X6132铣床的数控化改造设计【优秀机械毕业设计@word+6CAD全套图纸】

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X6132铣床的数控化改造设计【优秀机械毕业设计word+6CAD全套图纸】07- 评语.docX6132铣床的数控改造任务书.doc封皮.doc总汇6张CAD图纸.dwg正文.doc毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：X6132铣床数控改造毕业设计工作内容：1、实际调研，收集相关资料，完成开题报告；13周。2、结合生产实际，对X6132铣床数控改造；3、设计X6132铣床数控改造原理图； 47周。4、设计X6132铣床车床数控改造纵向、横向进给结构811周。5设计相关零件图； 1213周6、撰写毕业设计论文；准备答辩。 14-16周。注：要求全部用计算机绘图和打印文稿（交打印件和电子稿）资料：1、金属切削机床与数控机床；2、非标设计手册；3、金属切削用量手册；4、相关的技术资料。指导教师意见：X6132铣床数控改造摘要本文提供了一种X6132铣床的数控化改造方案，改造的主要模块有：机械部分和数字控制电路部分。机械部分主要是对丝杠、驱动元件的改造。改造后的系统是以步进电机为驱动执行元件的开环控制系统，控制系统使系统能够控制进给轴的转速，并实现其正反转控制工作台，实现其纵、横向进给运动，以8031型单片机为控制处理芯片，通过键盘输入加工程序控制X6132铣床数控化改造后是升降台式的。使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、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。改造后的数控机床具有高精、高效及加工产品范围广等特点。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。关键词数控改造； X6132 ；开环控制X6132 Transformation NCAbstract In this paper ,in base of our countrys 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目录摘要IAbstractII第1章绪论1 1.1 课题研究的背景必要性1 1.2 数控机床的产生及发展简史1 1.3 数控机床组成2 1.4 机床数控化改造的必要性和迫切性3 1.5 机床数控化改造的意义3 1.5.1 从微观上看3 1.5.2 从宏观上看4 1.6 本章小结5第2章数控系统设计的总体方案6 2.1 数控铣床改造设计总体要求和内容6 2.2 数控系统总体设计方案的拟定及框图6 2.2.1 系统总体方案的确定6 2.2.2 系统总体方案框图7 2.3 机床进给伺服系统机械部分设计计算包括的内容8 2.4 本章小结8第3章铣床机械机构设计9 3.1 数控机床的数据9 3.2 工艺数据9 3.3 数控改造的纵向方向（X轴）的设计10 3.3.1 切削力的计算10 3.3.2 丝杠工作时轴向压力F轴的计算11 3.3.3 滚珠丝杠副工作负荷的计算及电动机的选择11 3.3.4 滚珠丝杠副轴向刚度Kz的计算16 3.3.5 滚珠丝杠副临界转速的验算18 3.4 关于滚珠丝杠副性能的分析18 3.5 横向(Y轴)的设计19 3.6 轴承的选择20 3.6.1 轴承的寿命计算20 3.6.2 轴承布局21 3.6.3 轴承装置的设计21 3.6.4 轴承的配置21 3.6.5 轴承的配合22 3.6.6 轴承的润滑23 3.7 本章小结24结论25致谢26参考文献27附录28第1章绪论1.1课题研究的背景必要性随着科学技术的发展，机械产品日趋精密、复杂、而且产品的生产周期短、改型频繁。这不仅对机床设备提出精度与效率的要求提出了通用性与灵活的要求。特别是航空、造船、武器、模具生产等精密加工的零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。因此机械产品部件的生产设备机床也相应的提出了高性能、高精度化的要求。利用计算机控制数控机床进行加工使得零件的加工变得十分的方便、快速，很大程度上节约了人力和物力的使用，使得工业自动化程度更高。但是许多企业由于资金等方面的约束不能及时引进先进数控机床，这样制约了生产率的提高，不利于自动化程度的提高。因此各种机床的数控改造开发成为众多专业技术人员研究的1。并且目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。所以普通机床越来越难以满足加工的要求，同时由于技术水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床数控化改造也应是越来越广泛，依照设计任务本设计对X6132立式铣床进行了数控化改造2。 1.2数控机床的产生及发展简史随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产设备-机床也相应地提出了高性能、高精度与高自动化的要求。在机械产品中，单位与小批量产品占到70%-80%，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而且通用机床的自动化程度不高，基本上需要人工操作，难以提高生产效率和保证生产质量。特别是一些有曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。数字控制机床就是为了解决单位、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化，并保证质量要求而产生的。数控机床的发展简史在美国诞生了第一台数控机床后，可划分为两个阶段：第一阶段：数控阶段（19521970年）。早期采用数字逻辑电路组合成一台机床，专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控。第二阶段：计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）。到1970年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控阶段。1.3数控机床组成数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的，两者的加工工艺相同，结构也有些相似，但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床，所以其结构也与普通铣床有较大区别。数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成：1主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接影响。2进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。3控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。4辅助装置如液压、气动、冷却和润滑系统和排屑、防护等装置。5机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架3。数控铣床加工过程示意图 1-1如下：1.4机床数控化改造的必要性和迫切性数控机床是一种典型的机电一体化产品，它集精密、柔性和集成与一身，它可以较好的解决形状复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率，是一种高度自动化机床。其造价较低，改造周期短，可靠性高，改造技术也日趋成熟，加之我国特有的经济实用产品“经济型数控装置”的技术指标不断的提高，产品的更新和完善的进度不断的加快，产量不断的提高，故有广阔的前景，工业发达国家的军、民机械工业已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业进行改造。而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后约20年。随着我国现代化制造的不断推进，每年都有大量机电产品进口，这说明了机床数控化改造的必要性和迫切性4。1.5机床数控化改造的意义旧机床数控化系统改造具有多方面的意义:首先，对原有机床进行升级改造，使机床“起死回生”,增加了机床的使用寿命，拓展了机床的适用范围，提高了机床的加工性能。再有，由于是对原有机床进行的改造，使企业节省了成本，减少了机床废弃的浪费；使本企业的原有操作人员更容易加快熟悉其全部的操作流程。由此可见，对原有机床进行数控化改造，对资金和技术要求相对较低。对像我国这样的发展中国家的企业具有深远的意义。1.5.1从微观上看数控机床相对传统机床有如下突出的优越性，且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。1可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件由于计算机可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就可以复合成复杂的曲线与曲面。2可实现加工的自动化，且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3-7倍，由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，而实现自动化。传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，称之为刚性自动化，但凸轮制造、调整很费时，只有进行大批量生产时才经济合理。而数控机床只要更换一个程序就可实现另一个工件加工的自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，称之为“柔性自动化”，以适应多品种小批量的生产方式。3加工出零件的精度高，尺寸的一致性好，分散度小，使装配容易，不再需要“修配”加工过程自动化，不受人的情绪高低和疲劳的影响。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。数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能。使加工精度得到进一步提高。4可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运自动化带来的效果（可以自动更换刀具）。如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、镗、攻丝、扩孔等多工序的加工。现已出现其它工序集中的机床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。5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在配备多种传感器的条件下，计算机威力的体现可以实现白班有人看管和作好充分准备工作，使得二班、三班在无人看管条件下进行自动加工。工人只工作8小时，而机床可工作24小时。因而带来的劳动生产率的提高和生产周期的缩短等效益是非常明显的。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础5。1.5.2从宏观上看工业发达国家的军、民机械工业在上世纪70年代末、80年代初即以开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业的技术改造。除采用数控机床外，还包括推行CAD、CAE、CAM、MIS（管理信息系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等等，以及在其产品中增加信息技术，包括人工智能等含量。由于采用信息技术对其军、民机械工业进行深入改造，最终使得他们的产品在国际军、民品市场上的竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和紧迫性。近年来，全国约改造了两万多台普通机床为经济型数控机床（主要是车床和铣床）。随国产高档数控系统的成功研发，我国又成功地用国产数控系统将普通机床改造为普及型和高级型数控机床，还用国产系统对进口的技术老化数控机床进行改造，使其起死回生。例如：华中数控公司把东方电机厂的10台重型机床（包括2.5m,3.4m,6.3m立车）和中型机床（包括卧车、立铣）及其它企业总共约50台的关键设备，改造为普及型和高级型数控机床。若购置一台新的数苦恼感机床，进口的要上千万，国产的也要几百万元人民币。而数控化改造一台只需几十万元就够了。所以比起经济型数控改造来说，经济效益极为显著。内蒙一机集团近年来也加大了普通机床的数控化改造，由西南自动化研究所对部分机床（卧车、铣床等）进行数控化改造，使用效果明显；又用西门子系统对特大型进口关键设备进行数控改造，使其焕发了青春。1.6本章小结本章主要介绍了数控机床的结构特点以及数控机床在未来的发展，机床的数控改造具有效率高，柔性化，减少工人强度等优点，在信息时代的今天，数控机床的改造已经日益普遍，成为发展的趋势。第2章数控系统设计的总体方案 2.1数控铣床改造设计总体要求和内容X6132立式铣床的原传动系统为其主轴转动由电机经齿轮变速驱动。其主轴的升降用手柄经锥齿轮副，丝杠手动操作。工作台的x轴和y轴分别通过离合器和离合器，由进给电动机通过齿轮变速驱动丝杠副和实现自动进给。工作台的升降有电动机通过离合器将运动传给丝杠副来实现。对X6132立式铣床进行机械部分改造，数控机床的刚度系数应该比同类普通机床高50%；应尽量提高机床的抗振性，通常机床的振动包括强迫振动和受迫振动。要提高机床在低速进给时的平稳性和运动精度。为实现复杂零件的自动铣削加工，提出三种方案：第一种方案：工作台升降，工作台x与y轴的进给运动第二种方案：主轴的升降和工作台的x,y轴的进给运动第三种方案：工作台的x,y轴进给运动改变为微机控制，实现三轴或二轴的开环同步控制或非同步控制。上述方案中的第一种由于工作台较重，升降所需的步进电机转矩大，功率损失也大，改造成本较高，第二种方案较易实现，我们这里的设计要求改造x,y轴，z轴作为预留，所以我们这里选择第三种方案。为保留原机床的半自动功能，应对原系统作尽可能少的改动，以免微机控制系统出了问题，机床还可手动加工。为此可进行以下改动，如图2-1所示：1 保留原机床主轴传动系统。2 保留机床工作台x,y 轴进给系统，脱开离合器6，7，去掉手轮，将滑动丝杠副换成滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱，减速齿轮，步进电动机（6，7）。参考文献1 张俊生金属切削机床与数控机床北京机械工业出版社，1994：25432 谢家瀛机床设计图册上海出版社，1979.6：44733 明兴祖数控加工技术北京化工出版社，2002：47604 赵万昌电机工程手册机械工业出版社，1982：1291725 李福生数控机床技术手册北京出版社，1996：12566 徐宏海，谢富春数控铣床北京化工出版社，2003：3327 吴圣庄金属切削机床技术北京机械工业出版社，1985：43568 林其骏机床数控制系统中国科学技术出版社，1991.9：12469 孙承松机床设计手册机械工业出版社1997：759410 王爱玲机床北京出版社1983第9期：4310011 顾维邦金属切削机床概念北京机械工业出版社，1996：15818912 赵月望机械制造技术实践北京机械工业出版社，1993：439013 赵长德微机原理与接口技术中国科学技术出版社，1990.9：349814 Gu, L. Z., Wang, d., Xing, L.,etc.Computer simulation and optimization of metal cutting process for mild carbon steels, Journal of Materials Processing Technology 129 (2002) 606515 Didjanin, L. and Kovac, P., Fracture mechanisms in chip formation processes, Materials Science and Technology 13 (1997) 439444

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X6132铣床的数控化改造设计【优秀机械毕业设计@word+6CAD全套图纸】

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毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目：

X6132铣床数控改造

毕业设计工作内容：

1、实际调研，收集相关资料，完成开题报告；1—3周。

2、结合生产实际，对X6132铣床数控改造；

3、设计X6132铣床数控改造原理图； 4—7周。

4、设计X6132铣床车床数控改造纵向、横向进给结构8—11周。

5设计相关零件图； 12—13周

6、撰写毕业设计论文；准备答辩。 14---16周。

注：要求全部用计算机绘图和打印文稿（交打印件和电子稿）

资料：

1、金属切削机床与数控机床；

2、非标设计手册；

3、金属切削用量手册；

4、相关的技术资料。

指导教师意见：

X6132铣床数控改造

摘要

本文提供了一种X6132铣床的数控化改造方案，改造的主要模块有：机械部分和数字控制电路部分。机械部分主要是对丝杠、驱动元件的改造。改造后的系统是以步进电机为驱动执行元件的开

环控制系统，控制系统使系统能够控制进给轴的转速，并实现其正反转控制工作台，实现其纵、横向进给运动，以8031型单片机为控制处理芯片，通过键盘输入加工程序控制X6132铣床数控化

改造后是升降台式的。使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、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。改造后的数控机床具有高精、高效及

加工产品范围广等特点。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。

关键词数控改造； X6132 ；开环控制

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

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1 课题研究的背景必要性1

1.2 数控机床的产生及发展简史1

1.3 数控机床组成2

1.4 机床数控化改造的必要性和迫切性3

1.5 机床数控化改造的意义3

1.5.1 从微观上看3

1.5.2 从宏观上看4

1.6 本章小结5

第2章数控系统设计的总体方案6

2.1 数控铣床改造设计总体要求和内容6

2.2 数控系统总体设计方案的拟定及框图6

2.2.1 系统总体方案的确定6

2.2.2 系统总体方案框图7

2.3 机床进给伺服系统机械部分设计计算包括的内容8

2.4 本章小结8

第3章铣床机械机构设计9

3.1 数控机床的数据9

3.2 工艺数据9

3.3 数控改造的纵向方向（X轴）的设计10

3.3.1 切削力的计算10

3.3.2 丝杠工作时轴向压力F轴的计算11

3.3.3 滚珠丝杠副工作负荷的计算及电动机的选择11

3.3.4 滚珠丝杠副轴向刚度Kz的计算16

3.3.5 滚珠丝杠副临界转速的验算18

3.4 关于滚珠丝杠副性能的分析18

3.5 横向(Y轴)的设计19

3.6 轴承的选择20

3.6.1 轴承的寿命计算20

3.6.2 轴承布局21

3.6.3 轴承装置的设计21

3.6.4 轴承的配置21

3.6.5 轴承的配合22

3.6.6 轴承的润滑23

3.7 本章小结24

结论25

致谢26

参考文献27

附录28

第1章绪论

1.1课题研究的背景必要性

随着科学技术的发展，机械产品日趋精密、复杂、而且产品的生产周期短、改型频繁。这不仅对机床设备提出精度与效率的要求提出了通用性与灵活的要求。特别是航空、造船、武器、模具

生产等精密加工的零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。因此机械产品部件的生产设备机床也相应的提出了高性能、高精度化的要求。

利用计算机控制数控机床进行加工使得零件的加工变得十分的方便、快速，很大程度上节约了人力和物力的使用，使得工业自动化程度更高。但是许多企业由于资金等方面的约束不能及时引

进先进数控机床，这样制约了生产率的提高，不利于自动化程度的提高。因此各种机床的数控改造开发成为众多专业技术人员研究的[1]。

并且目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。所以普通机床越来越

难以满足加工的要求，同时由于技术水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床数控化改造也应是越来越广泛，依照设

计任务本设计对X6132立式铣床进行了数控化改造[2]。

1.2数控机床的产生及发展简史

随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产设备-----机床也相应地提出了高性能、高精度与高自动化的要求。

在机械产品中，单位与小批量产品占到70%---80%，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而且通用机床的自动化程度不高，基本上需

要人工操作，难以提高生产效率和保证生产质量。特别是一些有曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板手工操作的方法来加工，加工精度和生产效

率受到很大的限制。

数字控制机床就是为了解决单位、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化，并保证质量要求而产生的。

数控机床的发展简史

在美国诞生了第一台数控机床后，可划分为两个阶段：

第一阶段：数控阶段（1952～1970年）。早期采用数字逻辑电路组合成一台机床，专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控。

第二阶段：计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）。到1970年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控阶段。

1.3数控机床组成

数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的，两者的加工工艺相同，结构也有些相似，但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床，所以其结构也与普通铣床有较大区别。

数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成：

1．主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接影响。

2．进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。

3．控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。

4．辅助装置如液压、气动、冷却和润滑系统和排屑、防护等装置。

5．机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架[3]。数控铣床加工过程示意图 1-1如下：

1.4机床数控化改造的必要性和迫切性

数控机床是一种典型的机电一体化产品，它集精密、柔性和集成与一身，它可以较好的解决形状复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率，是一种高度自动

化机床。其造价较低，改造周期短，可靠性高，改造技术也日趋成熟，加之我国特有的经济实用产品“经济型数控装置”的技术指标不断的提高，产品的更新和完善的进度不断的加快，产量

不断的提高，故有广阔的前景，工业发达国家的军、民机械工业已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业进行改造。而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家

落后约20年。随着我国现代化制造的不断推进，每年都有大量机电产品进口，这说明了机床数控化改造的必要性和迫切性[4]。

1.5机床数控化改造的意义

旧机床数控化系统改造具有多方面的意义:首先，对原有机床进行升级改造，使机床“起死回生”,增加了机床的使用寿命，拓展了机床的适用范围，提高了机床的加工性能。再有，由于是对

原有机床进行的改造，使企业节省了成本，减少了机床废弃的浪费；使本企业的原有操作人员更容易加快熟悉其全部的操作流程。

由此可见，对原有机床进行数控化改造，对资金和技术要求相对较低。对像我国这样的发展中国家的企业具有深远的意义。

1.5.1从微观上看

数控机床相对传统机床有如下突出的优越性，且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。

1．可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件由于计算机可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就可以复合成复杂的曲线与曲面。

2．可实现加工的自动化，且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3-7倍，由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，而实

现自动化。传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，称之为刚性自动化，但凸轮制造、调整很费时，只有进行大批量生产时才经济合理。而数控机床只要更换一个程序就可实现另一个工件

加工的自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，称之为“柔性自动化”，以适应多品种小批量的生产方式。

3．加工出零件的精度高，尺寸的一致性好，分散度小，使装配容易，不再需要“修配”加工过程自动化，不受人的情绪高低和疲劳的影响。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。数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能。使加工精度得到进一步提高。

4．可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运自动化带来的效果（可以自动更换刀具）。如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、镗、攻丝、扩孔等多工序的加工。现已出现

其它工序集中的机床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。

5．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在配备多种传感器的条件下，计算机威力的体现可以实现白班有人看管和作好充分准备工作，使得二班、

三班在无人看管条件下进行自动加工。工人只工作8小时，而机床可工作24小时。因而带来的劳动生产率的提高和生产周期的缩短等效益是非常明显的。

此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础[5]。

1.5.2从宏观上看

工业发达国家的军、民机械工业在上世纪70年代末、80年代初即以开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业的技术改造。除采用数控机床外，还包括推行CAD、CAE、CAM

、MIS（管理信息系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等等，以及在其产品中增加信息技术，包括人工智能等含量。由于采用信息技术对其军、民机械工业进行深入改造，最终使得他们的产

品在国际军、民品市场上的竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性

和紧迫性。

近年来，全国约改造了两万多台普通机床为经济型数控机床（主要是车床和铣床）。随国产高档数控系统的成功研发，我国又成功地用国产数控系统将普通机床改造为普及型和高级型数控机

床，还用国产系统对进口的技术老化数控机床进行改造，使其起死回生。例如：华中数控公司把东方电机厂的10台重型机床（包括2.5m,3.4m,6.3m立车）和中型机床（包括卧车、立铣）及其

它企业总共约50台的关键设备，改造为普及型和高级型数控机床。若购置一台新的数苦恼感机床，进口的要上千万，国产的也要几百万元人民币。而数控化改造一台只需几十万元就够了。所

以比起经济型数控改造来说，经济效益极为显著。内蒙一机集团近年来也加大了普通机床的数控化改造，由西南自动化研究所对部分机床（卧车、铣床等）进行数控化改造，使用效果明显；

又用西门子系统对特大型进口关键设备进行数控改造，使其焕发了青春。

1.6本章小结

本章主要介绍了数控机床的结构特点以及数控机床在未来的发展，机床的数控改造具有效率高，柔性化，减少工人强度等优点，在信息时代的今天，数控机床的改造已经日益普遍，成为发展

的趋势。

第2章数控系统设计的总体方案

2.1数控铣床改造设计总体要求和内容

X6132立式铣床的原传动系统为其主轴转动由电机经齿轮变速驱动。其主轴的升降用手柄经锥齿轮副，丝杠手动操作。工作台的x轴和y轴分别通过离合器和离合器，由进给电动机通过齿轮变速

驱动丝杠副和实现自动进给。工作台的升降有电动机通过离合器将运动传给丝杠副来实现。

对X6132立式铣床进行机械部分改造，数控机床的刚度系数应该比同类普通机床高50%；应尽量提高机床的抗振性，通常机床的振动包括强迫振动和受迫振动。要提高机床在低速进给时的平稳

性和运动精度。为实现复杂零件的自动铣削加工，提出三种方案：

第一种方案：工作台升降，工作台x与y轴的进给运动

第二种方案：主轴的升降和工作台的x,y轴的进给运动

第三种方案：工作台的x,y轴进给运动改变为微机控制，实现三轴或二轴的开环同步控制或非同步控制。

上述方案中的第一种由于工作台较重，升降所需的步进电机转矩大，功率损失也大，改造成本较高，第二种方案较易实现，我们这里的设计要求改造x,y轴，z轴作为预留，所以我们这里选择

第三种方案。

为保留原机床的半自动功能，应对原系统作尽可能少的改动，以免微机控制系统出了问题，机床还可手动加工。为此可进行以下改动，如图

2-1所示：

1 保留原机床主轴传动系统。

2 保留机床工作台x,y 轴进给系统，脱开离合器6，7，去掉手轮，将滑动丝杠副换成滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱，减速齿轮，步进电动机（6，7）。

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内容简介：: 哈尔滨理工大学毕业设计（论文）评语学生姓名：关睿学号：0930060107学院：荣成学院专业：机械设计制造及自动化任务起止时间： 2013 年 2月25 日至2013年 6月 21 日毕业设计（论文）题目：X6132铣床的数控改造指导教师对毕业设计（论文）的评语：该课题源于生产实践，该同学在毕业设计中，态度端正，能把所学习相关知识运用设计中，设计结构基本合理正确，设计论文论述正确、格式规范，能正确运用所学基本知识，完成任务要求，可以完成答辩。指导教师签名：指导教师职称：评阅教师对毕业设计（论文）的评语：该同学论文格式规范，对机械设计有了一定了解，进行的设计符合任务书要求，所做画纸符合要求，但在图纸的绘制和尺寸的标注需要改进，建议参加答辩。评阅教师签名：评阅教师职称：答辩委员会对毕业设计（论文）的评语：该同学的设计符合“毕业设计任务书”的要求，任务量适中，答辩表述基本清晰，尚能回答大多数提问，概念较清楚，设计的内容基本合理，无原则性错误，掌握了一定的基础知识和基本技能。符合学院本科毕业设计的要求。答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为：答辩委员会主席签名：职称：年月日教务处制表哈尔滨理工大学专科生毕业论文哈尔滨理工大学荣成学院本科生毕业设计（论文）任务书学生姓名：关睿学号：0930060107学院：荣成学院专业：机械设计制造及其自动化任务起止时间： 2013年02月25日至 2013年06月 21日毕业设计（论文）题目：X6132铣床数控改造毕业设计工作内容：1、实际调研，收集相关资料，完成开题报告；13周。2、结合生产实际，对X6132铣床数控改造；3、设计X6132铣床数控改造原理图； 47周。4、设计X6132铣床车床数控改造纵向、横向进给结构811周。5设计相关零件图； 1213周6、撰写毕业设计论文；准备答辩。 14-16周。注：要求全部用计算机绘图和打印文稿（交打印件和电子稿）资料：1、金属切削机床与数控机床；2、非标设计手册；3、金属切削用量手册；4、相关的技术资料。指导教师意见：签名：2013年 2 月 24 日系主任意见：签名：2013年2月 25日毕业设计题目： X6132铣床数控改造院、系：机械设计制造及其自动化姓名：关睿指导教师：张宝海系主任：陶福春 2013 年 03 月 01日哈尔滨理工大学学士学位论文 X6132铣床数控改造摘要本文提供了一种X6132铣床的数控化改造方案，改造的主要模块有：机械部分和数字控制电路部分。机械部分主要是对丝杠、驱动元件的改造。改造后的系统是以步进电机为驱动执行元件的开环控制系统，控制系统使系统能够控制进给轴的转速，并实现其正反转控制工作台，实现其纵、横向进给运动，以8031型单片机为控制处理芯片，通过键盘输入加工程序控制X6132铣床数控化改造后是升降台式的。使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、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。改造后的数控机床具有高精、高效及加工产品范围广等特点。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。关键词数控改造； X6132 ；开环控制 X6132 Transformation NCAbstract In this paper ,in base of our countrys 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目录摘要IAbstractII第1章绪论1 1.1 课题研究的背景必要性1 1.2 数控机床的产生及发展简史1 1.3 数控机床组成2 1.4 机床数控化改造的必要性和迫切性3 1.5 机床数控化改造的意义3 1.5.1 从微观上看3 1.5.2 从宏观上看4 1.6 本章小结5第2章数控系统设计的总体方案6 2.1 数控铣床改造设计总体要求和内容6 2.2 数控系统总体设计方案的拟定及框图6 2.2.1 系统总体方案的确定6 2.2.2 系统总体方案框图7 2.3 机床进给伺服系统机械部分设计计算包括的内容8 2.4 本章小结8第3章铣床机械机构设计9 3.1 数控机床的数据9 3.2 工艺数据9 3.3 数控改造的纵向方向（X轴）的设计10 3.3.1 切削力的计算10 3.3.2 丝杠工作时轴向压力F轴的计算11 3.3.3 滚珠丝杠副工作负荷的计算及电动机的选择11 3.3.4 滚珠丝杠副轴向刚度Kz的计算16 3.3.5 滚珠丝杠副临界转速的验算18 3.4 关于滚珠丝杠副性能的分析18 3.5 横向(Y轴)的设计19 3.6 轴承的选择20 3.6.1 轴承的寿命计算20 3.6.2 轴承布局21 3.6.3 轴承装置的设计21 3.6.4 轴承的配置21 3.6.5 轴承的配合22 3.6.6 轴承的润滑23 3.7 本章小结24结论25致谢26参考文献27附录2839第1章绪论1.1 课题研究的背景必要性随着科学技术的发展，机械产品日趋精密、复杂、而且产品的生产周期短、改型频繁。这不仅对机床设备提出精度与效率的要求提出了通用性与灵活的要求。特别是航空、造船、武器、模具生产等精密加工的零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。因此机械产品部件的生产设备机床也相应的提出了高性能、高精度化的要求。利用计算机控制数控机床进行加工使得零件的加工变得十分的方便、快速，很大程度上节约了人力和物力的使用，使得工业自动化程度更高。但是许多企业由于资金等方面的约束不能及时引进先进数控机床，这样制约了生产率的提高，不利于自动化程度的提高。因此各种机床的数控改造开发成为众多专业技术人员研究的1。并且目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。所以普通机床越来越难以满足加工的要求，同时由于技术水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床数控化改造也应是越来越广泛，依照设计任务本设计对X6132立式铣床进行了数控化改造2。 1.2 数控机床的产生及发展简史随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产设备-机床也相应地提出了高性能、高精度与高自动化的要求。在机械产品中，单位与小批量产品占到70%-80%，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而且通用机床的自动化程度不高，基本上需要人工操作，难以提高生产效率和保证生产质量。特别是一些有曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。数字控制机床就是为了解决单位、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化，并保证质量要求而产生的。数控机床的发展简史在美国诞生了第一台数控机床后，可划分为两个阶段：第一阶段：数控阶段（19521970年）。早期采用数字逻辑电路组合成一台机床，专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控。第二阶段：计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）。到1970年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控阶段。1.3 数控机床组成数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的，两者的加工工艺相同，结构也有些相似，但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床，所以其结构也与普通铣床有较大区别。数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成：1主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接影响。2进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。3控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。4辅助装置如液压、气动、冷却和润滑系统和排屑、防护等装置。5机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架3。数控铣床加工过程示意图 1-1如下：图 1-1数控铣床加工过程示意图1.4 机床数控化改造的必要性和迫切性数控机床是一种典型的机电一体化产品，它集精密、柔性和集成与一身，它可以较好的解决形状复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率，是一种高度自动化机床。其造价较低，改造周期短，可靠性高，改造技术也日趋成熟，加之我国特有的经济实用产品“经济型数控装置”的技术指标不断的提高，产品的更新和完善的进度不断的加快，产量不断的提高，故有广阔的前景，工业发达国家的军、民机械工业已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业进行改造。而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后约20年。随着我国现代化制造的不断推进，每年都有大量机电产品进口，这说明了机床数控化改造的必要性和迫切性4。1.5 机床数控化改造的意义旧机床数控化系统改造具有多方面的意义:首先，对原有机床进行升级改造，使机床“起死回生”,增加了机床的使用寿命，拓展了机床的适用范围，提高了机床的加工性能。再有，由于是对原有机床进行的改造，使企业节省了成本，减少了机床废弃的浪费；使本企业的原有操作人员更容易加快熟悉其全部的操作流程。由此可见，对原有机床进行数控化改造，对资金和技术要求相对较低。对像我国这样的发展中国家的企业具有深远的意义。1.5.1 从微观上看数控机床相对传统机床有如下突出的优越性，且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。1可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件由于计算机可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就可以复合成复杂的曲线与曲面。2可实现加工的自动化，且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3-7倍，由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，而实现自动化。传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，称之为刚性自动化，但凸轮制造、调整很费时，只有进行大批量生产时才经济合理。而数控机床只要更换一个程序就可实现另一个工件加工的自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，称之为“柔性自动化”，以适应多品种小批量的生产方式。3加工出零件的精度高，尺寸的一致性好，分散度小，使装配容易，不再需要“修配”加工过程自动化，不受人的情绪高低和疲劳的影响。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。数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能。使加工精度得到进一步提高。4可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运自动化带来的效果（可以自动更换刀具）。如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、镗、攻丝、扩孔等多工序的加工。现已出现其它工序集中的机床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。5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在配备多种传感器的条件下，计算机威力的体现可以实现白班有人看管和作好充分准备工作，使得二班、三班在无人看管条件下进行自动加工。工人只工作8小时，而机床可工作24小时。因而带来的劳动生产率的提高和生产周期的缩短等效益是非常明显的。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础5。1.5.2 从宏观上看工业发达国家的军、民机械工业在上世纪70年代末、80年代初即以开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业的技术改造。除采用数控机床外，还包括推行CAD、CAE、CAM、MIS（管理信息系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等等，以及在其产品中增加信息技术，包括人工智能等含量。由于采用信息技术对其军、民机械工业进行深入改造，最终使得他们的产品在国际军、民品市场上的竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和紧迫性。近年来，全国约改造了两万多台普通机床为经济型数控机床（主要是车床和铣床）。随国产高档数控系统的成功研发，我国又成功地用国产数控系统将普通机床改造为普及型和高级型数控机床，还用国产系统对进口的技术老化数控机床进行改造，使其起死回生。例如：华中数控公司把东方电机厂的10台重型机床（包括2.5m,3.4m,6.3m立车）和中型机床（包括卧车、立铣）及其它企业总共约50台的关键设备，改造为普及型和高级型数控机床。若购置一台新的数苦恼感机床，进口的要上千万，国产的也要几百万元人民币。而数控化改造一台只需几十万元就够了。所以比起经济型数控改造来说，经济效益极为显著。内蒙一机集团近年来也加大了普通机床的数控化改造，由西南自动化研究所对部分机床（卧车、铣床等）进行数控化改造，使用效果明显；又用西门子系统对特大型进口关键设备进行数控改造，使其焕发了青春。1.6 本章小结本章主要介绍了数控机床的结构特点以及数控机床在未来的发展，机床的数控改造具有效率高，柔性化，减少工人强度等优点，在信息时代的今天，数控机床的改造已经日益普遍，成为发展的趋势。第2章数控系统设计的总体方案 2.1 数控铣床改造设计总体要求和内容X6132立式铣床的原传动系统为其主轴转动由电机经齿轮变速驱动。其主轴的升降用手柄经锥齿轮副，丝杠手动操作。工作台的x轴和y轴分别通过离合器和离合器，由进给电动机通过齿轮变速驱动丝杠副和实现自动进给。工作台的升降有电动机通过离合器将运动传给丝杠副来实现。对X6132立式铣床进行机械部分改造，数控机床的刚度系数应该比同类普通机床高50%；应尽量提高机床的抗振性，通常机床的振动包括强迫振动和受迫振动。要提高机床在低速进给时的平稳性和运动精度。为实现复杂零件的自动铣削加工，提出三种方案：第一种方案：工作台升降，工作台x与y轴的进给运动第二种方案：主轴的升降和工作台的x,y轴的进给运动第三种方案：工作台的x,y轴进给运动改变为微机控制，实现三轴或二轴的开环同步控制或非同步控制。上述方案中的第一种由于工作台较重，升降所需的步进电机转矩大，功率损失也大，改造成本较高，第二种方案较易实现，我们这里的设计要求改造x,y轴，z轴作为预留，所以我们这里选择第三种方案。为保留原机床的半自动功能，应对原系统作尽可能少的改动，以免微机控制系统出了问题，机床还可手动加工。为此可进行以下改动，如图2-1所示：1 保留原机床主轴传动系统。2 保留机床工作台x,y 轴进给系统，脱开离合器6，7，去掉手轮，将滑动丝杠副换成滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱，减速齿轮，步进电动机（6，7）。2.2 数控系统总体设计方案的拟定及框图2.2.1 系统总体方案的确定根据设计任务的要求，决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统。这样可使控制系统结构简单，成本低廉，调试和维修都比较容易，为确保数控系统的传动精度和工作平衡性，采用低摩擦的传动和导向元件，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和液动导轨，为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙，计算机系统采用高性能价格比的8031系列单片机扩展系统。图2-1 X6132改后传动原理图1、3、4-伞齿轮 2、7、10-步进电机 5、8、11滚珠丝杠 6、9、12-滚珠丝杠螺母2.2.2 系统总体方案框图图 2-2 系统总体方案图2.3 机床进给伺服系统机械部分设计计算包括的内容X6132铣床数控化改造机械系统设计主要包括伺服驱动系统的设计计算，丝杠螺母副的设计计算、一些基本部件相关计算和传动系统的设计计算。 1基本部件相关计算主要有工作台的外形尺寸及重量的计算、钻铣削力的计算以及滚动导轨参数的计算等。 2丝杠螺母副的设计计算包括纵向、横向丝杠螺母副的选用。 3伺服驱动系统的设计计算包括步进电机选型计算。2.4 本章小结本章主要介绍了数控系统设计的方案的确定，数控铣床改造设计总体要求和内容以及机床进给伺服系统机械部分设计计算包括的内容，通过本章的介绍确定了总体改造的框图和方案。第3章铣床机械机构设计 3.1 数控机床的数据工作台尺寸(长宽)：1250mm320mm；工作台最大行程：纵向800mm横向300mm垂直400mm；快速移动速度：10m/min；工作台定位精度x、y、z：0.03mm；工作台重复定位精度x、y、z：0.02mm；纵向、横向及垂直进给为微机控制，采用步进电机或直流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动，脉冲当量0.010mm/脉冲；电机功率P：7.5KW；纵向快进速度：2.3m/min；横向快进速度：1.2m/min；垂向快进速度：0.77m/min；纵向切削数据：0.06m/min；横向切削速度：0.06m/min；垂向切削速度：0.06m/min；定位精度：0.015mm；纵向移动部件重量：220kg；横向移动部件重量：450kg；垂向移动部件重量：1000kg；加速时间：30m/s；机床效率：0.8；机动范围：680mm/240mm/300mm。3.2 工艺数据通用机床由于工艺范围广，在同一台机床上常用不同材料刀具对不同材料和尺寸的工件进行多种加工，故取具有代表性的典型加工条件为计算依据。通常以加工量最大的钢料或铸件为工件材料，硬质合金或高速钢为刀具材料，选取用该机床上用得最多的常用工序或极限加工工序及与此相应的切削用量6。结合本次改造，选取加工材料为HT200的平板凸轮的加工工艺。刀具：粗齿圆柱铣刀：孔径27mm，直径D为63mm，L取63，前角。为15。，后角。为12。，螺旋角为45。，齿数Z为6 切削用量：铣削铸铁铣削前深度 t57mm，取t6mm。进给量：粗齿圆柱铣刀，在加工铸铁装夹系统刚性一般，机床功率7.5kw的条件下，取每齿进给量fz0.010.15毫米齿，取fz0.15毫米/齿3.3 数控改造的纵向方向（X轴）的设计工作台的进给运动是由步进电动机由一级消隙齿轮经滚珠丝杠螺纹副，带动工作台移动。其中在纵向（X轴）进给系统的改造布置中，滚珠丝杠、轴承支架固定在工作台上，随工作台移动。步进电动机经降速齿轮和滚珠丝杠的螺母固定在床鞍上，通过滚珠丝杠的转动，实现工作台与床鞍之间的相对移动7。滚珠丝杠螺母副，它的特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦，丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。滚珠丝杠螺母副的优点有：1传动效率高，摩擦损失小，使用寿命长。2给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，防止失步；定位精度高，刚度好。3有可逆性丝杠和螺母都可以作为主运动件，故可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动。4运动平稳，无爬行现象，传动精度高。3.3.1 切削力的计算结合本次改造： (3-1)式中：Cc 铣削力系数取282； ap 铣削深度（即被加工表面的宽度，同时加工5个工件,每个工件厚度为10mm,故深度为50mm）； fz 每齿进给量取0.15mm/z； ae 铣削宽度（即被切削金属层的深度），取6mm； do 铣刀公称直径，取63mm； Z 刀齿数，取6； kFc 铣削力修正系数且： kmFc工件材料系数取(HB/190)0.55；kFc 前角系数取0.92。故Fz=282500.150.65200.8363-0.836(200/190)0.550.92故可求出: Fz=9000N 垂向切削分力Fy：按经验公式： Fy/Fz=0.80 求得： Fy=7200N 纵向切削分力Fx: 按经验公式： Fx/Fz=0.9 求得： Fx=8100N横向切削分力Fz：按经验公式： Fz/Fz=0.4 求得： Fz=3600N3.3.2 丝杠工作时轴向压力F轴的计算铣削条件下在插补平面内合力Fr：Fr=(Fx+Fy)/2 (3-2) 铣削一周平均铣削力Fav 取2Fr/3，铣削时丝杠轴向压力F轴：F轴=Fav+(mg +Fy) (3-3)式中：考虑到颠覆力矩的影响系数，一般取1.1；导轨当量摩擦系数。取0.18； m 移动部件的质量估计为1000Kg； g 重力加速度取9.8m/s2 ； Fz=3600N；求得： Fr=123.69N； Fav=82.46N； F轴=3151N。3.3.3 滚珠丝杠副工作负荷的计算及电动机的选择1 丝杠的转速及电动机的选择：数控改造多半采用开环步进式伺服驱动系统，本次改造也采用步进电机驱动丝杠。开环步进伺服进给系统的设计计算步骤：1脉冲当量取0.01mm.初选步进电机的步距角为1.52计算降速比。由于步进电机工作的特点是一个脉冲走一步，每一步均有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足要求的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。传动比： (3-4)式中：步距角； S丝杠螺距，初取6mm；脉冲当量。确定齿轮传动比及模数和有关尺寸: 因为步进电机中距角=1.5，滚珠丝杆螺距离t=5mm,要实现脉冲当量=0.01mm/step，在传动系统中应加一级齿轮降速传动，降速传动比： i=0.48选Z=24，Z=50因传递的扭矩较小，取模数m=2,齿轮有关尺寸如下表：表3-1 齿轮的相关参数关系式 Z Z Z 24 50 d=mz 48 100 d=d+2m 52 104 d=d-21.25 43 95 B=(36 )mm 16 23 A= 74 3根据结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的转动惯量Jt，并计算电机力矩，再按步距角，电机力矩，允许的负载惯量等项要求来选取合适的步进电机。惯量计算： (3-5)式中：Js0.03715Kgf.cm.s2 力矩计算：快速空载启动时所需力矩： (3-6)最大切削负载时所需力矩： (3-7)快速进给时所需力矩：式中：Mamax 空载启动时折算到马达轴上的加速力矩；Mf 折算到马达轴上的摩擦力矩； M0 由于丝杠预紧引起的折算到马达轴上的附加摩擦力矩；Mat切削时折算到马达轴上的加速力矩； Mt折算到马达轴上的切削负载力矩。丝杠传动时Ma , Mf,M0 ,Mt计算公式： (3-8)式中：Jr 折算到马达轴上的总惯量； T 系统时间常数（系统时间常数表示线路在导通瞬间允许电流值上升的速率。时间常数越小，线路导通后电流上升越快，达到近似稳定值的时间越短；反之则越长）；n 电机转速；当n=nmax时计算Mamax,n=nt时计算Mat； nt 切削时的转速。摩擦力矩： (3-9)式中：F导轨摩擦力（）； S 丝杠螺距；齿轮降速比； h 传动链总效率（一般取0.700.85，现取0.8）；求得：F=2106N； M=1.00554Nm。附加摩擦力矩M： (3-10)式中：P滚珠丝杆预加载荷（kgfm）；为使预紧后的双螺母机构在正向传动链受力运行时其反向传动链仍保证无间隙出现，要求预紧力的数值应大于最大轴向载前的1/3倍。P1/3F轴=1/33151=1050.3N 取P=1200N S丝杆螺距；传动链总效率；齿轮降速比； o 滚珠丝杆未预紧时的效率，一般取0.9；求得：M0.0363Nm。切削力矩Mt： (3-11)式中：Pt 进给方向的最大切削力；S 丝机螺距（cm）；传动链总效率取0.8；齿轮降速比。所以初选步进电机：130BF001 五相十拍分配方式检验计算： (3-12)式中：Jm电机转动惯量； Jt系统转动惯量； T系统时间常数(s) 加速时间50m/s故： Mamax(Jt+Jm)nmax/9.60.05102 (0.01545+7102)1000/9.60.05102 4.22NmM=Mamax+Mf+Mo M=5.26Nm(M9.31Nm)由于采用步进电机驱动：式中：步进电机步距角，取1.5； f 电机脉冲频率，取16000Hz； i电机与丝杠间的降速比，取5； n=80。由机械设计手册表查得选取步进电机: 130BF001 五相十拍分配方式92 丝杠寿命系数L：L= 式中：T 丝杠预期寿命取15000h 求得： L=723 丝杠工作动载荷C：式中：1 丝杠硬度系数，取1.5； 2 载荷性质系数，取1.4；求得： C=27528.25N2 根据CCa原则，考虑丝杠导程初选滚珠丝杠型号，使选取的滚珠丝杠的额定负载大于计算最大工作负载。如下表所示取滚珠丝杠直径d0=30,选用滚珠丝杠螺母副的型号为NL3005型，单螺母变导程预紧。表 3-2滚珠丝杠螺母几何参数计算名称符号计算公式和结果/mm 螺纹滚道公称直径d 30螺距t6接触角 45钢球直径d 3.969 螺纹滚道法面半径R 2.064螺杆偏心距eE=(R-dq/z)sin=0.045螺纹升角=arctg=32螺杆直径dD=d-0.2d=29.5螺杆内径dd= d+2e-2R=26.8螺杆接触直径dzd= d- dcos=27.8螺母螺母螺纹外径D D=60螺母内径D1 D1= 50 滚珠丝杠副传动刚度验算：对于精密机床数控改造，应对选取的滚珠的丝杠副传动刚度进行校核，以保证机床的定位精度，传动精度，可靠性。丝杠工作时，受轴向力及扭转力矩作用，其变形为轴向压缩变形和扭转变形。设丝杠副的轴向刚度为Kz，导轨刚度为并将扭转变形的扭转角转换为轴向变形，则滚珠丝杠副KN传动时的轴向总变形量zz为： =式中：M作用在丝杠上的扭矩（Nm）； t 丝杠导程 (mm)。由刚度定义可知，滚珠丝杠副传动刚度K与轴向刚度，扭转刚度有如下关系：则滚珠丝杠副的传动刚度K为：欲求K，则只要求Kz，Kn即可9。3.3.4 滚珠丝杠副轴向刚度Kz的计算滚珠丝珠副的轴向刚度取决于丝杠，螺母组件，支承轴承的轴向刚度。1. 丝杠的轴向刚度Ksz：丝杠的轴向刚度Ksz与其安装方式有关，本次改造设计中选取双推式支撑方式：两端推力轴承，此时，丝杠轴向最小刚度发生在载荷作用点处于支承端距离一半，即La/2 处； (3-13)式中：S 丝杠小径截面积(mm2)； E 丝杠材料的弹性模量(MPa)，钢料的E为2.1106 Mpa La 载荷作用点距双推轴承的最大长度(mm)；求得： Ksz=195N/um。 2. 螺母组件的轴向刚度Klz：螺母组件的轴向刚度是指滚珠丝杠，螺母螺纹形成的滚道间的轴向刚度。据赫兹理论，滚珠与滚道之间在轴向载荷的作用下，弹性变形为： (3-14)式中：s 滚珠的接触角度45； Zg每圈承受载荷的滚珠个数； dg滚珠的直径（查得7.144mm）。Zg按下式计算：式中D为螺母的公称直径， s为丝杠螺纹螺旋升角 (3-15) 3. 支撑轴承的轴向刚度Kcz：支承轴承的轴向刚度也按赫兹理论接触弹性位移理论求解。轴承类别不同，刚度公式也不同。采用推力球轴承。选取5102。 (3-16)螺母座的轴向刚度一般在螺母组件刚度计算时乘以0.8计入，不再单独计算。滚珠丝杠副的轴向刚度Kz： (3-17)m由材料力学可知：式中：G 丝杠材料抗剪切弹性模量（MPa）钢材的剪切弹性模量为80GPa； Jp 丝杠小径截面惯性矩（mm4）； X = La（两支承端中心点距离115mm）Kn=392103N/um。将求得的Kn ,Kz代入滚珠丝杠副传动刚度公式，便可求得K 。如果刚度不足，可改变丝杠支承方式或重选滚珠丝杠副型号。 (3-18) K=32.56N/um 各类机床滚珠丝杠副的推荐精等级，本次改造垂向滚珠丝杠传动精度B级，取传动精度故有如下关系式：n故可靠性好，稳定性好。3.4 关于滚珠丝扛副的性能分析在升降台铣床的垂向运动中，普遍存在着工作台运动时摇动力过大的问题。因此，操作进刀不便，丝杠螺母副易磨损，电磁离合器易烧坏。解决这一问题的根本措施是将滑动丝杠改为滚珠丝杠副，提高机械传动效率，当采用滚珠丝杠副后，其矛盾就转化为滚珠丝杠副逆运转的自锁上。垂向升降丝杠副的受力情况如下图所示：图3-1 升降滚珠丝杠受载示意图及传动系统图采用滚珠丝杠后，因摩擦角小于螺旋升角而不能自锁，在自重作用下丝杠副产生逆转，升降台自动下降。为防止其逆转，必须满足自锁条件方程： F式中：F 向下分力，F= (kgf); Fm Nf =f (kgf)。 Fm为防逆转所需的附加摩擦力，但在丝杠向上摇动时却又不应增加阻力。这就是垂向滚珠丝杠副防逆转机构设计的基本出发点。在机构中一般用超越离合器实现单向加载的目的。假若在丝杠传动系统中附加单向摩擦载荷Fm，此时，向上驱动力矩M上基本不变，而M下由下式确定：M下若使，则M下=0，摇臂的手摇力Q下=0。但在实际使用中总调整到0使其在不同载荷的变化状态下，有较好的自锁可靠性，但值又不宜过大，否则造成向下摇动力Q下过大以及超越离合器易磨损等弊端。这是考核垂向升降滚珠丝杠副结构是否合理的重要指标。所以从自锁条件方程不分析，附加摩擦力Fm应满足上述方程并有足够的安全系数条件下取最小值。此外，为使实际使用时能取得最佳效果和磨损后的补偿，Fm应能方便地进行调节和具有补偿机能。这是垂向升降丝杠副能否得到广泛应用的关键。本次改造中附加摩擦力可通过碟形弹簧调节，使之达到最佳自锁状态。碟形弹簧能自动补偿磨损，因此，确保了自锁性和摇动轻巧；同时，离合器通过1：2.5的传动减速比使离合器能以较小的阻尼去实现较大的控制力，从而延长使用寿命。由以上的分析可知，改造成后的“可调阻尼式”垂向滚珠丝杠副传动机构，结构布局合理，具有摇动轻巧，自锁可靠，调节方便，寿命较长，及更新改装方便等多方面的优点。3.5 横向(Y轴)的设计Y轴的丝杠选择与X轴一样为NL6012。Y轴的齿轮副设计也与X轴相同，这里不再累赘。Y轴方向步进电动机的选择：Y轴铣削圆周力： =1500N则有Y向丝杠牵引力： =1500+1.41444100.01 =1562N则有电机轴负载力矩：其中：导轨摩擦系数，取0.1；步进电机步矩角为0.75； Y向丝杠牵引力；当量摩擦系数取0.01。若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为：可取安全系数极限值0.3，则有：对于工作方式为五相十拍的五相步进电机最大启动力矩：电机最大工作频率：综合以上可选取步进电机型号为：90BF001反应式步进电动机。步进电机90BF001的外型尺寸为：A13-A15，轴径为11。3.6 轴承的选择3.6.1 轴承的寿命计算轴承在承受负荷旋转时，由于套圈滚道面及滚动体滚动面不断地受到交变负荷的作用，即使在正常的使用条件下，也会因材料疲劳使滚道面及滚动面出现疲劳损伤。出现这种滚动疲劳损伤之前的总旋转数称做轴承的“（疲劳）寿命”。即使是结构、尺寸、材料、加工方法等完全相同的轴承，在同样条件下旋转时，轴承的（疲劳）寿命仍会出现较大的差异。这是因为材料疲劳本身即具有离散性，应从统计的角度来考虑。于是就将一批相同的轴承在同样条件下分别旋转时，其中90%的轴承不出现滚动疲劳损伤的总旋转数称做“轴承的基本额定寿命”（即可靠性为90%的寿命)。在以固定的转速旋转时，也可用总旋转时间表示。但在实际工作时，还会出现滚动疲劳损伤以外的损伤现象。这些损伤可以通过做好轴承的选择、安装和润滑等加以避免。本次设计所以轴承的寿命符合要求。3.6.2 轴承布局表3-3 常用轴承布局方式配置方式可达到的转速系数 0.850.800.75 0.650.72为了适应高速运行同时保证一定的刚度，本次设计采用面对面设置。按轴承参数可知，轴承的极限转速为22000r/min配置选第五种，其速度系数为0.65，则可得最高转速为所以完全可以实现转速为4000r/min的设计要求。又因为轴承支点跨距较大，温升较高，所以本设计采用一端固定，一端游动的轴承固定方式。并且是三支承方式。3.6.3 轴承装置的设计要想保证轴承顺利的工作、，除了正确选择轴承类型和尺寸外，还应该正确设计轴承的装置。轴承装置的设计主要是正确解决轴承的安装、配置、紧固、调节、润滑、密封等问题。下面提出一些设计中注意的要点。3.6.4 轴承的配置一般来说，一根轴需要两个支点，每个支点可由一个或一个以上的轴承组成。合理的轴承配置应考虑轴在机器中有正确的位置、防止轴向窜动以及轴受热膨胀后导致将轴承卡死等因素。常用的轴承配置方法有以下三种:1. 双支点单向固定。这种轴承配置常用两个反向安装的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，两个轴承各限制一个方向的轴向移动。2. 单支点双向固定。对于跨距较大（如大于350mm）且工作温度较高的轴，其热伸长量大，应采用一支点双向固定，另一支点游动的支承结构。作为固定支承的轴承，应能承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向都要固定。作为补偿轴的热膨胀的游动支承，若使用的是内外圈不可分离型轴承，只需固定内圈，其外留在座孔内应可以轴向游动。 3. 两端游动支承对于一对人字齿轮轴，由于人字齿轮本身的相互轴向定位作用，它们的轴承内外圈的轴向紧固应设计成只保证其中一根轴相对机座有固定的轴向位置，而另一根轴上的两个轴承都必须是游动的，以防止齿轮卡死或人字齿的两侧受力不均匀。首先通过BT40主轴的工作情况来说，是内圈旋转，外圈固定。BT40主轴的转速为8000prm，额定转矩为42，属于高速中载的工作条件。由于高速旋转，轴承等安装在轴上的零件会和轴有摩擦，并产生大量的热。虽然水冷却系统能带走一部分热能，但仍会导致因温升而产生热伸长。因此，必须采用“一支点双向固定，另一支点游动”的轴承配置形式。作为固定支承的轴承，应能承受双向轴向载荷，内外圈在轴上都要固定。而作为补偿轴的热膨胀的游动支承，固定内圈，外圈在坐孔内可以游动，给轴的热膨胀留余空间。在本次设计中，受力不是很大，选取前三后二的支承方式。3.6.5 轴承的配合配合的目的是使轴承内圈或外圈牢固地与轴或外壳固定，以免在相互配合面上出现不利的轴向滑动。这种不利的轴向滑动（称做蠕变）会引起异常发热、配合面磨损（进而使磨损铁粉侵入轴承内部）以及振动等问题，使轴承不能充分发挥作用。因此对于轴承来说，由于承受负荷旋转，一般必须让套圈带上过盈使之牢固地与轴或外壳固定。配合的选择一般按下述原则进行：根据作用于轴承的负荷方向、性质及内外圈的哪一方旋转，则各套圈所承受的负荷可分为旋转负荷、静止负荷或不定向负荷。承受旋转负荷及不定向负荷的套圈应取静配合（过盈配合），承受静止负荷的套圈，可取过渡配合或动配合（游隙配合）。轴承负荷大或承受振动、冲击负荷时，其过盈须增大。采用空心轴、薄壁轴承箱或轻合金、塑料制轴承箱时，也须增大过盈量。要求保持高旋转时，须采用高精度轴承，并提高轴及轴承箱的尺寸精度，避免过盈过大。如果过盈太大，可能使轴或轴承箱的几何形状精度影响轴承套圈的几何形状，从而损害轴承的旋转精度。3.6.6 轴承的润滑润滑对于滚动轴承具有重要意义，轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力，还可以起散热、减小接触应力、吸收振动、防止锈蚀等作用。所以本次设计根据工作情况选用脂润滑。脂润滑的优点：润滑膜强度高，能够承受较大的载荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以维持相当长的一段时间，方便简单。轴承类型脂润滑油润滑油浴滴油循环油（喷油）油雾深沟球轴承1625406060调心球轴承16254050角接触球轴承1625406060圆柱滚子轴承1225406060圆锥滚子轴承10162330调心滚子轴承8122025推力球轴承461215 表3-4 使用于脂润滑和油润滑的植界限（表值）3.7 本章小结本章主要介绍了数控机床机械系统机构的设计，即纵向和横向两个方向，主要计算了切削力，丝杠工作时的轴向压力，滚珠丝杠副工作负荷，滚珠丝扛副轴向刚度，滚珠丝杠副临界转速的验算以及电动机的选取。结论依照我国目前的数控机床发展状况及我国的国情，对原有的普通机床进行数控化改造是符合当前国情的。对普通立式铣床X6132改造为了扩大产品加工范围和提高加工精度、效率、质量，进而满足市场多变的要求：小批量、多品种、柔性化加工。改造后的X6132能够完成加工键槽、平面和孔等一般加工，还能加工复杂的零件，且精度高。在做毕业设计的这段时间里，针对普通铣床的数控化改造设计的这个课题，我查阅了大量资料，制订出了改造方案，使X6132 普通立式铣床达到数控铣床的要求，实现数控铣床的功能，是一种成本低，性能高的优选方案。利用单片机系统来做经济型数控系统的核心，因为单片机控制功能强，体积小，成本低，功耗小，使用方便。经过几十年的发展，尤其是近几年的突飞猛进，单片机的扩展功能大大增强原来很多机床改造用单片机都用8031，8031单片机主要有集成度高，体积小，可靠性高，寻址范围大，处理功能强，运算速度快等特点。致谢毕业设计很快结束了，在这段时间里，不仅仅感觉到的是忙碌，还有忙碌后做完一件令自己心动的东西时的那种无声的喜悦。在写致谢信的这个时候心里充满着感激，想想自己在做毕业设计时的种种困难，在老师同学的用心帮助下也一一解决了，说句实话，凭自己的能力要作完毕业设计是有些太困难了，但是在你的身边总有一些人会给你带来惊喜，自己的能力毕竟有限，在面对别人无私帮助的时候我的内心十分感激，带自己毕业设计的张宝海有问必答，有难必解。还亲自回到家给我取相关的资料。还有好多老师在这次毕业设计中给于我一些帮助，我非常的感激。当然还有我身边的那些同学，在我有疑惑的时候总是不厌其烦的给我解释清楚。在我设计的时候，因为我以前从没接触过的东西，一开始很是迷茫，我的好几位同学都在这时候一边忙自己的事，一边还要在我有疑惑的时候为我帮忙分析，共同解决。最终自己终于完成了铣床的数控改造的毕设要求。现在想起来，有时候最能让自己感动的事就发生在自己的身边。这次毕业设计不仅给我带来了知识上的收获，在做人方面也教会了我许多许多，在对待事情方面，尤其是有选择的时候自己该放弃什么，该抓住什么。什么是该自己作的，什么时候做，我明白了好多。在此，我对给我帮助的老师，同学至以诚挚的谢意和由衷的感激。感谢您们对我的帮助，和教会我那些人生的道理。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！参考文献1 张俊生金属切削机床与数控机床北京机械工业出版社，1994：25432 谢家瀛机床设计图册上海出版社，1979.6：44733 明兴祖数控加工技术北京化工出版社，2002：47604 赵万昌电机工程手册机械工业出版社，1982：1291725 李福生数控机床技术手册北京出版社，1996：12566 徐宏海，谢富春数控铣床北京化工出版社，2003：3327 吴圣庄金属切削机床技术北京机械工业出版社，1985：43568 林其骏机床数控制系统中国科学技术出版社，1991.9：12469 孙承松机床设计手册机械工业出版社1997：759410 王爱玲机床北京出版社1983第9期：4310011 顾维邦金属切削机床概念北京机械工业出版社，1996：15818912 赵月望机械制造技术实践北京机械工业出版社，1993：439013 赵长德微机原理与接口技术中国科学技术出版社，1990.9：349814 Gu, L. Z., Wang, d., Xing, L.,etc.Computer simulation and optimization of metal cutting process for mild carbon steels, Journal of Materials Processing Technology 129 (2002) 606515 Didjanin, L. and Kovac, P., Fracture mechanisms in chip formation processes, Materials Science and Technology 13 (1997) 439444附录CNC machineWhile the specific intention and application for CNC machines vary from one machine type to another, all forms of CNC have common benefits. Here are but a few of the more important benefits offered by CNC equipment.The first benefit offered by all forms of CNC machine tools is improved automation. The operator intervention related to producing workpieces can be reduced or eliminated. Many CNC machines can run unattended during their entire machining cycle, freeing the operator to do other tasks. This gives the CNC user several side benefits including reduced operator fatigue, fewer mistakes caused by human error, and consistent and predictable machining time for each workpiece. Since the machine will be running under program control, the skill level required of the CNC operator (related to basic machining practice) is also reduced as compared to a machinist producing workpieces with conventional machine tools.The second major benefit of CNC technology is consistent and accurate workpieces. Todays CNC machines boast almost unbelievable accuracy and repeatability specifications. This means that once a program is verified, two, ten, or one thousand identical workpieces can be easily produced with precision and consistency.A third benefit offered by most forms of CNC machine tools is flexibility. Since these machines are run from programs, running a different workpiece is almost as easy as loading a different program. Once a program has been verified and executed for one production run, it can be easily recalled the next time the workpiece is to be run. This leads to yet another benefit, fast change over. Since these machines are very easy to set up and run, and since programs can be easily loaded, they allow very short setup time. This is imperative with todays just-in-time (JIT) product requirements.Motion control - the heart of CNCThe most basic function of any CNC machine is automatic, precise, and consistent motion control. Rather than applying completely mechanical devices to cause motion as is required on most conventional machine tools, CNC machines allow motion control in a revolutionary manner2. All forms of CNC equipment have two or more directions of motion, called axes. These axes can be precisely and automatically positioned along their lengths of travel. The two most common axis types are linear (driven along a straight path)and rotary (driven along a circular path).Instead of causing motion by turning cranks and handwheels as is required on conventional machine tools, CNC machines allow motions to be commanded through programmed commands. Generally speaking, the motion type (rapid, linear, and circular), the axes to move, the amount of motion and the motion rate (feedrate) are programmable with almost all CNC machine tools.A CNC command executed within the control tells the drive motor to rotate a precise number of times. The rotation of the drive motor in turn rotates the ball screw. And the ball screw drives the linear axis (slide). A feedback device (linear scale) on the slide allows the control to confirm that the commanded number of rotations has taken place3. Refer to fig.1.Fig.1Though a rather crude analogy, the same basic linear motion can be found on a common table vise. As you rotate the vise crank, you rotate a lead screw that, in turn, drives the movable jaw on the vise. By comparison, a linear axis on a CNC machine tool is extremely precise. The number of revolutions of the axis drive motor precisely controls the amount of linear motion along the axis.How axis motion is commanded - understanding coordinate systemsIt would be infeasible for the CNC user to cause axis motion by trying to tell each axis drive motor how many times to rotate in order to command a given linear motion amount4. (This would be like having to figure out how many turns of the handle on a table vise will cause the movable jaw to move exactly one inch!) Instead, all CNC controls allow axis motion to be commanded in a much simpler and more logical way by utilizing some form of coordinate system. The two most popular coordinate systems used with CNC machines are the rectangular coordinate system and the polar coordinate system. By far, the more popular of these two is the rectangular coordinate system.The program zero point establishes the point of reference for motion commands in a CNC program. This allows the programmer to specify movements from a common location. If program zero is chosen wisely, usually coordinates needed for the program can be taken directly from the print.With this technique, if the programmer wishes the tool to be sent to a position one inch to the right of the program zero point, X1.0 is commanded. If the programmer wishes the tool to move to a position one inch above the program zero point, Y1.0 is commanded. The control will automatically determine how many times to rotate each axis drive motor and ball screw to make the axis reach the commanded destination point . This lets the programmer command axis motion in a very logical manner. Refer to fig.2, 3.Fig.2Fig.3All discussions to this point assume that the absolute mode of programming is used6. The most common CNC word used to designate the absolute mode is G90. In the absolute mode, the end points for all motions will be specified from the program zero point. For beginners, this is usually the best and easiest method of specifying end points for motion commands. However, there is another way of specifying end points for axis motion.In the incremental mode (commonly specified by G91), end points for motions are specified from the tools current position, not from program zero. With this method of commanding motion, the programmer must always be asking How far should I move the tool? While there are times when the incremental mode can be very helpful, generally speaking, this is the more cumbersome and difficult method of specifying motion and beginners should concentrate on using the absolute mode.Be careful when making motion commands. Beginners have the tendency to think incrementally. If working in the absolute mode (as beginners should), the programmer should always be asking To what position should the tool be moved? This position is relative to program zero, NOT from the tools current position.Aside from making it very easy to determine the current position for any command, another benefit of working in the absolute mode has to do with mistakes made during motion commands. In the absolute mode, if a motion mistake is made in one command of the program, only one movement will be incorrect. On the other hand, if a mistake is made during incremental movements, all motions from the point of the mistake will also be incorrect.Assigning program zeroKeep in mind that the CNC control must be told the location of the program zero point by one means or another. How this is done varies dramatically from one CNC machine and control to another8. One (older) method is to assign program zero in the program. With this method, the programmer tells the control how far it is from the program zero point to the starting position of the machine. This is commonly done with a G92 (or G50) command at least at the beginning of the program and possibly at the beginning of each tool.Another, newer and better way to assign program zero is through some form of offset. Refer to fig.4. Commonly machining center control manufacturers call offsets used to assign program zero fixture offsets. Turning center manufacturers commonly call offsets used to assign program zero for each tool geometry offsets.Fig. 4 Flexible manufacturing cellsA flexible manufacturing cell (FMC) can be considered as a flexible manufacturing subsystem. The following differences exist between the FMC and the FMS:1. An FMC is not under the direct control of thecentral computer. Instead, instructions from the centralcomputer are passed to the cell controller.2. The cell is limited in the number of part families itcan manufacture.The following elements are normally found in an FMC: Cell controller Programmable logic controller (PLC) More than one machine tool A materials handling device (robot or pallet)The FMC executes fixed machining operations with parts flowing sequentially between operations. High speed machiningThe term High Speed Machining (HSM) commonly refers to end milling at high rotational speeds and high surface feeds. For instance, the routing of pockets in aluminum airframe sections with a very high material removal rate1. Over the past 60 years, HSM has been applied to a wide range of metallic and non-metallic workpiece materials, including the production of components with specific surface topography requirements and machining of materials with hardness of 50 HRC and above. With most steel components hardened to approximately 32-42 HRC, machining options currently include: Rough machining and semi-finishing of the material in its soft (annealed) condition heat treatment to achieve the final required hardness = 63 HRC machining of electrodes and Electrical Discharge Machining (EDM) of specific parts of dies and moulds (specifically small radii and deep cavities with limited accessibility for metal cutting tools) finishing and super-finishing of cylindrical/flat/cavity surfaces with appropriate cemented carbide, cermet, solid carbide, mixed ceramic or polycrystalline cubic boron nitride (PCBN)For many components, the production process involves a combination of these options and in the case of dies and moulds it also includes time consuming hand finishing. Consequently, production costs can be high and lead times excessive.It is typical in the die and mould industry to produce one or just a few tools of the same design. The process involves constant changes to the design, and because of these changes there is also a corresponding need for measuring and reverse engineering .The main criteria is the quality level of the die or mould regarding dimensional, geometric and surface accuracy. If the quality level after machining is poor and if it cannot meet the requirements, there will be a varying need of manual finishing work. This work produces satisfactory surface accuracy, but it always has a negative impact on the dimensional and geometric accuracy.One of the main aims for the die and mould industry has been, and still is, to reduce or eliminate the need for manual polishing and thus improve the quality and shorten the production costs and lead times.Main economical and technical factors for the development of HSMSurvivalThe ever increasing competition in the marketplace is continually setting new standards. The demands on time and cost efficiency is getting higher and higher. This has forced the development of new processes and production techniques to take place. HSM provides hope and solutions.MaterialsThe development of new, more difficult to machine materials has underlined the necessity to find new machining solutions. The aerospace industry has its heat resistant and stainless steel alloys. The automotive industry has different bimetal compositions, Compact Graphite Iron and an ever increasing volume of aluminum3. The die and mould industry mainly has to face the problem of machining high hardened tool steels, from roughing to finishing.QualityThe demand for higher component or product quality is the result of ever increasing competition. HSM, if applied correctly, offers a number of solutions in this area. Substitution of manual finishing is one example, which is especially important on dies and moulds or components with a complex 3D geometry.ProcessesThe demands on shorter throughput times via fewer setups and simplified flows (logistics) can in most cases, be solved by HSM. A typical target within the die and mould industry is to completely machine fully hardened small sized tools in one setup. Costly and time consuming EDM processes can also be reduced or eliminated with HSM.Design & developmentOne of the main tools in todays competition is to sell products on the value of novelty. The average product life cycle on cars today is 4 years, computers and accessories 1.5 years, hand phones 3 months. One of the prerequisites of this development of fast design changes and rapid product development time is the HSM technique. Complex productsThere is an increase of multi-functional surfaces on components, such as new design of turbine blades giving new and optimized functions and features. Earlier designs allowed polishing by hand or with robots (manipulators). Turbine blades with new, more sophisticated designs have to be finished via machining and preferably by HSM . There are also more and more examples of thin walled workpieces that have to be machined (medical equipment, electronics, products for defence, computer parts)Production equipmentThe strong development of cutting materials, holding tools, machine tools, controls and especially CAD/CAM features and equipment, has opened possibilities that must be met with new production methods and techniques5.Definition of HSMSalomons theory, Machining with high cutting speeds. on which, in 1931, took out a German patent, assumes that at a certain cutting speed (5-10 times higher than in conventional machining), the chip removal temperature at the cutting edge will start to decrease.Given the conclusion: . seems to give a chance to improve productivity in machining with conventional tools at high cutting speeds.Modern research, unfortunately, has not been able to verify this theory totally. There is a relative decrease of the temperature at the cutting edge that starts at certain cutting speeds for different materials.The decrease is small for steel and cast iron. But larger for aluminum and other non-ferrous metals. The definition of HSM must be based on other factors.Given todays technology, high speed is generally accepted to mean surface speeds between 1 and 10 kilometers per minute or roughly 3 300 to 33 000 feet per minute. Speeds above 10 km/min are in the ultra-high speed category, and are largely the realm of experimental metal cutting. Obviously, the spindle rotations required to achieve these surface cutting speeds are directly related to the diameter of the tools being used. One trend which is very evident today is the use of very large cutter diameters for these applications - and this has important implications for tool design.There are many opinions, many myths and many different ways to define HSM. 数控机床虽然各种数控机床的功能和应用各不相同，但它们有着共同的优点。这里是数控设备提供的比较重要的几个优点。各种数控机床的第一个优点是自动化程度提高了。零件制造过程中的人为干预减少或者免除了。整个加工循环中，很多数控机床处于无人照看状态，这使操作员被解放出来，可以干别的工作。数控机床用户得到的几个额外好处是：数控机床减小了操作员的疲劳程度，减少了人为误差，工件加工时间一致而且可预测。由于机床在程序的控制下运行，与操作普通机床的机械师要求的技能水平相比，对数控操作员的技能水平要求（与基本加工实践相关）也降低了。数控技术的第二个优点是工件的一致性好，加工精度高。现在的数控机床宣称的精度以及重复定位精度几乎令人难以置信。这意味着，一旦程序被验证是正确的，可以很容易地加工出2个、10个或1000个相同的零件，而且它们的精度高，一致性好。大多数数控机床

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