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1、 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 隨著機械制造業(yè)的飛速發(fā)展，由于普通銑床效率低，精度不高，已不能滿足現(xiàn)代加工的需要，因此對銑床進行數(shù)控化改造。使改造后的機床的機械傳動部分具有高靜態(tài)、動態(tài)剛度 ;運動副之間的摩擦因數(shù)小，傳動無間隙 ;功率大 ;便于操作和維修。 本文主要對 X5132 立式銑床進行數(shù)控化改造，主要對工作臺 Z 向進給系統(tǒng)進行改 裝設(shè)計，以機械部分設(shè)計為主，以控制系統(tǒng)設(shè)計為輔。在進給傳動系統(tǒng)設(shè)計中，全部拆 除 Z 向進給箱齒輪，拆除普通絲杠，換上滾珠絲杠。經(jīng)過兩級齒輪減速由步進電機將運動和動力傳到滾珠絲

2、杠。 電氣部分主要對于控制系統(tǒng)，主要針對經(jīng)濟型數(shù)控銑床的設(shè)計，這里采用步進電機開環(huán)控制，計算機系統(tǒng)采用高性能價格比的 MCS-51 系列單片擴展系統(tǒng)，主要進行中央處理單元的選擇、存儲器擴展和接口電路設(shè)計等。 本次完成了進給系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計問題，能滿足數(shù)控銑床加工相關(guān)零件的要求，同時 該機床也有較好的性價比，因此將舊的普通銑床改造經(jīng)濟型數(shù)控銑床 , 具有廣泛而積極的現(xiàn)實意義。 關(guān)鍵詞：銑床 滾珠絲杠 數(shù)控改裝

3、 I X5132 型銑床 Z 向工作臺進給系統(tǒng)數(shù)控改裝設(shè)計 Abstract With the rapid development of mechanical manufacturing industry, because the ordinary milling machine low efficiency, precision, already cannot satisfy the needs of modern processing of milling machine, and so on to

4、numerical control reform. After the innovation of the machine tool to mechanical transmission part with high static, dynamic stiffness; Between the friction factor of motion pair small, transmission no clearance; Big power; Easy operation and maintenance. This paper focuses on the X5132 vertical

5、milling machine for numerical control transformation, ainly to the workbench Z to feeding system modification to mechanical design is given priority to, to control the system design is secondary. In the design of transmission system, all demolished Z to feed box, dismantle ordinary gear ball screw,

6、change the ball screw. After the two levels of gear by step motor sports and power will spread to the ball screw. The main part for electric control system, mainly in the design of the economical CNC milling machine, here the stepping motor open-loop control, computer system using the high perfor

7、mance of the MCS-price is 51 series single piece of extended system, mainly on the central processing unit selection, memory expansion and interface circuit design, etc. The finished feeding system related design problem, can satisfy the nc milling machine parts related to the requirements of the

8、 machine tool, and also have the good performance-to-price ratio, so will the old general economical nc milling machine, milling machine transformation have extensive and positive reality significance. Keyword: milling machine ball-screw Nc modification

9、 II 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 目錄 摘要 ..................................................................... I Abstract ................................................................ II 第 1 章 緒論 ..................................................

10、........... 1 1.1 課題背景 .......................................................... 1 1.1.1 數(shù)控機床簡介 ................................................ 1 1.1.2 課題研究的目的、意義 ......................................... 1 1.2 國內(nèi)外研究狀況 ............................................

11、........ 1 1.3 數(shù)控改造的意義 .................................................... 2 第 2 章 數(shù)控機床概述 ...................................................... 4 2.1 概 述 ............................................................. 4 2.1.1 數(shù)控機床的定義 .................................

12、............. 5 2.1.2 數(shù)控機床的組成及特點 ........................................ 5 2.2 數(shù)控機床的分類 .................................................... 7 2.2.1 按機械運動軌跡分類 .......................................... 7 2.2.2 按伺服系統(tǒng)的類型分類 ........................................ 8

13、 2.2.3 按聯(lián)動軸數(shù)分類 ............................................ 11 2.3 數(shù)控銑床簡介 ..................................................... 12 2.3.1 數(shù)控銑床的組成及分類 ........................................ 12 2.3.1 銑床的用途和工藝特點 ........................................ 13 2.4 數(shù)控未來

14、發(fā)展的趨勢 ............................................... 13 2.4.1 繼續(xù)向開放式、基于 的第六代方向發(fā)展 ...................... 14 PC 2.4.3 向高速化、高精度化和智能化方向發(fā)展 .......................... 14 第 3 章 改造總體方案的確定............................................. 16 3.1 設(shè)計參數(shù)要求 ...............

15、...................................... 16 3.2 總體方案確定 ..................................................... 16 3.2.1 機械傳動部件的選擇 ......................................... 16 3.2.2 控制系統(tǒng)的選擇 ............................................. 18 3.3 繪制總體方案圖 .....................

16、.............................. 18 III X5132 型銑床 Z 向工作臺進給系統(tǒng)數(shù)控改裝設(shè)計 第 4 章 機械部分數(shù)控改造和設(shè)計計算 ...................................... 20 4.1 切削力的計算 ..................................................... 20 4.2 滾珠絲杠副的選用及校核 ........................................... 21

17、4.2.1 滾珠絲杠副傳動的概述 ....................................... 21 4.2 滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)形式、型號及支承形式的選用 ......................... 22 4.2.1 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)形式 ....................................... 22 4.2.2 滾珠絲杠副的型號 ........................................... 24 4.2.3 滾珠絲杠副支承的選擇 ......................

18、................. 25 4.3 滾珠絲杠副軸承的選用 ............................................. 26 4.4 滾珠絲杠的計算和校核 ............................................. 27 4.4.1 工作負載的計算 ............................................. 28 4.4.2 滾珠絲杠的壽命計算 ......................................... 28 4.4

19、.3 最大載荷計算及絲杠型號選擇。 ................................ 29 4.5 滾珠絲杠的校核 ................................................... 30 4.5.1 效率計算 .................................................... 30 4.5.2 剛度驗算 .................................................... 31 4.5.3 穩(wěn)定性校核 ...........

20、....................................... 31 4.6 絲杠支承的選擇計算 ............................................... 32 4.7 滾珠絲杠有效行程計算 ............................................. 33 4.8 傳動齒輪副選擇計算 ............................................... 33 4.9 自鎖方式的選擇 ...................................

21、................ 35 第 5 章伺服系統(tǒng)的選擇計算.............................................. 36 5.1 伺服電動機選擇要求 ............................................... 36 5.2 進給系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量估算 ............................................. 36 5.2.1 負載慣量計算 ................................................ 36 5.3

22、齒輪傳動的消隙和預(yù)裁 ............................................. 40 5.3.1 剛性調(diào)整法 ................................................ 40 5.3.2 柔性調(diào)整法 ................................................ 42 第 6 章控制系統(tǒng)設(shè)計 ...................................................... 45 6.1 繪制控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 .........

23、.................................... 45 IV 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6.2 選擇中央處理單元（ CPU）的類型 46 6.3 存儲器擴展電路設(shè)計 48 6.3.1 程序存儲器的擴展 48 6.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 49 6.4 I/O 接口電路及輔助電路設(shè)計 49 6.4.1 I/O 接口電路設(shè)計 49 6.4.2 顯示器與鍵盤擴展電路 50 6.4.3. 步進電機接口及驅(qū)動電路 50 6.4.4 軟件程序設(shè)計（逐點比較法直線插補） 52 6.4.5 其

24、他輔助電路 53 結(jié)論 54 參考文獻 . 55 致謝 56 外文科技資料翻譯 57 英文原文 57 中文譯文 67 附錄Ⅰ 加工實例數(shù)控銑床典型零件 75 附錄Ⅱ 圖紙列表 77 V 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 章 緒論 1.1 課題背景 1.1.1 數(shù)控機床簡介

25、 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機電產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜。產(chǎn)品的精度要求越來越高、 更新?lián)Q代的周期也越來越短， 從而促進了現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展。 尤其是宇航、 軍工、 造船、汽車和模具加工等行業(yè)，用普通機床進行加工（精度低、效率低、勞動度大）已無法滿足生產(chǎn)要求，從而一種新型的用數(shù)字程序控制的機床應(yīng)運而生。這種機床是一種綜合運用了計算機技術(shù)、自動控制、精密測量和機械設(shè)計等新技術(shù)的機電一體化典型產(chǎn)品。數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)）的自動化機床。該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼，或其他符號編碼指令（刀具移動軌跡信息）規(guī)定的程序。具體地講，把數(shù)字化了的刀具移動軌跡的信息輸入到數(shù)控裝置，經(jīng)過譯

26、碼、運算，從而實現(xiàn)控制刀具與工件相對運動，加工出所需要的零件的機床，即為數(shù)控機床。 1.1.2 課題研究的目的、意義 眾所周知，設(shè)備是企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展和實現(xiàn)經(jīng)營目標(biāo)的物質(zhì)基礎(chǔ)，設(shè)備的技術(shù)性能 和技術(shù)狀況的好壞，直接影響到企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益。設(shè)備的技術(shù)改造和更新速 度又直接影響企業(yè)技術(shù)進步、產(chǎn)品開發(fā)和市場開拓后勁。因此，加快設(shè)備更新和改造， 以提高企業(yè)在國內(nèi)、外市場的競爭力，是企業(yè)的一項重大戰(zhàn)略任務(wù)更新改造舊機床是最 近幾年發(fā)展起來的一個新興產(chǎn)業(yè)，在國外己形成一定規(guī)模和市場，涌現(xiàn)出了許多專門從 事機床改造的公司。 國外舊機床改造費用大約為同類型新機

27、床價格的 60%，盡管費用較 高，但由于機床改造后使用效果好，所以仍然受到機床用戶的歡迎。因此我們決定對現(xiàn) 有設(shè)備進行機床數(shù)控化改造。 1.2 國內(nèi)外研究狀況 當(dāng)今世界， 工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視， 競相發(fā)展機電一體化、 高精、 高效、高自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。長期以來，歐、美、 亞在國際市場上相互展開激烈竟?fàn)?，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計 算機技術(shù)的進步，數(shù)控機床在 20世紀 80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需 第 1 頁 共 77 頁 X5132 型銑床 Z 向工作臺進給系統(tǒng)

28、數(shù)控改裝設(shè)計 求，早已成為四大國際機床展上各國機床制造商競相展示先進技術(shù)、爭奪用戶、 擴大市場的焦點。較著名的控制系統(tǒng)有 : 日本 FANUC系列、 Mitsubishi 系列， KUMA 系列、 SODICK 系列、日立系列、德國 SIEMENS系列、 DECKEL系列、 Heidenhain 系 列、 HELLER系列、美國 ALLEN-BRADLEY(AB) 系列， INCINNANTI 系列、法國 Nun 系 列、意大利 FIDIA 系列、西班牙 FAGOR系列、瑞士的 AG系列、國產(chǎn)系列等在美 國， 日本和德國等發(fā)達國家，它們將機床改造作為新

29、的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正 處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個“永恒”的課題。 我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、 日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生 產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。 在美國， 機床改造業(yè)稱為機床再生 (Remanufacturing) 業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有 :Bertsche 工程公司、 ayton 機床公司、得寶服務(wù)集 團、 US設(shè)備公司等 . 美國得寶公司己在中國開辦公司。在日本機床改造業(yè)稱為機 床改裝 (Retrofitting) 業(yè)

30、。從事改裝業(yè)的著名公司有 : 大限工程集團、崗三機械 公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。趕上計算機體系結(jié)構(gòu)前進的步伐、加快數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)速度，已成為數(shù)控發(fā)展的最主要趨勢。以第四代計算機的工程結(jié)構(gòu)和微電子工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用現(xiàn)有微機的硬件、軟件資源，發(fā)展總線式、模塊式、開放型、嵌入式的柔性數(shù)控系統(tǒng)，使之即適合加工復(fù)雜零件、分立式機床用的數(shù)控系統(tǒng)的組成，又適合未來自動化升級時功能可擴展的要求 1.3 數(shù)控改造的意義 數(shù)控機床可以很好的形狀復(fù)雜，精密，小批，多變零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率。 應(yīng)用數(shù)控機床還受到其

31、他方面的影響： 1. 數(shù)控機床的價格比較昂貴一次性投資巨大，對中小企業(yè)是心有余而力不 足。 2. 目前各企業(yè)都有大量的普通機床完全用數(shù)控機床代替是根本不可能的，而且舊的機床閑置起來又會造成浪費。 3. 在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機床的交貨周期比較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需。 4. 通用數(shù)控機床對具體生產(chǎn)有多余的功能。機床數(shù)控化改造的優(yōu)越性 第 2 頁 共 77 頁 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來白數(shù)控系統(tǒng)中計算機的作用。 6 . 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面

32、等復(fù)雜的零件。 7 . 可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，效率可比傳統(tǒng)機床提高3 到 7 倍。傳統(tǒng)機床靠凸 輪或擋塊等可實現(xiàn)“剛性自動化” ，且只有進行大批量生產(chǎn)時，才經(jīng)濟合算 ; 而 數(shù)控機床只要更換一個程序就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小 批生產(chǎn)得以白動化，故稱之為“柔性自動化” 8．加工的零件精度高，尺寸分散度小，裝配容易，不再需要“修配” 。這 是由于加工過程自動化，不受人的情緒和疲勞影響的結(jié)果。計算機還可以自動 進行刀具壽命管理，不會因刀具磨損而影響工件精度和其一致性。數(shù)控系統(tǒng)中 增加的機床誤差、加工誤差修正補償?shù)墓δ?，使加工精度?/p>

33、到進一步提高。 9. 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。這是自動化帶來 的效果 ( 可以自動換刀 ) ，如加工中心，在工件裝夾好后，可實現(xiàn)鉆、銑、攻絲、擴孔等多工序的加工。這些多工序是在同一基面、同一次裝夾下實現(xiàn)的，提高 了相關(guān)的加工精度。現(xiàn)已出現(xiàn)其他工序集中的機床，如車削中心、車銑中心、磨削中心等。 10. 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 11. 數(shù)控加工降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，并可對市場需求做出快速反應(yīng)。 更好的解決上述問題，應(yīng)走普通機床

34、的數(shù)控改造之路。從美國，日本等工 業(yè)化國的經(jīng)驗看，機床的數(shù)控改造也必不可少，數(shù)控改造機床占有較大的比例。 如日本的大企業(yè)中有 26%床經(jīng)過數(shù)控改造，中小企業(yè)則占有 74%。在美國有許多 數(shù)控專業(yè)化公司為世界各地提供機床數(shù)控化改造服務(wù)，因此，普通機床 的數(shù)控 改造不但有存在的必要，而且大有可為。而且對一些中小企業(yè)更是如此。 第 3 頁 共 77 頁 X5132 型銑床 Z 向工作臺進給系統(tǒng)數(shù)控改裝設(shè)計 第 2 章 數(shù)控機床概述

35、 2.1 概 述 數(shù)控機床具有高精度、高效、高速、高可靠性等優(yōu)點，并且機床結(jié)構(gòu)趨于模塊化、數(shù)控功能專門化。數(shù)控機床是集計算機技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制、傳感測量、機械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的典型的機電一體化產(chǎn)品。它的發(fā)展和運用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式、使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。 數(shù)控技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志，實現(xiàn)加工機床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，已成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。我國是世界上機床產(chǎn)量最多的國家，但在數(shù)控機床的產(chǎn)品競爭力仍然處于較低的水平。因為開發(fā)一臺新的數(shù)控機床的周期比較長，不能及

36、時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。為此我們應(yīng)該在普通機床上考慮，不能一味的大量添置全新的數(shù)控機床，這樣會造成資金投資量大，成本高，而且又會造成原有設(shè)備閑置浪費。把普通機床改造為數(shù)控機床不失為一條提高數(shù)控化率的有效途徑。普通機床數(shù)控化改造，顧名思義就是在機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。這種機床改造花費少，改造針對性強，時間短，改造后的機床大多能克服原機床缺點和存在的問題，生產(chǎn)效率高，尤其適合中國機床擁有量大、生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。 微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。數(shù)控機床可以加工出傳統(tǒng)機

37、床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3-7 倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后 按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱 為實現(xiàn)了“柔性自動化” 。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不 第 4 頁 共 77 頁 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

38、（論文） 再需要“修配” ?？蓪崿F(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。擁有自 動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加 工。由以上五條派生的好處，如 : 降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力 ( 一個 人可以看管多臺機床 ) ，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對 市場需求作出快速反應(yīng)等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為 重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行 FMC, FMS以及 CIMS等企業(yè)信息化改造 的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍

39、、民機械工業(yè)，在 70 年代末、 80年初己開始 大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。 其本質(zhì)是采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) ( 包括軍、民機械工業(yè) ) 進行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、 FMC, FMS外，還包括在產(chǎn)品開 發(fā)中推行 CAD, CAE, CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS( 管理信息系統(tǒng) ) 、 CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由 于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造 ( 稱之為信息化 ) ，最終使 得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上竟?fàn)幜Υ鬄樵鰪?。這也就從宏觀上說 明了機床數(shù)控化改造的必

40、要性。 2.1.1 數(shù)控機床的定義 數(shù)控即數(shù)字控制 (Numerical Control ， NC)。數(shù)控技術(shù)是指用數(shù)字信號形成的控制程序?qū)σ慌_或多臺機械設(shè)備進行控制的一門技術(shù)。 數(shù)控機床，簡單的說，就是采用了數(shù)控技術(shù)的機床。即將機床的各種動作、工件的形狀、尺寸以及機床的其他功能用一些數(shù)字代碼表示，把這些數(shù)字代碼通過信息載體輸入給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過譯碼、運算以及處理，發(fā)出相應(yīng)的動作指令，自動地控制機床的刀具與工件的相對運動，從而加工出所需要的工件。 實際上，數(shù)控機床就是一種具有數(shù)控系統(tǒng)的自動化機床。所以說數(shù)控機床是最典型的機電一體化產(chǎn)品。

41、2.1.2 數(shù)控機床的組成及特點 1. 數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床主要由輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測量反饋裝置和機 床本體組成，如圖 2-1 所示。 其中，存儲介質(zhì)用于記載機床加工零件的全部信息。如零件加工的工藝過 第 5 頁 共 77 頁 X5132 型銑床 Z 向工作臺進給系統(tǒng)數(shù)控改裝設(shè)計 程、工藝參數(shù)、位移數(shù)據(jù)、切削速度等。常用的存儲介質(zhì)有磁帶、磁盤等。也 有一些數(shù)控機床采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工程序直接輸入或通過串行 接口將計算機上編寫的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。在計算機輔助設(shè)計與計算機 輔助制造 (C

42、AD/CAM)集成系統(tǒng)中， 加工程序可不需要任何載體而直接輸入到數(shù)控 系統(tǒng)。 圖 2-1 數(shù)控機床的組成 數(shù)控裝置是控制機床運動的中樞系統(tǒng)，它的基本任務(wù)是接收程序介質(zhì)帶來的信息，按照規(guī)定的控制算法進行插補運算，把它們轉(zhuǎn)換為伺服系統(tǒng)能夠接收的指令信號，然后將結(jié)果由輸出裝置送到各坐標(biāo)控制的伺服系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電動機和伺服驅(qū)動裝置組成，是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部件。它的基本作用是接收數(shù)控裝置發(fā)來的指令脈沖信號，控制機床執(zhí)行部件的進給速度

43、、方向和位移量，以完成零件的自動加工。 通常數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)兩部分組成，各公司的數(shù)控產(chǎn)品也是將兩者作為一體的。 機床主體也稱主機，包括機床的主運動部件、進給運動部件、執(zhí)行部件和基 礎(chǔ)部件，如底座、立柱、滑鞍、工作臺 ( 刀架 ) 、導(dǎo)軌等。數(shù)控機床與普通機床不同，它的主運動和各個坐標(biāo)軸的進給運動都是由單獨的伺服電動機驅(qū)動，所以它 的傳動鏈短、結(jié)構(gòu)比較簡單。為了保證數(shù)控機床的快速響應(yīng)特性，在數(shù)控機床上還普遍采用精密滾珠絲杠副和直線滾動導(dǎo)軌副。在加工中心上還配備有刀庫和自動換刀裝置。同時還有一些良好的配套設(shè)施，如冷卻、自動排屑、自動潤滑、防護和對刀儀等，以利于充

44、分發(fā)揮數(shù)控機床的功能。此外為了保證數(shù)控機床的高精 第 6 頁 共 77 頁 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 度、高效率和高自動化加工，數(shù)控機床的其他機械結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了很大的變化。本次設(shè)計即主要完成機床主體部分的設(shè)計。 2. 數(shù)控機床的特點 數(shù)控機床與普通機床加工零件的區(qū)別，在于數(shù)控機床是按照程序自動加工零 件，而普通機床由工人手工操作來加工零件。在數(shù)控機床上只要改變控制機床動作的程序，就可以達到加工不同零件的目的。由于是一種程序控制過程，數(shù)控機床相應(yīng)形成了以下幾個特點。 （ 1） 采用數(shù)控機床可以提高零件的加工精度、穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量。因

45、為數(shù)控機床按照預(yù)定的加工程序進行加工，加工過程中消除了操作者人為的操作誤差，所以零件加工的一致性好，而且加工精度還可以利用軟件來進行校正補償，因此可以獲得比機床本身所能達到的精度還要高的加工精度及重復(fù)定位精度。 （ 2） . 數(shù)控機床可以完成普通機床難以完成或根本不能加工的具有復(fù)雜曲面的零件的加工。因此它在航空航天、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。 (3). 采用數(shù)控機床比普通機床可以提高生產(chǎn)效率 2～ 3 倍，尤其是對某些復(fù) 雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。 (4). 可以實現(xiàn)一機多用。一些數(shù)控機床將幾種普通機床功能合一，加上刀 庫與自動換刀

46、裝置構(gòu)成加工中心，如果能配置數(shù)控轉(zhuǎn)臺或分度轉(zhuǎn)臺，則可以實現(xiàn) 一次安裝、多面加工。 (5). 采用數(shù)控機床有利于向計算機控制與管理生產(chǎn)方面發(fā)展，為實現(xiàn)生產(chǎn) 過程自動化創(chuàng)造了條件。 2.2 數(shù)控機床的分類 數(shù)控機床種類很多，規(guī)格不一，人們從不同的角度對其進行了分類。 2.2.1 按機械運動軌跡分類 數(shù)控機床按其刀具與工件相對運動的方式，可以分為點位控制、直線控制和 輪廓控制。 1. 點位控制數(shù)控機床 如圖 2-2 所示，點位控制是指數(shù)控系統(tǒng)只控制刀具或工作臺從一點移至另一 點的準確定位，然后進行定點加工，而點與點之間的路徑

47、不需控制。采用這類控 制的有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控坐標(biāo)鏜床等。 第 7 頁 共 77 頁 X5132 型銑床 Z 向工作臺進給系統(tǒng)數(shù)控改裝設(shè)計 2. 直線控制數(shù)控機床 如圖 2-3 所示，點位直線控制是指數(shù)控系統(tǒng)除控制直線軌跡的起點和終點的 準確定位外，還要控制在這兩點之間以指定的進給速度進行直線切削。采用這類 控制的有數(shù)控銑床、數(shù)控車床和數(shù)控磨床等。 圖 2-2 點位控制鉆孔加工示意圖 現(xiàn)代組合機

48、床采用數(shù)控技術(shù)，驅(qū)動各種動力頭、多軸箱軸向進給鉆、鏜、銑等加工，也算是一種直線控制數(shù)控機床。直線控制也稱為單軸數(shù)控。 3. 輪廓控制數(shù)控機床 亦稱連續(xù)軌跡控制，如圖 2-4 所示，能夠連續(xù)控制兩個或兩個以上坐標(biāo)方向的聯(lián)合運動。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有插補 運算的功能，使刀具的運動軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調(diào)各坐 標(biāo)方向的運動速度，以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進給速度。采用這類控 制的有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。 現(xiàn)代數(shù)控機床絕大部分都具有兩坐標(biāo)或兩坐標(biāo)以上聯(lián)動的功能， 除此之外還具有刀具半徑補償、刀具長

49、度補償、機床軸向運動誤差補償、絲杠螺距誤差補償、齒側(cè)間隙誤差補償?shù)纫幌盗泄δ堋? 2.2.2 按伺服系統(tǒng)的類型分類 1. 開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床 開環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶反饋裝置的控制系統(tǒng)，由步進電機驅(qū)動線路和步進電 機組成。數(shù)控裝置經(jīng)過控制運算發(fā)出脈沖信號，每一脈沖信號使步進電機轉(zhuǎn)動一 定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。如圖 2-5 所示。這種伺服 機構(gòu)比較簡單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制，多用 第 8 頁 共 77 頁 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 于對舊機床的數(shù)控化改造。

50、 圖 2-3 直線控制切削加工示意圖 圖 2-4 輪廓控制銑削加工示意圖 2. 閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床 閉環(huán)控制系統(tǒng)是在機床移動部件位置上直接裝有直線位置檢測 裝置，將檢測 到的實際位移反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與輸入的原指令位移值進行比較，用 比較后的差值控制移動部件作補充位移，直到差值消除時才停止移動，達到精確 定位的控制系統(tǒng)。圖 2-6 所示為閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 這類數(shù)控機床可以消 除由于傳動部件制造中存在的精度誤差給

51、工件加工帶 來的影響，從而得到很高的精度。但是由于很多機械傳動環(huán)節(jié)包括在閉環(huán)控制的 環(huán)路內(nèi)，各部件的摩擦特性、剛性以及間隙等都是非線性量，直接影響到伺服系 統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。因此，閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)整都非常困難。 圖 2-5 開環(huán)伺服系統(tǒng) 第 9 頁 共 77 頁 X5132 型銑床 Z 向工作臺進給系統(tǒng)數(shù)控改裝設(shè)計

52、圖 2-6 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)點是精度高。但其系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)整困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本 高，主要用于一些精度要求很高的鏜銑床、超精密車床、超精密銑床、加工中心 等。 3. 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床 這類數(shù)控機床采用安裝在進給絲杠或電動機端頭上的轉(zhuǎn)角測量元件測量絲杠 旋轉(zhuǎn)角度，來間接獲得位置反饋信息。圖 2-7 所示為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 圖 2-7 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括絲杠、螺母副及工作臺，因此可以獲得穩(wěn)定的 控制特性。

53、而且由于采用了高分辨率的測量元件，可以獲得比較滿意的精度及速 度。大多數(shù)數(shù)控機床采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。 4．混合控制數(shù)控機床 將以上三類數(shù)控機床的特點結(jié)合起來，就形成了混合控制數(shù)控機床?；旌峡? 制數(shù)控機床特別適用于大型或重型數(shù)控機床，因為大型或重型數(shù)控機床需要較高 的進給速度與相當(dāng)高的精度，其傳動鏈慣量與力矩大，如果只采用全閉環(huán)控制， 機床傳動鏈和工作臺全部置于控制閉環(huán)中，閉環(huán)調(diào)試比較復(fù)雜?；旌峡刂葡到y(tǒng)又 分為兩種形式： （ 1）開環(huán)補償型。它的基本控制選用步進電動機的開環(huán)伺服機構(gòu)，另外附 第 1

54、0 頁 共 77 頁 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 加一個校正電路。用裝在工作臺的直線位移測量元件的反饋信號校正機械系統(tǒng)的誤差，如圖 2-8 所示。 （ 2）半閉環(huán)補償型。它是用半閉環(huán)控制方式取得高精度控制，再用裝在工作臺上的直線位移測量元件實現(xiàn)全閉環(huán)修正，以獲得高速度與高精度的統(tǒng)一。如 圖 2-9 所示，其中 A 是速度測量元件（如測速發(fā)電機） ， B 是角度測量元件， C 是 直線位移測量元件。 圖 2-8 開環(huán)補償型控制方式

55、 圖 2-9 半閉環(huán)補償型控制方式 2.2.3 按聯(lián)動軸數(shù)分類 數(shù)控系統(tǒng)控制幾個坐標(biāo)軸按需要的函數(shù)關(guān)系同時協(xié)調(diào)運動，稱為坐標(biāo)聯(lián)動，按照聯(lián)動軸數(shù)可以分為： 1. 兩軸聯(lián)動 數(shù)控機床能同時控制兩個坐標(biāo)軸聯(lián)動，適于數(shù)控車床加工旋轉(zhuǎn)曲面或數(shù)控 銑 床銑削平面輪廓。 2. 兩軸半聯(lián)動 在兩軸的基礎(chǔ)上增加了 Z 軸的移動，當(dāng)機床坐標(biāo)系的 X、Y 軸固定時， Z 軸可 以作周期性進給。兩軸半聯(lián)動加工可以實現(xiàn)分層加工。 3. 三軸聯(lián)動 數(shù)控機床能同時控制三個坐標(biāo)軸的聯(lián)

56、動，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三軸加工完成。 第 11 頁 共 77 頁 X5132 型銑床 Z 向工作臺進給系統(tǒng)數(shù)控改裝設(shè)計 4. 多坐標(biāo)聯(lián)動 數(shù)控機床能同時控制四個以上坐標(biāo)軸的聯(lián)動。多坐標(biāo)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 精度要求高、程序編制復(fù)雜，適于加工形狀復(fù)雜的零件，如葉輪葉片類零件。 通常三軸機床可以實現(xiàn)二軸、二軸半、三軸加工；五軸機床也可以只用到三 軸聯(lián)動加工，而其他兩軸不聯(lián)動。 2.3 數(shù)控銑床簡介 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及世界先進制造技術(shù)的興起和不斷成熟， 對數(shù)控加工技術(shù)提出了 更高的要求；超高速

57、切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服性 能、主軸驅(qū)動、機床結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標(biāo)； FMS的迅速發(fā)展和 CIMS的不斷成熟， 又將對數(shù)控機的可靠性、通信功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出更高的要求。隨 著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能日益完蓋，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用頷域日益擴 大。 數(shù)控銑床是在數(shù)控加工中心領(lǐng)域中最具代表性的一種典型機床， 在數(shù)控機床中所占的比率最大，數(shù)控加工中心、柔性制造單元等都是數(shù)控銑床基礎(chǔ)上派生或發(fā)展起來的。 它具有功能性強、加工范圍廣、工藝較復(fù)雜等點，主要用于各種復(fù)習(xí)的平面、輪廓、曲面等零件的銑削加工，同

58、時還可以進行鉆、擴、鏜、攻螺紋等加工，在航空航天、汽車制造、機械加工和模具制造業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。 2.3.1 數(shù)控銑床的組成及分類 數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、機床基礎(chǔ)部件、主軸箱、進給伺服系統(tǒng)及輔助裝置等幾 大部分組成。 1. 數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)是機床運動控制的中心，通常數(shù)控銑床都配有高性能、高精度、集成軟件 的微機數(shù)控系統(tǒng)， 具有直線插補、 圓弧插補、刀具補償、固定循環(huán)、用戶宏程序等功能， 能完成絕大多數(shù)的基本銑削以及鏜削、鉆削、攻螺紋等循環(huán)加工。 2. 機床基礎(chǔ)部件 通常是指底坐、立柱、工作臺、橫梁等，是整個機床的基礎(chǔ)和框架。

59、 3. 主軸箱 包括主軸箱和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝刀具并帶動刀具旋轉(zhuǎn)、主傳動大多采用專用的 無級調(diào)速電動機驅(qū)動。 第 12 頁 共 77 頁 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4. 進給伺服系統(tǒng) 由進給電動機和進給執(zhí)行機構(gòu)組成， 按照程序設(shè)定的進給速度實現(xiàn)刀具和工件之間 的相對運動，其主軸垂直方向進給運動及工作臺的橫向和縱向進給運動均由各自的交流 伺服電機來驅(qū)動。 5. 輔助裝置 包括液壓、氣動、潤滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護等裝置。數(shù)控銑床品種繁多，規(guī)格 不一，可按通用銑床的分類方法分為以下三類： (1) 數(shù)

60、控立式銑床：數(shù)控立式銑床主軸軸線垂直于水平面，這種銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，應(yīng)用范圍也最廣。目前三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，一般可進行三軸聯(lián)動加工。 (2) 臥式數(shù)控銑床：臥式數(shù)控銑床的主軸軸線平行于水平面。為了擴大加工范圍和擴充功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)臺或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)臺的方式來實現(xiàn)四軸和五軸聯(lián)動加工。這樣既可以加工工件側(cè)面的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓，又可以實現(xiàn)在一次裝夾中通過轉(zhuǎn)臺改變零件的加工位置也就是通常所說的工位，進行多個位置或工作面的加工。 (3) 立臥兩用轉(zhuǎn)換銑床：這類銑床的主軸可以進行轉(zhuǎn)換，可在同一臺數(shù)控銑床上進行立式加工和臥式加工，同時具備立、臥式銑床的功能。

61、 2.3.1 銑床的用途和工藝特點 銑床是用銑刀進行切削加的機床 , 銑床的加工情況如圖 1-2 所示。在銑床上，用不 同銑刀可以對平面、斜面、溝槽、臺階、 T 形槽、燕尾槽等表面進行加工，另外配上分 度頭或回轉(zhuǎn)臺還可以加工齒輪、螺旋面、花鍵軸、凸輪等各種成型表面。故銑床的萬能 性強，應(yīng)用范圍很廣。銑床的主參數(shù)是工作臺面寬度及長度。銑床的工藝特點如下： (1) 銑床的主軸帶動銑刀作旋轉(zhuǎn)主運動； (2) 銑刀是多齒、多刃連續(xù)進行切削； (3) 多數(shù)銑床由工作臺帶動工件作直線進給運動； (4) 銑刀在切削時，每個刀齒的切削過程是斷續(xù)的， 同時參加

62、切削的齒數(shù)是變化的，每個刀齒的切削厚度也是變化的，因此容易引起機床振動； (5) 銑削時，銑刀同時參加切削的齒數(shù)較多， 便于采用較大的銑削速度和進給給量，因而生產(chǎn)效率高。 2.4 數(shù)控未來發(fā)展的趨勢 第 13 頁 共 77 頁 X5132 型銑床 Z 向工作臺進給系統(tǒng)數(shù)控改裝設(shè)計 2.4.1 繼續(xù)向開放式、基于 PC的第六代方向發(fā)展 基于 PC 所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更 多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用 PC 機作為它的前端機，來處 理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由

63、原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。 PC機所具 有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將 更加普遍。 2.4.3 向高速化、高精度化和智能化方向發(fā)展 隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不 圖 2-10 銑床上的典型工

64、作 斷提高。 第 14 頁 共 77 頁 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1. 應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù) 數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達到改 進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 2. 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝 參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 3. 引入故障診斷專家系統(tǒng) 4. 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置 可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。

65、 第 15 頁 共 77 頁 X5132 型銑床 Z 向工作臺進給系統(tǒng)數(shù)控改裝設(shè)計 第 3 章 改造總體方案的確定 3.1 設(shè)計參數(shù)要求 X5132 工作臺尺寸 320 1250mm ，工作臺垂直方向的行程為 300mm,工作臺及夾具工件的重力垂向

66、為 9800N，工作臺快速移動速度垂向為 0.77m / min , 改造后垂向快速移動速度為 1.2m / min 。X5132外觀如圖 3-1 所示。 圖 3-1 X5132 立式銑床外觀圖 3.2 總體方案確定 3.2.1 機械傳動部件的選擇 1. 導(dǎo)軌副的作用 第 16 頁 共 77 頁 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 設(shè)計數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此 選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊 方便等優(yōu)點。 2. 絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動， 需要滿足 0.005mm沖 當(dāng)量和 0.01mm的定位精度，