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哈爾濱理工大學學士學位論文
X6132銑床數(shù)控改造
摘 要
本文提供了一種X6132銑床的數(shù)控化改造方案，改造的主要模塊有：機械部分和數(shù)字控制電路部分。機械部分主要是對絲杠、驅(qū)動元件的改造。改造后的系統(tǒng)是以步進電機為驅(qū)動執(zhí)行元件的開環(huán)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)使系統(tǒng)能夠控制進給軸的轉(zhuǎn)速，并實現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)控制工作臺，實現(xiàn)其縱、橫向進給運動，以8031型單片機為控制處理芯片，通過鍵盤輸入加工程序控制X6132銑床數(shù)控化改造后是升降臺式的。使得改造后的機床能加工除了銑削鍵槽、平面及孔等簡單的零件外，還能加工形狀復雜（如加工圓弧面、斜面及凸輪等）的零件。改造后的數(shù)控機床具有高精、高效及加工產(chǎn)品范圍廣等特點。隨著制造技術的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機床借助現(xiàn)代設計技術、工序集約化和新的功能部件使機床的加工范圍、動態(tài)性能、加工精度和可靠性有了極大的提高。
關鍵詞 數(shù)控改造 ； X6132 ；開環(huán)控制
X6132 Transformation NC
Abstract
In this paper ,in base of our country’s eco-mimic condition and the expensive CNC, in order to extend machining scope, high accuracy , small batch, and has a good condition in excitedly complicities market .So, the memorization rebuilding of X6132is so necessary and feasible. This paper provides a way of how to implement the synchronized mo-tion of the two axes in the X and Y plane with CNC system and an open-loop control which use stepping motors as actuators on a X6132 mill，and the microcomputer is 8031.the memorization rebuilding of X6132 milling machine not only is used for machining keyway, plane and hole etc,but also, it can ma- unfitting complicated ship and the accuracy is high.The technology of CNC has become the key and basic technology in the manufacturing in-dustry.With the development of manufacturing technology, modern CNC machine tools with modern design techniques, process intensification and new features to make machine tools, machining range, dynamic performance, machining accuracy and reliability has improved greatly.
Key Words numerization rebuilding ；X6132 ；open-loop control
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題研究的背景必要性 1
1.2 數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展簡史 1
1.3 數(shù)控機床組成 2
1.4 機床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 3
1.5 機床數(shù)控化改造的意義 3
1.5.1 從微觀上看 3
1.5.2 從宏觀上看 4
1.6 本章小結 5
第2章 數(shù)控系統(tǒng)設計的總體方案 6
2.1 數(shù)控銑床改造設計總體要求和內(nèi)容 6
2.2 數(shù)控系統(tǒng)總體設計方案的擬定及框圖 6
2.2.1 系統(tǒng)總體方案的確定 6
2.2.2 系統(tǒng)總體方案框圖 7
2.3 機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算包括的內(nèi)容 8
2.4 本章小結 8
第3章 銑床機械機構設計 9
3.1 數(shù)控機床的數(shù)據(jù) 9
3.2 工藝數(shù)據(jù) 9
3.3 數(shù)控改造的縱向方向（X軸）的設計 10
3.3.1 切削力的計算 10
3.3.2 絲杠工作時軸向壓力F軸的計算 11
3.3.3 滾珠絲杠副工作負荷的計算及電動機的選擇 11
3.3.4 滾珠絲杠副軸向剛度Kz的計算 16
3.3.5 滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的驗算 18
3.4 關于滾珠絲杠副性能的分析 18
3.5 橫向(Y軸)的設計 19
3.6 軸承的選擇 20
3.6.1 軸承的壽命計算 20
3.6.2 軸承布局 21
3.6.3 軸承裝置的設計 21
3.6.4 軸承的配置 21
3.6.5 軸承的配合 22
3.6.6 軸承的潤滑 23
3.7 本章小結 24
結論 25
致謝 26
參考文獻 27
附錄 28
39
第1章 緒論
1.1 課題研究的背景必要性
隨著科學技術的發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密、復雜、而且產(chǎn)品的生產(chǎn)周期短、改型頻繁。這不僅對機床設備提出精度與效率的要求提出了通用性與靈活的要求。特別是航空、造船、武器、模具生產(chǎn)等精密加工的零件具有精度高、形狀復雜、經(jīng)常變動的特點。因此機械產(chǎn)品部件的生產(chǎn)設備機床也相應的提出了高性能、高精度化的要求。
利用計算機控制數(shù)控機床進行加工使得零件的加工變得十分的方便、快速，很大程度上節(jié)約了人力和物力的使用，使得工業(yè)自動化程度更高。但是許多企業(yè)由于資金等方面的約束不能及時引進先進數(shù)控機床，這樣制約了生產(chǎn)率的提高，不利于自動化程度的提高。因此各種機床的數(shù)控改造開發(fā)成為眾多專業(yè)技術人員研究的[1]。
并且目前在機械行業(yè)中，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，產(chǎn)品更新周期越來越短，中小批量的生產(chǎn)所占有的比例越來越大，對機械產(chǎn)品的精度和質(zhì)量要求也在不斷地提高與推進。所以普通機床越來越難以滿足加工的要求，同時由于技術水平的提高，數(shù)控機床的價格在不斷下降，因此，數(shù)控機床在機械行業(yè)中的使用將越來越普遍，而對原有普通機床數(shù)控化改造也應是越來越廣泛，依照設計任務本設計對X6132立式銑床進行了數(shù)控化改造[2]。
1.2 數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展簡史
隨著科學技術的發(fā)展，機械產(chǎn)品的結構越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，因此對加工機械產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)設備-----機床也相應地提出了高性能、高精度與高自動化的要求。
在機械產(chǎn)品中，單位與小批量產(chǎn)品占到70%---80%，這類產(chǎn)品一般都采用通用機床加工，當產(chǎn)品改變時，機床與工藝裝備均需作相應的變換和調(diào)整，而且通用機床的自動化程度不高，基本上需要人工操作，難以提高生產(chǎn)效率和保證生產(chǎn)質(zhì)量。特別是一些有曲線、曲面輪廓組成的復雜零件，只能借助靠模和仿形機床，或者借助劃線和樣板手工操作的方法來加工，加工精度和生產(chǎn)效率受到很大的限制。
數(shù)字控制機床就是為了解決單位、小批量，特別是復雜型面零件加工的自動化，并保證質(zhì)量要求而產(chǎn)生的。
數(shù)控機床的發(fā)展簡史
在美國誕生了第一臺數(shù)控機床后，可劃分為兩個階段：
第一階段：數(shù)控階段（1952～1970年）。早期采用數(shù)字邏輯電路組合成一臺機床，專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控，簡稱為數(shù)控。
第二階段：計算機數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在）。到1970年，通用小型計算機作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控階段。
1.3 數(shù)控機床組成
數(shù)控銑床是在一般銑床的基礎上發(fā)展起來的，兩者的加工工藝相同，結構也有些相似，但數(shù)控銑床是靠程序控制的自動加工機床，所以其結構也與普通銑床有較大區(qū)別。
數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)等幾大部分組成：
1．主軸箱 包括主軸箱體和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動刀具旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對加工有直接影響。
2．進給伺服系統(tǒng) 由進給電機和進給執(zhí)行機構組成，按照程序設定的進給速度實現(xiàn)刀具和工件之間的相對運動，包括直線進給運動和旋轉(zhuǎn)運動。
3．控制系統(tǒng) 數(shù)控銑床運動控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機床進行加工。
4．輔助裝置 如液壓、氣動、冷卻和潤滑系統(tǒng)和排屑、防護等裝置。
5．機床基礎件 通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個機床的基礎和框架[3]。數(shù)控銑床加工過程示意圖 1-1如下：
圖 1-1數(shù)控銑床加工過程示意圖
1.4 機床數(shù)控化改造的必要性和迫切性
數(shù)控機床是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，它集精密、柔性和集成與一身，它可以較好的解決形狀復雜、精密、小批多變的零件加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，是一種高度自動化機床。其造價較低，改造周期短，可靠性高，改造技術也日趨成熟，加之我國特有的經(jīng)濟實用產(chǎn)品“經(jīng)濟型數(shù)控裝置”的技術指標不斷的提高，產(chǎn)品的更新和完善的進度不斷的加快，產(chǎn)量不斷的提高，故有廣闊的前景，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行改造。而我國在信息技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家落后約20年。隨著我國現(xiàn)代化制造的不斷推進，每年都有大量機電產(chǎn)品進口，這說明了機床數(shù)控化改造的必要性和迫切性[4]。
1.5 機床數(shù)控化改造的意義
舊機床數(shù)控化系統(tǒng)改造具有多方面的意義:首先，對原有機床進行升級改造，使機床“起死回生”,增加了機床的使用壽命，拓展了機床的適用范圍，提高了機床的加工性能。再有，由于是對原有機床進行的改造，使企業(yè)節(jié)省了成本，減少了機床廢棄的浪費；使本企業(yè)的原有操作人員更容易加快熟悉其全部的操作流程。
由此可見，對原有機床進行數(shù)控化改造，對資金和技術要求相對較低。對像我國這樣的發(fā)展中國家的企業(yè)具有深遠的意義。
1.5.1 從微觀上看
數(shù)控機床相對傳統(tǒng)機床有如下突出的優(yōu)越性，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。
1．可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件 由于計算機可以瞬時準確地計算出每個坐標軸應該運動的運動量，這就可以復合成復雜的曲線與曲面。
2．可實現(xiàn)加工的自動化，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，而實現(xiàn)自動化。傳統(tǒng)機床可以靠凸輪或擋塊等實現(xiàn)自動化，稱之為剛性自動化，但凸輪制造、調(diào)整很費時，只有進行大批量生產(chǎn)時才經(jīng)濟合理。而數(shù)控機床只要更換一個程序就可實現(xiàn)另一個工件加工的自動化，從而使單件和小批量生產(chǎn)得以自動化，稱之為“柔性自動化”，以適應多品種小批量的生產(chǎn)方式。
3．加工出零件的精度高，尺寸的一致性好，分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”加工過程自動化，不受人的情緒高低和疲勞的影響。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)中增加了機床誤差、加工誤差修正補償?shù)墓δ?。使加工精度得到進一步提高。
4．可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運自動化帶來的效果（可以自動更換刀具）。如加工中心，在工件裝夾好后，可實現(xiàn)鉆、銑、鏜、攻絲、擴孔等多工序的加工?，F(xiàn)已出現(xiàn)其它工序集中的機床，如車削中心、車銑中心、磨削中心等。
5．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)長時間無人看管在配備多種傳感器的條件下，計算機威力的體現(xiàn)可以實現(xiàn)白班有人看管和作好充分準備工作，使得二班、三班在無人看管條件下進行自動加工。工人只工作8小時，而機床可工作24小時。因而帶來的勞動生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)周期的縮短等效益是非常明顯的。
此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）、CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎[5]。
1.5.2 從宏觀上看
工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)在上世紀70年代末、80年代初即以開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術改造。除采用數(shù)控機床外，還包括推行CAD、CAE、CAM、MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等等，以及在其產(chǎn)品中增加信息技術，包括人工智能等含量。由于采用信息技術對其軍、民機械工業(yè)進行深入改造，最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍、民品市場上的競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性和緊迫性。
近年來，全國約改造了兩萬多臺普通機床為經(jīng)濟型數(shù)控機床（主要是車床和銑床）。隨國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的成功研發(fā)，我國又成功地用國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)將普通機床改造為普及型和高級型數(shù)控機床，還用國產(chǎn)系統(tǒng)對進口的技術老化數(shù)控機床進行改造，使其起死回生。例如：華中數(shù)控公司把東方電機廠的10臺重型機床（包括2.5m,3.4m,6.3m立車）和中型機床（包括臥車、立銑）及其它企業(yè)總共約50臺的關鍵設備，改造為普及型和高級型數(shù)控機床。若購置一臺新的數(shù)苦惱感機床，進口的要上千萬，國產(chǎn)的也要幾百萬元人民幣。而數(shù)控化改造一臺只需幾十萬元就夠了。所以比起經(jīng)濟型數(shù)控改造來說，經(jīng)濟效益極為顯著。內(nèi)蒙一機集團近年來也加大了普通機床的數(shù)控化改造，由西南自動化研究所對部分機床（臥車、銑床等）進行數(shù)控化改造，使用效果明顯；又用西門子系統(tǒng)對特大型進口關鍵設備進行數(shù)控改造，使其煥發(fā)了青春。
1.6 本章小結
本章主要介紹了數(shù)控機床的結構特點以及數(shù)控機床在未來的發(fā)展，機床的數(shù)控改造具有效率高，柔性化，減少工人強度等優(yōu)點，在信息時代的今天，數(shù)控機床的改造已經(jīng)日益普遍，成為發(fā)展的趨勢。
第2章 數(shù)控系統(tǒng)設計的總體方案
2.1 數(shù)控銑床改造設計總體要求和內(nèi)容
X6132立式銑床的原傳動系統(tǒng)為其主軸轉(zhuǎn)動由電機經(jīng)齒輪變速驅(qū)動。其主軸的升降用手柄經(jīng)錐齒輪副，絲杠手動操作。工作臺的x軸和y軸分別通過離合器和離合器，由進給電動機通過齒輪變速驅(qū)動絲杠副和實現(xiàn)自動進給。工作臺的升降有電動機通過離合器將運動傳給絲杠副來實現(xiàn) 。
對X6132立式銑床進行機械部分改造，數(shù)控機床的剛度系數(shù)應該比同類普通機床高50%；應盡量提高機床的抗振性，通常機床的振動包括強迫振動和受迫振動。要提高機床在低速進給時的平穩(wěn)性和運動精度。為實現(xiàn)復雜零件的自動銑削加工，提出三種方案：
第一種方案：工作臺升降，工作臺x與y軸的進給運動
第二種方案：主軸的升降和工作臺的x,y軸的進給運動
第三種方案：工作臺的x,y軸進給運動改變?yōu)槲C控制，實現(xiàn)三軸或二軸的開環(huán)同步控制或非同步控制。
上述方案中的第一種由于工作臺較重，升降所需的步進電機轉(zhuǎn)矩大，功率損失也大，改造成本較高，第二種方案較易實現(xiàn)，我們這里的設計要求改造x,y軸，z軸作為預留，所以我們這里選擇第三種方案。
為保留原機床的半自動功能，應對原系統(tǒng)作盡可能少的改動，以免微機控制系統(tǒng)出了問題，機床還可手動加工。為此可進行以下改動，如圖
2-1所示：
1 保留原機床主軸傳動系統(tǒng)。
2 保留機床工作臺x,y 軸進給系統(tǒng)，脫開離合器6，7，去掉手輪，將滑動絲杠副換成滾珠絲杠副，并改裝減速齒輪箱，減速齒輪，步進電動機（6，7）。
2.2 數(shù)控系統(tǒng)總體設計方案的擬定及框圖
2.2.1 系統(tǒng)總體方案的確定
根據(jù)設計任務的要求，決定采用點位控制，用步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控制系統(tǒng)結構簡單，成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易，為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平衡性，采用低摩擦的傳動和導向元件，此工作臺采用滾珠絲杠螺母副和液動導軌，為盡量消除傳動間隙，可設法調(diào)整傳動齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙，計算機系統(tǒng)采用高性能價格比的8031系列單片機擴展系統(tǒng)。
圖2-1 X6132改后傳動原理圖
1、3、4---傘齒輪 2、7、10---步進電機 5、8、11—滾珠絲杠 6、9、12---滾珠絲杠螺母
2.2.2 系統(tǒng)總體方案框圖
圖 2-2 系統(tǒng)總體方案圖
2.3 機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算包括的內(nèi)容
X6132銑床數(shù)控化改造機械系統(tǒng)設計主要包括伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設計計算，絲杠螺母副的設計計算、一些基本部件相關計算和傳動系統(tǒng)的設計計算。
1．基本部件相關計算主要有工作臺的外形尺寸及重量的計算、鉆銑削力的計算以及滾動導軌參數(shù)的計算等。
2．絲杠螺母副的設計計算包括縱向、橫向絲杠螺母副的選用。
3．伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設計計算包括步進電機選型計算。
2.4 本章小結
本章主要介紹了數(shù)控系統(tǒng)設計的方案的確定，數(shù)控銑床改造設計總體要求和內(nèi)容以及機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算包括的內(nèi)容，通過本章的介紹確定了總體改造的框圖和方案。
第3章 銑床機械機構設計
3.1 數(shù)控機床的數(shù)據(jù)
工作臺尺寸(長×寬)：1250mm×320mm；
工作臺最大行程：縱向800mm橫向300mm垂直400mm；
快速移動速度：10m/min；
工作臺定位精度x、y、z：±0.03mm；
工作臺重復定位精度x、y、z：±0.02mm；
縱向、橫向及垂直進給為微機控制，采用步進電機或直流伺服電機驅(qū)動，滾珠絲杠傳動，脈沖當量0.010mm/脈沖；
電機功率P：7.5KW；
縱向快進速度：2.3m/min；
橫向快進速度：1.2m/min；
垂向快進速度：0.77m/min；
縱向切削數(shù)據(jù)：0.06m/min；
橫向切削速度：0.06m/min；
垂向切削速度：0.06m/min；
定位精度：0.015mm；
縱向移動部件重量：220kg；
橫向移動部件重量：450kg；
垂向移動部件重量：1000kg；
加速時間：30m/s；
機床效率：0.8；
機動范圍：680mm/240mm/300mm。
3.2 工藝數(shù)據(jù)
通用機床由于工藝范圍廣，在同一臺機床上常用不同材料刀具對不同材料和尺寸的工件進行多種加工，故取具有代表性的典型加工條件為計算依據(jù)。通常以加工量最大的鋼料或鑄件為工件材料，硬質(zhì)合金或高速鋼為刀具材料，選取用該機床上用得最多的常用工序或極限加工工序及與此相應的切削用量[6]。結合本次改造，選取加工材料為HT200的平板凸輪的加工工藝。
刀具：
粗齒圓柱銑刀：孔徑27mm，直徑D為63mm，L取63，前角α。為15。，后角α。為12。，螺旋角β為45。，齒數(shù)Z為6
切削用量： 銑削鑄鐵銑削前深度 t＝5~7mm，取t＝6mm。
進給量：粗齒圓柱銑刀，在加工鑄鐵裝夾系統(tǒng)剛性一般，機床功率7.5kw的條件下，取每齒進給量fz＝0.01～0.15毫米／齒，取fz＝0.15毫米/齒
3.3 數(shù)控改造的縱向方向（X軸）的設計
工作臺的進給運動是由步進電動機由一級消隙齒輪經(jīng)滾珠絲杠螺紋副，帶動工作臺移動。其中在縱向（X軸）進給系統(tǒng)的改造布置中，滾珠絲杠、軸承支架固定在工作臺上，隨工作臺移動。步進電動機經(jīng)降速齒輪和滾珠絲杠的螺母固定在床鞍上，通過滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)工作臺與床鞍之間的相對移動[7]。滾珠絲杠螺母副，它的特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動元件，以減少摩擦，絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。
滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點有：
1．傳動效率高，摩擦損失小，使用壽命長。
2．給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)，防止失步；定位精度高，剛度好。
3．有可逆性 絲杠和螺母都可以作為主運動件，故可以從旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也可以從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。
4．運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。
3.3.1 切削力的計算
結合本次改造：
(3-1)
式中：CＦc— 銑削力系數(shù) 取282；
ap — 銑削深度（即被加工表面的寬度，同時加工5個工件,每個工件厚度為10mm,故深度為50mm）；
fz — 每齒進給量 取0.15mm/z；
ae — 銑削寬度（即被切削金屬層的深度），取6mm；
do — 銑刀公稱直徑，取63mm；
Z — 刀齒數(shù)，取6；
kFc — 銑削力修正系數(shù)且：
kmFc—工件材料系數(shù) 取(HB/190)0.55；
kγFc — 前角系數(shù) 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：
按經(jīng)驗公式： Fy/Fz=0.80
求得： Fy=7200N
縱向切削分力Fx:
按經(jīng)驗公式： Fx/Fz=0.9
求得： Fx=8100N
橫向切削分力Fz’：
按經(jīng)驗公式： Fz’/Fz=0.4
求得： Fz’=3600N
3.3.2 絲杠工作時軸向壓力F軸的計算
銑削條件下在插補平面內(nèi)合力Fr：
Fr=(Fx+Fy)/2 (3-2)
銑削一周平均銑削力Fav 取2Fr/3，銑削時絲杠軸向壓力F軸 ：
F軸=βFav+μ’(mg +Fy) (3-3)
式中：β— 考慮到顛覆力矩的影響系數(shù)， 一般取1.1；
μ’— 導軌當量摩擦系數(shù)。取0.18；
m — 移動部件的質(zhì)量 估計為1000Kg；
g — 重力加速度 取9.8m/s2 ；
Fz’=3600N；
求得 ： Fr=123.69N；
Fav=82.46N；
F軸=3151N。
3.3.3 滾珠絲杠副工作負荷的計算及電動機的選擇
1． 絲杠的轉(zhuǎn)速及電動機的選擇：
數(shù)控改造多半采用開環(huán)步進式伺服驅(qū)動系統(tǒng)，本次改造也采用步進電機驅(qū)動絲杠。
開環(huán)步進伺服進給系統(tǒng)的設計計算步驟：
1．脈沖當量取0.01mm.初選步進電機的步距角φ為1.5o
2．計算降速比。由于步進電機工作的特點是一個脈沖走一步，每一步均有一個加速過程，因而對負載慣量很敏感。為滿足負載慣量盡可能小的要求 ，同時也為滿足要求的脈沖當量，常采用齒輪降速傳動。
傳動比：
(3-4)
式中：φ—步距角；
S—絲杠螺距，初取6mm；
Δ—脈沖當量。
確定齒輪傳動比及模數(shù)和有關尺寸:
因為步進電機中距角=1.5o，滾珠絲桿螺距離t=5mm,要實現(xiàn)脈沖當量=0.01mm/step，在傳動系統(tǒng)中應加一級齒輪降速傳動，降速傳動比： i===0.48
選Z=24，Z=50
因傳遞的扭矩較小，取模數(shù)m=2,齒輪有關尺寸如下表：
表3-1 齒輪的相關參數(shù)
關系式
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．根據(jù)結構草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量Jt，并計算電機力矩，再按步距角，電機力矩，允許的負載慣量等項要求來選取合適的步進電機。
慣量計算：
(3-5)
式中：Js＝0.03715Kgf.cm.s2
力矩計算：
快速空載啟動時所需力矩：
(3-6)
最大切削負載時所需力矩：
(3-7)
快速進給時所需力矩：
式中：Mamax — 空載啟動時折算到馬達軸上的加速力矩；
Mf — 折算到馬達軸上的摩擦力矩；
M0 — 由于絲杠預緊引起的折算到馬達軸上的附加摩擦力矩；
Mat — 切削時折算到馬達軸上的加速力矩；
Mt — 折算到馬達軸上的切削負載力矩。
絲杠傳動時
Ma , Mf ,M0 , Mt計算公式：
(3-8)
式中：Jr — 折算到馬達軸上的總慣量；
T — 系統(tǒng)時間常數(shù)（系統(tǒng)時間常數(shù)表示線路在導通瞬間允許電流值上升的速率。時間常數(shù)越小，線路導通后電流上升越快，達到近似穩(wěn)定值的時間越短；反之則越長）；
n — 電機轉(zhuǎn)速；
當n=nmax時計算Mamax,n=nt時計算Mat；
nt —切削時的轉(zhuǎn)速。
摩擦力矩：
(3-9)
式中：Fο—導軌摩擦力（）；
S— 絲杠螺距；
? — 齒輪降速比；
h — 傳動鏈總效率（一般取0.70～0.85，現(xiàn)取0.8）；
求得：Fο=2106N；
M?=1.00554Nm。
附加摩擦力矩Mο：
(3-10)
式中：Pο—滾珠絲桿預加載荷（kgf．m）；
為使預緊后的雙螺母機構在正向傳動鏈受力運行時其反向傳動鏈仍保證無間隙出現(xiàn)，要求預緊力的數(shù)值應大于最大軸向載前的1/3倍。
Pο≥1/3×F軸=1/3×3151=1050.3N 取Pο=1200N
S—絲桿螺距；
η—傳動鏈總效率；
?—齒輪降速比；
ηo — 滾珠絲桿未預緊時的效率，一般取η≥0.9；
求得：Mο＝0.0363Nm。
切削力矩Mt：
(3-11)
式中：Pt — 進給方向的最大切削力；
S — 絲機螺距（cm）；
η — 傳動鏈總效率 η取0.8；
? — 齒輪降速比。
所以初選步進電機：130BF001 五相十拍分配方式
檢驗計算： (3-12)
式中：Jm—電機轉(zhuǎn)動慣量；
Jt—系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量；
T—系統(tǒng)時間常數(shù)(s) 加速時間Ｔ＝50m/s
故： Mamax＝(Jt+Jm)nmax/9.6×0.05×102
＝ [(0.01545+7×102)×1000]/9.6×0.05×102
?。?4.22Nm
M=Mamax+Mf+Mo M=5.26Nm(M<9.31Nm)
由于采用步進電機驅(qū)動：
式中：φ—步進電機步距角，取1.5o；
f —電機脈沖頻率，取16000Hz；
i—電機與絲杠間的降速比，取5；
n=80。
由機械設計手冊表查得選取步進電機: 130BF001 五相十拍分配方式[9]
2 絲杠壽命系數(shù)L：
L=
式中：T — 絲杠預期壽命 取15000h
求得： L=72
3 絲杠工作動載荷C：
式中：β1 — 絲杠硬度系數(shù)，取1.5；
β2 — 載荷性質(zhì)系數(shù)，取1.4；
求得： C=27528.25N[2]
根據(jù)C
>n故可靠性好，穩(wěn)定性好。
3.4 關于滾珠絲扛副的性能分析
在升降臺銑床的垂向運動中，普遍存在著工作臺運動時搖動力過大的問題。因此，操作進刀不便，絲杠螺母副易磨損，電磁離合器易燒壞。解決這一問題的根本措施是將滑動絲杠改為滾珠絲杠副，提高機械傳動效率，當采用滾珠絲杠副后，其矛盾就轉(zhuǎn)化為滾珠絲杠副逆運轉(zhuǎn)的自鎖上。
垂向升降絲杠副的受力情況如下圖所示：
圖3-1 升降滾珠絲杠受載示意圖及傳動系統(tǒng)圖
采用滾珠絲杠后，因摩擦角小于螺旋升角而不能自鎖，在自重作用下絲杠副產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)，升降臺自動下降。為防止其逆轉(zhuǎn)，必須滿足自鎖條件方程：
≥F
式中：F — 向下分力，F(xiàn)= (kg·f);
Fm — N·f =f (kg·f)。
ΔFm為防逆轉(zhuǎn)所需的附加摩擦力，但在絲杠向上搖動時卻又不應增加阻力。這就是垂向滾珠絲杠副防逆轉(zhuǎn)機構設計的基本出發(fā)點。
在機構中一般用超越離合器實現(xiàn)單向加載的目的。假若在絲杠傳動系統(tǒng)中附加單向摩擦載荷ΔFm，此時，向上驅(qū)動力矩M上基本不變，而M下由下式確定：
M下
若使，則M下=0，搖臂的手搖力Q下=0。但在實際使用中總調(diào)整到>0使其在不同載荷的變化狀態(tài)下，有較好的自鎖可靠性，但值又不宜過大，否則造成向下?lián)u動力Q下過大以及超越離合器易磨損等弊端。這是考核垂向升降滾珠絲杠副結構是否合理的重要指標。所以從自鎖條件方程不分析，附加摩擦力ΔFm應滿足上述方程并有足夠的安全系數(shù)條件下取最小值。
此外，為使實際使用時能取得最佳效果和磨損后的補償，ΔFm應能方便地進行調(diào)節(jié)和具有補償機能。這是垂向升降絲杠副能否得到廣泛應用的關鍵。本次改造中附加摩擦力可通過碟形彈簧調(diào)節(jié)，使之達到最佳自鎖狀態(tài)。碟形彈簧能自動補償磨損，因此，確保了自 鎖性和搖動輕巧；同時，離合器通過1：2.5的傳動減速比使離合器能以較小的阻尼去實現(xiàn)較大的控制力，從而延長使用壽命。
由以上的分析可知，改造成后的“可調(diào)阻尼式”垂向滾珠絲杠副傳動機構，結構布局合理，具有搖動輕巧，自鎖可靠，調(diào)節(jié)方便，壽命較長，及更新改裝方便等多方面的優(yōu)點。
3.5 橫向(Y軸)的設計
Y軸的絲杠選擇與X軸一樣為NL6012。
Y軸的齒輪副設計也與X軸相同，這里不再累贅。
Y軸方向步進電動機的選擇：
Y軸銑削圓周力：
=1500N
則有Y向絲杠牽引力：
=1500+1.414×4410×0.01
=1562N
則有電機軸負載力矩：
其中：—導軌摩擦系數(shù)，取0.1；
—步進電機步矩角為0.75；
—Y向絲杠牽引力；
—當量摩擦系數(shù)取0.01。
若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩為：
可取安全系數(shù)極限值0.3，則有：
對于工作方式為五相十拍的五相步進電機最大啟動力矩：
電機最大工作頻率：
綜合以上可選取步進電機型號為：90BF001反應式步進電動機。步進電機90BF001的外型尺寸為：A13--A15，軸徑為φ11。
3.6 軸承的選擇
3.6.1 軸承的壽命計算
軸承在承受負荷旋轉(zhuǎn)時，由于套圈滾道面及滾動體滾動面不斷地受到交變負荷的作用，即使在正常的使用條件下，也會因材料疲勞使?jié)L道面及滾動面出現(xiàn)疲勞損傷。出現(xiàn)這種滾動疲勞損傷之前的總旋轉(zhuǎn)數(shù)稱做軸承的“（疲勞）壽命”。即使是結構、尺寸、材料、加工方法等完全相同的軸承，在同樣條件下旋轉(zhuǎn)時，軸承的（疲勞）壽命仍會出現(xiàn)較大的差異。這是因為材料疲勞本身即具有離散性，應從統(tǒng)計的角度來考慮。于是就將一批相同的軸承在同樣條件下分別旋轉(zhuǎn)時，其中90%的軸承不出現(xiàn)滾動疲勞損傷的總旋轉(zhuǎn)數(shù)稱做“軸承的基本額定壽命”（即可靠性為90%的壽命)。在以固定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，也可用總旋轉(zhuǎn)時間表示。但在實際工作時，還會出現(xiàn)滾動疲勞損傷以外的損傷現(xiàn)象。這些損傷可以通過做好軸承的選擇、安裝和潤滑等加以避免。本次設計所以軸承的壽命符合要求。
3.6.2 軸承布局
表3-3 常用軸承布局方式
配置方式
可達到的轉(zhuǎn)速系數(shù)
0.85
0.80
0.75
0.65
0.72
為了適應高速運行同時保證一定的剛度，本次設計采用面對面設置。
按軸承參數(shù)可知，軸承的極限轉(zhuǎn)速為22000r/min
配置選第五種，其速度系數(shù)為0.65，則可得最高轉(zhuǎn)速為
所以完全可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速為4000r/min的設計要求。
又因為軸承支點跨距較大，溫升較高，所以本設計采用一端固定，一端游動的軸承固定方式。并且是三支承方式。
3.6.3 軸承裝置的設計
要想保證軸承順利的工作、，除了正確選擇軸承類型和尺寸外，還應該正確設計軸承的裝置。軸承裝置的設計主要是正確解決軸承的安裝、配置、緊固、調(diào)節(jié)、潤滑、密封等問題。下面提出一些設計中注意的要點。
3.6.4 軸承的配置
一般來說，一根軸需要兩個支點，每個支點可由一個或一個以上的軸承組成。合理的軸承配置應考慮軸在機器中有正確的位置、防止軸向竄動以及軸受熱膨脹后導致將軸承卡死等因素。
常用的軸承配置方法有以下三種:
1. 雙支點單向固定。
這種軸承配置常用兩個反向安裝的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，兩個軸承各限制一個方向的軸向移動。
2. 單支點雙向固定。
對于跨距較大（如大于350mm）且工作溫度較高的軸，其熱伸長量大，應采用一支點雙向固定，另一支點游動的支承結構。作為固定支承的軸承，應能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向都要固定。作為補償軸的熱膨脹的游動支承，若使用的是內(nèi)外圈不可分離型軸承，只需固定內(nèi)圈，其外留在座孔內(nèi)應可以軸向游動。
3. 兩端游動支承
對于一對人字齒輪軸，由于人字齒輪本身的相互軸向定位作用，它們的軸承內(nèi)外圈的軸向緊固應設計成只保證其中一根軸相對機座有固定的軸向位置，而另一根軸上的兩個軸承都必須是游動的，以防止齒輪卡死或人字齒的兩側(cè)受力不均勻。
首先通過BT40主軸的工作情況來說，是內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，外圈固定。BT40主軸的轉(zhuǎn)速為8000prm，額定轉(zhuǎn)矩為42，屬于高速中載的工作條件。由于高速旋轉(zhuǎn)，軸承等安裝在軸上的零件會和軸有摩擦，并產(chǎn)生大量的熱。雖然水冷卻系統(tǒng)能帶走一部分熱能，但仍會導致因溫升而產(chǎn)生熱伸長。因此，必須采用“一支點雙向固定，另一支點游動”的軸承配置形式。作為固定支承的軸承，應能承受雙向軸向載荷，內(nèi)外圈在軸上都要固定。而作為補償軸的熱膨脹的游動支承，固定內(nèi)圈，外圈在坐孔內(nèi)可以游動，給軸的熱膨脹留余空間。在本次設計中，受力不是很大，選取前三后二的支承方式。
3.6.5 軸承的配合
配合的目的是使軸承內(nèi)圈或外圈牢固地與軸或外殼固定，以免在相互配合面上出現(xiàn)不利的軸向滑動。這種不利的軸向滑動（稱做蠕變）會引起異常發(fā)熱、配合面磨損（進而使磨損鐵粉侵入軸承內(nèi)部） 以及振動等問題，使軸承不能充分發(fā)揮作用。因此對于軸承來說，由于承受負荷旋轉(zhuǎn)，一般必須讓套圈帶上過盈使之牢固地與軸或外殼固定。
配合的選擇一般按下述原則進行：
根據(jù)作用于軸承的負荷方向、性質(zhì)及內(nèi)外圈的哪一方旋轉(zhuǎn)，則各套圈所承受的負荷可分為旋轉(zhuǎn)負荷、靜止負荷或不定向負荷。承受旋轉(zhuǎn)負荷及不定向負荷的套圈應取靜配合（過盈配合），承受靜止負荷的套圈，可取過渡配合或動配合（游隙配合）。軸承負荷大或承受振動、沖擊負荷時，其過盈須增大。采用空心軸、薄壁軸承箱或輕合金、塑料制軸承箱時，也須增大過盈量。要求保持高旋轉(zhuǎn)時，須采用高精度軸承，并提高軸及軸承箱的尺寸精度，避免過盈過大。如果過盈太大，可能使軸或軸承箱的幾何形狀精度影響軸承套圈的幾何形狀，從而損害軸承的旋轉(zhuǎn)精度。
3.6.6 軸承的潤滑
潤滑對于滾動軸承具有重要意義，軸承中的潤滑劑不僅可以降低摩擦阻力，還可以起散熱、減小接觸應力、吸收振動、防止銹蝕等作用。所以本次設計根據(jù)工作情況選用脂潤滑。
脂潤滑的優(yōu)點：潤滑膜強度高，能夠承受較大的載荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以維持相當長的一段時間，方便簡單。
軸承類型
脂潤滑
油潤滑
油浴
滴油
循環(huán)油（噴油）
油霧
深溝球軸承
16
25
40
60
>60
調(diào)心球軸承
16
25
40
50
角接觸球軸承
16
25
40
60
>60
圓柱滾子軸承
12
25
40
60
>60
圓錐滾子軸承
10
16
23
30
調(diào)心滾子軸承
8
12
20
25
推力球軸承
4
6
12
15
表3-4 使用于脂潤滑和油潤滑的植界限（表值）
3.7 本章小結
本章主要介紹了數(shù)控機床機械系統(tǒng)機構的設計，即縱向和橫向兩個方向，主要計算了切削力，絲杠工作時的軸向壓力，滾珠絲杠副工作負荷，滾珠絲扛副軸向剛度，滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的驗算以及電動機的選取。
結論
依照我國目前的數(shù)控機床發(fā)展狀況及我國的國情，對原有的普通機床進行數(shù)控化改造是符合當前國情的。對普通立式銑床X6132改造為了擴大產(chǎn)品加工范圍和提高加工精度、效率、質(zhì)量，進而滿足市場多變的要求：小批量、多品種、柔性化加工。改造后的X6132能夠完成加工鍵槽、平面和孔等一般加工，還能加工復雜的零件，且精度高。
在做畢業(yè)設計的這段時間里，針對普通銑床的數(shù)控化改造設計的這個課題，我查閱了大量資料，制訂出了改造方案，使X6132 普通立式銑床達到數(shù)控銑床的要求，實現(xiàn)數(shù)控銑床的功能，是一種成本低，性能高的優(yōu)選方案。利用單片機系統(tǒng)來做經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的核心，因為單片機控制功能強，體積小，成本低，功耗小，使用方便。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，尤其是近幾年的突飛猛進，單片機的擴展功能大大增強原來很多機床改造用單片機都用8031，8031單片機主要有集成度高，體積小，可靠性高，尋址范圍大，處理功能強，運算速度快等特點。
致謝
畢業(yè)設計很快結束了，在這段時間里，不僅僅感覺到的是忙碌，還有忙碌后做完一件令自己心動的東西時的那種無聲的喜悅。
在寫致謝信的這個時候心里充滿著感激，想想自己在做畢業(yè)設計時的種種困難，在老師同學的用心幫助下也一一解決了，說句實話，憑自己的能力要作完畢業(yè)設計是有些太困難了，但是在你的身邊總有一些人會給你帶來驚喜，自己的能力畢竟有限，在面對別人無私幫助的時候我的內(nèi)心十分感激，帶自己畢業(yè)設計的張寶海有問必答，有難必解。還親自回到家給我取相關的資料。還有好多老師在這次畢業(yè)設計中給于我一些幫助，我非常的感激。當然還有我身邊的那些同學，在我有疑惑的時候總是不厭其煩的給我解釋清楚。在我設計的時候，因為我以前從沒接觸過的東西，一開始很是迷茫，我的好幾位同學都在這時候一邊忙自己的事，一邊還要在我有疑惑的時候為我?guī)兔Ψ治?，共同解決。最終自己終于完成了銑床的數(shù)控改造的畢設要求。現(xiàn)在想起來，有時候最能讓自己感動的事就發(fā)生在自己的身邊。
這次畢業(yè)設計不僅給我?guī)砹酥R上的收獲，在做人方面也教會了我許多許多，在對待事情方面，尤其是有選擇的時候自己該放棄什么，該抓住什么。什么是該自己作的，什么時候做，我明白了好多。
在此，我對給我?guī)椭睦蠋煟瑢W至以誠摯的謝意和由衷的感激。感謝您們對我的幫助，和教會我那些人生的道理。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！
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