X5032立式铣床进给系统的数控改造

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

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

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

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

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

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(<lOnm)，其应用范围日趋广泛。

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

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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