X5230普通铣床数控化改造.doc

1、摘 要数控机床以它生产效率高、可加工零件多样化的特点，越来越显示出它的优越性，然而，很多资深的老企业还存在着许多原有的普通机床，如何将普通机床改造成数控机床，已成为机械加工设备改造工作的重点。本文以X5230普通铣床为例阐述了对普通机床进行技术改造的必要性，提出了该机床数控化改造的方案并实施了改造。机械部分改造主要做了以下工作：将三个进给方向的滑动丝杠改为滚珠丝杠，用伺服步进电机和减速齿轮来实现进给部分的调速，这样不仅提高了传动效率而且可以实现快速定位和准确的启、停；数字控制系统选用南京华兴数控设备有限责任公司生产的WA310M，该系统达到数字化控制各部件协调工作，而且成本低；电气改造中取消原

2、机床强电柜中的大量电气元件，改用继电器、接触器以及伺服驱动器来实现电路的控制。对改造后的机床进行了几何精度和工作精度测试，测试结果满足机床的精度要求，根据测试结果验证了机床改造的可行性和可靠性，不仅加工范围增大，同时降低了劳动强度，提高了加工效率。 与改造前相比，该机床的操作更加方便，大大降低了劳动者的劳动强度，提高了生产效率，改造后的铣床可提高生产效率，保证产品质量和减轻工人的劳动强度,该方案具有投资少、见效快的优点，值得推广。关键词：数控机床；数控化改造；数控系统目 录1绪论111 课题的研究目的和意义1.2本文的选题及主要研究内容21.2.1主要研究内容2.2.2数控化改造的主要环节32

3、.X5230普通铣床数控化改造方案的设计42.1设计要求42.1.1总体改造方案52.1.2数控铣床改造后技术参数82.2传动系统改装设计与计算92.2.1纵向进给系统的设计与计算92.2.2横向进给系统的改造设计与计算192.2.3垂向进给系统的改造设计与计算251、切削力计算252.3.1纵向进给系统步进电机的确定302.3.2横向进给系统步进电机的确定322.3.3垂向进给系统步进电机的确定333.X5230铣床数控化改造的数控系统343.1数控系统选型343.2步进电动机的驱动器选型363.2.1驱动器选型363.2.2分配器373.3.3放大器393.3.4系统连接403.4驱动器信

4、号输入输出423.4.1信号输入输出421、信号输入：CW+、CW-、CCW+、CCW-423.4.2面板开关说明434.XK5230电气系统数控改造设计44 4.1概述444.2电气系统数控改造设计454.3强电柜的安装与连接46结 论47参考文献48致谢49- 50 -1绪论11 课题的研究目的和意义机械制造行业是国民经济发展的重要基础，是其发展的先导。历史的实践已证明：先进的制造装备与先进的制造技术在国民经济中起着重要的作用；而先进的装备与先进的制造技术则正是由先进的机械工业来提供的。随着消费向个性化发展，单件小批量多品种产品占到70%80%，这类产品的零件一般采用通用机床来加工。当产品

5、改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而通用机床的自动化程度不高，基本上是由人工操作，难于进一步提高生产效率和保证质量。特别是一些曲线、曲面组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床或者借助划线和样板，用手工操作的方法来完成，其加工精度和生产效率会受到极大的影响。产品结构越来越合理，性能、精度和效率日趋提高，因此对产品零部件的生产设备（机床）也相应提出了高性能、高精度与高自动化的要求。为了解决单件小批量多品种产品在生产中日愈增加的质量与效益矛盾，特别是复杂型面零件的加工生产问题，数控机床的应用在机械加工中得到了广泛的应用。我国是制造大国，但不是制造强国。制造业水平的相对落后，设备陈旧，技术

6、水平差距大，国际竞争力弱，直接影响了生产力的发展。大批量生产的产品，如汽车、拖拉机与家用电器的零件，为了提高产量和品质，广泛采用了组合机床、专用机床、自动化生产线和自动化车间来组织生产，但是这类专用机床和生产设备生产加工出来的产品普遍存在质量差、准备周期长，更新产品和修改生产工艺不易、档次低、成本高、供货期长等缺点制约了产品的更新换代。我国现正处于从以劳动密集型产业为主向以技术密集型产业为主的发展阶段，对自动化设备的需求会越来越大、越来越积极。尽管数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量多品种零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率但从我国机械加工行业来看，机床总量约 400万台，其中

7、数控机床总数只有 12万多台，数控机床占有率不足 3，而一些工业发达国家早已达到30以上。逐步提高数控机床的占有率，已经成为我国制造技术发展的总趋势也是我国制造业发展所需要解决的一个现实问题。提高机床数控率有两个途径：一是增加新的数控机床。从目前企业面临的情况看各企业均有大量的普通机床，数控机床价格昂贵，一次性投资较大，企业完全用数控机床替代是根本不可能的；二是对旧机床进行数控化改造。我国是一个机床拥有量极大的国家，而且约有半数以上是役龄在10年以上的旧机床，采取对旧机床进行改造来提高设备的先进性和数控化率，投入少、收效大，是一个极其有效和实用的途径，而且符合中国的国情，是企业必走之路。.2本

8、文的选题及主要研究内容1.2.1主要研究内容为了使X5230普通铣床满足加工小批量、精度高、形状复杂的零件，同时在加工过程中不仅可以减轻劳动强度，而且保证加工质量以及从经济方面考虑，本次设计对X5230进行数控化改造，节约资金的同时，又能够满足生产需求。设计的目的主要是以下几个方面：1、节约资源，降低数控化成本。利用原来的普通机床进行数控化改造，提高机械设备的数控化率。2、实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬动，从而可以提高零件加工精度，减小尺寸分散度，使装配容易，不需再“修配”。3、实现加工的自动化，效率可比传统机床提高三到七倍。4、数控加工降低工人的劳动强度，节省劳动力，减少工装缩短

9、新试品试制周期和生产周期，并对市场作出快速反应。 X5230普通铣床进行数控改造后，系统应能控制主轴转速并实现其正反转；控制工作台实现纵向、横向和垂直方向的进给运动；控制冷却和润滑；通过键盘输入加工程序；由显示器显示加工状态等。 数控部分：机床中的主轴、冷却、润滑和进给等均需系统自动控制，为此需设计接口转换电路和强电控制电路。电器元件可保留使用原机床中的变压器、自动断路器、接触器等。拆除原电控箱，原位安装改制后的电控箱。机械部分：X5230型铣床主要用于对中小型轴类、盘类及箱体类零件的加工，改造后的机床可进行铣、钻等工序，可以加工各种斜面、沟槽。可适用于企业的机械设备生产，特别适用于工夹模具的

10、制造。.2.2数控化改造的主要环节普通机床数控化改造主要从主传动部分、进给传动部分、数控系统三个环节进行方案制定和改造实施。（1）主传动改造主轴部件直接带动工件或刀具参加切削运动，它除承受本身重量外，还需承接较大的切削载荷，主轴本身的刚性和旋转精度以及支撑的刚性都将直接影响零件的加工精度，因此主轴部分的数控改造，首先应保证本身的刚性以及修复和提高本身的旋转精度。由于中、小型机床，本身价格较低，如果将其主传动改为交流变速，其费用太高，因此，在一般情况下，为了降低改装的费用，保持机床的原有精度，主传动系统基本不变，保持原机床的手动变速，改造后使主运动和进给运动分离，数控系统只用于控制主轴的起、停、

11、升、降和正、反转及冷却液的开、关。主传动系统仍采用原电动机驱动，只是将主轴改装成由步进电机经滚珠丝杠带动的可升降主轴。（2）进给传动的改造为了加工出符合要求的零部件，对进给传动的要求一般为: 1、高精度即高的定位精度和重复定位精度以及加工零件的综合精度； 2、高品质即响应快，频带宽，动静态速降小，调速范围宽； 3、高速度即能快速定位，以提高效率； 4、大功率即能输出大的力矩和功率，以满足加工要求；机床进给传动链中，需将旋转运动变成直线运动，普通机床常采用普通丝杠，虽有许多优点，但其摩擦阻力大，传动效率低(= 0.200.40)，动静摩擦系数相差大，在低速时容易出现爬行，而数控机床要求进给部分的

12、移动元件灵敏度好，精度高，反应快，无爬行。采用滚珠丝杠副可能满足要求。综上所述，我们选择滚珠丝杠传动，由于其高效率、温升小、高精度、高速度、高刚性、可逆性、长寿命、低能耗、同步性、高灵敏度、无间隙、维护简单等优点而得到广泛应用，为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求，必须合理选择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。此外，从转动惯量、转动力矩、最大静转矩和频率等方面对纵、横、垂向步进电机分别进行计算，进而选择纵、横、垂向步进电动机；通过设计计算选择纵、横、垂向步进电机和滚珠丝杠之间配套的减速齿轮。（3）电气部分改造机床的主轴、冷却等均需系统自动控制，为此需设计接口转换电路

13、和强电控制电路。电器元件可保留原机床中的变压器、自动断路器、接触器等。拆除电控箱，原位安装改造后的电控箱。此部分任务是确定控制方式、选择伺服系统。数控系统控制方式基本上可以分为开环、闭环、半闭环三种方式。机床数控化改造选择哪种方式，需根据具体情况决定。一般小型机床或精度要求较低的机床，多采用开环控制方式，大、中型机床多采用半闭环控制方式。在机床数控化改造中，小型机床多采用步进电机驱动系统，这种系统价格低、结构简单，但控制精度和速度低。 2.X5230普通铣床数控化改造方案的设计2.1设计要求X5230普通铣床进行数控化改造后，系统应能控制主轴转速并实现其正反转；控制工作台实现纵向、横向和垂直方

14、向的进给运动；控制冷却和润滑；通过键盘输入加工程序；由显示器显示加工状态等。（1）铣头装能在垂直面内作纵横两个方向运动，便于加工各种复杂形状的零件。（2）主轴可以在垂直方向上下运动。（3）X、Y、Z三轴均由步进电动机实现开环伺服驱动，可实现三轴任意两两联动，进行直线和圆弧插补。X、Y轴脉冲当量为0.01mm，Z轴脉冲当量为0.005mm。据设计要求，改造后的数控铣床应具有以下功能：（1）提高原机床加工工件时所能达到的精度；（2）能实现工件加工的自动循环要求，缩短辅助时间，提高加工效率；（3）可以实现程序的存储和编辑功能；（4）主传动系统可以实现电机正、反转，转速仍保持原机床的手动变速；（5）可

15、以在平面或空间范围内按设定曲线(直线、圆弧等)恒速或变速运行；（5）控制系统可靠，拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自动功能；（6）铣床总体造型要美观、大方；2.1.1总体改造方案普通铣床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择改造方案是工作得以成功的主要环节。数控机床的改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能低的故障率运转。因此，用来进行改造的机床最好是七八成新的机床。根据各机床制造厂对普通铣床进行数控改造的主要形式，并结合现有型号和实际情况，拟定出以下两种改造方案：方案（1）技改要点主传动甩掉现有铣床主轴箱（包括主轴）、进给箱等，只保留床身立柱、导轨、等，重新设计制造主轴（高转速）及箱体。进给传动采用半闭环伺服系统。这一类系统的位置检测元件从机械传动链的中间取得信号，检测元件大多是装在伺服电动机后端或滚珠丝杠驱动端。由于位置反馈信号不包括滚珠丝杠螺母副及工作台等执行部件误差因素影响，