时，系统参数己设好；现场调试时，根据机床的具体情况，可修改系统参数。进入系统参数要输入口令，输入口令便可进入系统对各坐标轴电机运行方向、回机床零方向、脉冲迸给当量、加速过程、手动速度、机床零点返回参数、延时及间隙补偿等参数进行设置14引。在调试过程中，会涉及许多参数的设定，如PLC参数、坐标参数、回参考点参数、软限位反向间隙补偿参数、丝杠螺距误差补偿参数、主轴参数等，每一参数均应按手册说明及机床配置合理设置，方能进行调试。

4．1系统常用技术参数设定

数控系统的参数设置是非常重要的环节。数控系统是整个机床的控制者，调整好这些参数，将有利于机床的正常运行，DTM．5T数控系统的参数可分为：NC参数、PLC参数以及功能部件参数(驱动器参数、变频器参数)。 1、进给轴参数

DTM．5T数控系统出厂时的系统配置为铣床系统——即坐标设定为第一轴为X轴，第二轴为Y轴，第三轴为Z轴，第四轴为主轴，加工工艺设定为铣削。DMT-5T交流伺服电机的动态特性如图所示，系统的一个独特功能是对进给轴(坐标轴)的动态特性进行优化。利用点动方式测试进给轴的动态特性，设定坐标的最高速度，并选择合适的加速度。

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2、主轴参数设置

(1)如果采用交流电机加变频器驱动方式，或采用伺服电机驱动主轴方式，则该值为1； (2)如果主轴无编码器反馈，则以下参数为0； (3)下列主轴参数应设定；

(4)计算监控频率：主轴转速3000转／分=50转／秒；50转／秒×1024脉冲／转=51200脉冲／秒，加权后填入的机床参数，；

(5)如果使用模拟量控制的主轴而且还有机械换档；

(6)在上述参数调试完毕后，需要根据用户的需要设定数据保护级； 3、PLC参数设定．

DMT-5T的CNC控制器由NCK(Numerical Control Kemel，数控控制核心)、MPC(Machine Control Panel， 机床控制面板)和PLC(ProgrammableLogical Controller，可编程逻辑控制器)组成14引。NCK负责进给轴的进给量、进给速度的控制，以及进给轴联动时进给路径的插补计算；且对模拟主轴的转速进行控制。NCK通过向驱动系统发送一定数量和频率的指令脉冲以及模拟量，来实现上述控制。MPC则通过控制面板上的按键、开关、显示器、指示灯，来实现CNC同操作人员的交流。PLC通过逻辑(PLC用户)程序、参数(PLC参数)以及I／O接口来控制整个CNC的工作方式(手动、自动、编程方式)、加工的启动或停止以及实现机床辅助功能(冷却、润滑、刀架、卡盘)的管理。PLC通过NCK传送PLC的参数(NCK．PLC，只读)，来获知NCK的运行状况，并通过PLC传送MCP的参数(PLC-NCK，可读／可写)，来控制NCK的运行；通过PLC传送给MCP的参数(PLC．MCP，可读／可写)，来把NCK的运行状况和结果显示CNC的操作者。同理，PLC通过MCP传送给PLC的参数(MPC．PLC，只读)，来获知CNC操作者的键盘指令；通过输出接口或PLC-NCK参数，来执行操作者的键盘指令，并且PLC．MCP的参数，把键盘指令的运行状况和结果显示给CNC的操作者，就像CNC的输入输出接口(I／O接口)，把CNC的外部现场设备(冷却、润滑、刀架、卡盘、限位开关、按扭等)与CNC紧密地联系在一起一样；PLC参数把NCK、MPC同PLC紧密地联系在了一起，可以把这些参数看成PLC的“软I／O接口”。 4、驱动器参数设定

DMT-5T使用交流伺服电机驱动系统，其驱动器STEPDRIVE：C。驱动器可以驱动不同扭矩的交流伺服电机。在调试时需要按照所使用电机的扭矩设定驱动器的驱动电流。 5、回参考点逻辑及间隙补偿 (1)回参考点逻辑

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DMT-5T系统很多功能都建立在参考点的基础上。自动方式和MDA方式只有在机床返回参考点后才能进行操作。反向间隙和丝杠螺距误差补偿也只有在返回参考点后才能生效。 (2)回参考点模式

参考点设置配置有两种模式即双开关模式和单开关模式。所谓双开关模式，就是在坐标轴上有减速开关，在丝杠上有一接近开关(丝杠每旋转一周产生一个脉冲)，减速开关信号输入至PLC模块，而接近开关产生的脉冲信号输入至控制系统的高速输入口∞0)，该方式可高速寻找减速开关，然后低速寻找接近开关，这样回参考点的速度快且精度高。而且接近开关还可用作脉冲监控。 (3)设定坐标的软限位及反向间隙补偿

在返回参考点功能调试完成，参考点位置之后，相应位置软限位；测试反向间隙，并进行反向间隙补偿；

(4)旋转监控功能设置

如果机床采用参考点配置I，利用丝杠每转一圈接近开关产生的脉冲对交流伺服的输出脉冲进行监控，电机每转脉冲数的容差应考虑到接近开关两个沿的位置以及在最高进给速度时的跟随误差。该参数设定后，系统在下一次上电时将对系统内存进行重新分配，用户信息如零件程序，固定循环，刀具参数等将被清零。 6、机电联调

机床的定位精度是测量机床各坐标轴在数控系统的控制下所能达到的位置精度。根据实测的定位精度数值，可以判断这台机床以后自动加工所能达到的加工精度。定位精度决定与数控系统和机械传动的误差，所以应对机床进行间隙补偿两的调整，使机床调到最佳状态。 (1)软、硬限位参数设定

为了保证数控机床的运行安全，每个直线轴的两端都要进行限位，数控机床的限位可分为硬限位和软限位两种。在伺服轴的正、负极限位置1装有限位开关或接近开关，这就是所谓的硬限位。硬限位是伺服轴运动超程的最后一道防护，越过硬限位后的很短距离就到达机械硬限位。伺服轴的软限位是以机床参考点为基准。 (2)参数选择

①回参考点速度设定：寻找参考点，按三个阶段设计，以达到精确回参考点，如图6．2所示。其中：

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Vc一寻找减速模块速；VM一寻找同步脉冲(即BERO接近开关信)； VP--参考点定位速度。

4．2反向间隙补偿

机械传动链在改变转向时，由于齿隙的存在，会引起进给电机的空走，而无工作台的实际移动，这种齿隙误差对于机床加工精度具有很大的影响，必须加以补偿。CNC系统是在位控程序计算反馈位置增量的过程中加入齿隙补偿以求得实际反馈位置增量的，各坐标轴的反向间隙值被预先测定好，作为机床参数写入CNC系统中。每当检测坐标轴改变方向时，自动将齿隙补偿值加到由反馈元件检测到的反馈位置增量中，但如果齿隙太大，要分交流伺服行补偿，其原理如图所示。

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4．3丝杠螺距误差补偿

螺距误差补偿一般选取机床参考点作为补偿的基准点，首先应计算补偿点数，输入CNC系统，因为CNC系统在补偿前必须得到各补偿点的反馈增量值修正(IFC，Incremental Feed Correction)，各补偿点的补偿值一般采用激光干涉仪测量得到。通过螺距补偿，定位误差大幅度减小。螺距误差补偿是按轴进行的，并且只有在返回参考点后生效。螺距误差补偿的点数和丝杠的长度、补偿间距等有关系。IFC=(数控指令命令值．实际命令值)／伺服分辨率 K≥(LE—Ls)／△L+I (6-2) 式中：

LE～丝杠补偿段终点； Ls一丝杠补偿段起点；

AL一采样长度(相邻两个补偿点的长度)。

当丝杠的长度一定时，补偿间距越小，则点数越多，定位精度越高。但补偿点数越多时占用的用户存储器空间越大，从而使得用户程序等存储空间相应减少。螺距误差补偿的基本步骤如下： 1、计算补偿点数，定置间距；

2、测量各点的补偿值，测量5次取平均值； 3、采用CNC系统生成补偿文件； 4、补偿文件传入PC计算机； 5、在PC机上编辑并输入补偿值； 6、将补偿文件再传入CNC系统中； 7、激活丝杠螺距误差补偿功能。

4.4调试内容

调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生。调试现场必须清理干净，无多余物品；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实际操作；先手动后自动。

4．4．1调试步骤

根据说明书把要修改的参数进行修改，首先是手动调试，在系统中给出相应的进给量，如：0．01mm，把百分表放在要测的位置，如果要测Y轴，则把磁力表座吸在导轨面上，把表头触在中拖板上即可；如要测X轴，把表头触在刀架上即可。然后自动，编一个小小的程序，让X轴、Y轴自动工作，包括

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正向和反向，还有刀架的运转。如图所示。再对系统中的每一项进行调试，如：手动、自动、参数的修改、程序的编辑和输出等各项。最后是工件试切，看是否能达到所要求的精度。注意：要对外圆、直线和孔的试切，一般孔的试切的正确是否与主轴编码器的安装是否正确直接相关联。

4．4．2常见的故障及解决方法

调试中常见的故障及解决方法：例如：在调试时我曾遇见产生伺服报警就可能有以下各种原因： (1)镶条松动，造成某个方向过紧。 (2)导轨润滑不好造成摩擦力过大。

(3)滚动丝杠换向器有问题，导轨丝杠卡住。

(4)伺服系统增益过大，造成电动机启动，停止时冲击过大。 (5)伺服电机抱闸没打开。 (6)切削量过大。 (7)刀具损坏。 (8)防护罩卡住。

每一项故障的产生原因都有多种因素。因此遇到问题不能惊慌。首先要确定故障发生时有无特殊的情况，如：是否有撞击声音产生；是否有电弧光现象；是否有特殊气味等。然后根据不同的现象解决不同的问题。再例如：加工出来的产品不合格，则首先检查刀具是否损坏，接着检查的就是主轴编码器的安装与主轴的转速是否同步等原因。

电气方面：数控机床的电气故障可按故障的性质、表象、原因或后果等分类。

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(1)以故障发生的部位，分为硬件故障和软件故障；

(2)以故障出现时有无指示，分为有诊断指示故障和无诊断指示故障； (3)以故障出现时有无破坏性，分为破坏性故障和非破坏性故障； (4)以故障出现的或然性，分为系统故障和随机性故障；

(5)以机床的运动品质特性来衡量，则是机床运动特性下降的故障。

4．5本章小结

本章重点讲述了数控机床的各项参数的设定，并通过这些参数说明机床的各种运动状态。同时，结合工作实际，详细讲述了数控铣床的调试过程以及发生故障的现象和原因。

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第五章 结论与展望

5．1结论

经过两个月的课题研究，在充分调查与技术分析基础上，查阅了大量的资料，利用自己在机械、电气、数控技术等方面的理论与实践基础，借鉴机床数控化改造的经验，顺利完成了X5032立式升降台铣床的数控化改造工作，并取得了一定成果。

1．针对X5032铣床结构特点及使用多年，铣床精度、使用功能下降，零件质量无法保障等问题，提出机床数控化改造总体方案和主体思路：即提高机床自动化程度(数控化)问题：扩展机床功能问题：解决机床精度下降，质量无保障问题。

2．选配华兴WA一21M经济型数控系统，WD5LD01混合式步进驱动电源和110BYG5502步进电机，完成X5032立式升降台铣床数控化改造，实现x、Y、两坐标控制，两坐标联动的开环控制方式。机床步进精度O．005/0.005mm，重复定位精度为O．008mm，轴向定位精度O．015mm。

3．完成铣床纵向(x)、横向(Y)、进给机构的重新设计，拆除原丝杠、升降台中用于实现工作避给的齿轮传动机构，两轴方向均采用数控伺服驱动系统来驱动步进电机、减速齿轮、滚珠丝杠，进而驱动工作台运动，实现数控进给方案。

4．经济效果显著。仅用3．67万元就可以把一台普通旧机床改造成了一台新数控机床，同型号数控机床一台按14万元计算的话，改造费用仅为新机床价格的26．2％，即买一台新机床的费用可以改造3．8l台机床，也就是有近4台普通机床通过改造，可以发挥数控机床的效能。

5．本课题的研究，对普通机床数控化的改造具有指导意义，一是投资少。见效快，性能价格比高，经济效益好，既解决了设备改造升级，提高自动化，提高效率，保证质量问题，又缓解了学生实践设备不足矛盾。二是随着数控系统的进一步完善，性能进一步提高，功能进一步增多，价格进一步降低，旧机床改造，尤其大中型机床的数控改造，将是未来一段时间发展趋势。

5．2尚需完善之处

由丁时间及资金限制，本课题的研究还不够深入和完善，有待在以下方面深入研究：

1 机床主轴改造实现了主轴的正／反转，启动／停车的数控控制，有待实现机床主轴传动系统的数控改造；

2有待实现铣床主轴转速的数控控制。

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5．3建议

鉴于我国现有大量的普通旧机床，为确保资源利用，避免重复投资和旧设备的闲置浪费，建议相关部门制定旧机床改造与验收的规范和标准：建立相应的运行机制，对旧机床进行调查统计，鼓励广大用户使用翻新机床。切实把建立节约型社会的经济政策落到实处。

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第六章 致谢

本课题的目的通过对X5032立式铣床的进给系统的数控改造来了解并掌握普通铣床进给系统的数控化改造，改造后的铣床基本上达到了设计的要求，提高了机床的纵向和横向的精度，使分辨率达到了0.005mm，并能够进行特殊的零件加工和复杂的零件加工。提高加工效率，加工的零件精度变高，降低操作人员的劳动强度。

在做毕业设计的这段时间里，针对这个课题，我查阅了大量资料，制定出了改造方案，按照老师的总体进程安排，最后准时的完成本次设计。在这次设计中碰到了种种困难，比如刚开始有些参考书籍不容易借到、再来是进程安排的探索，怎样的进程安排才能及时的完成设计等等。在这次的设计中我学到了很多东西，我尤其感觉到细心的重要性，很多事都是由一件件小事组成，这就需要比较细心的去做事才能做好。由于知识、经验不足，在某些地方可能有些错误，希望各位老师能见谅。

毕业设计是大学的最后一门课程，我深感荣幸能够遇到童景琳副教授如此负责认真的老师来指导我完成这最后一课，为我的大学生活划上一个完满的句号。

毕业设计期间，童老师以严谨的治学态度对我们的设计进行严格的要求，以其渊博的知识为我们的设计解难释疑，以其平易近人的态度来指导我们。从童老师那里我们学会如何设计，更学会了一丝不苟的学习精神，她的那种工作态度使我终身受益。在此，我对童老师的指导帮助表示非常的感谢，感谢童老师带领我接触学习了数控机床改造的设计，在我的脑海中形成了一种设计的思维。拓宽了我的知识面，也为我日后的工作学习提供了一个新的平台新的起点。从童老师那里能够学到的不仅仅是专业方面的知识，也学会了许多做人处事的道理。

大学生活四年，我也非常感谢我的母校，给我提供了良好的学习生活环境，从内心深处深深的感激那些曾经教导我的老师，让我能顺利的完成这四年的大学生活，还有我的同学和朋友们，感谢他们对我的帮助、支持与鼓励，是你们陪伴我度过了大学这美好的时光，这将是我一生都无法忘却的经历。将来步入社会，学会以诚待人，用心和各界人事交流。

本人能力有限，在设计过程中难免会出现一些疏漏、错误，敬请各位老师批评指正我我一定虚心接受老师对我的悉心教导！

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