X5230普通铣床数控化改造设计【优秀资料】
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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.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- 49 -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、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，能获得比闭环伺服系统稳定性好的控制特性，而且也较经济。当采用高分辨率的检测元件，且半闭环外的传动部件(滚珠丝杠副、导轨以及工作台等工作部件)又有足够高的工作精度时，即使在半闭环数控机床上也可以获得较满意的精度和运动速度。但在加工使用中，环境温度变化和滚珠丝杠工作温度变化引起的热变形，机械原点漂移等未消除时，常成为高精密加工的主要误差因素。进给箱变为交流伺服电机支撑箱，需重新设计制造；三台步进电机支撑件、联接件，三丝杠支撑与溜板联接件，电气柜、防护罩等主要件需设计制作；各主要部件需装配、安装与调整。（2）技术难点主轴和主轴箱技术要求高，设计难度大，我们无设计条件、经验和设计时间，其制造难度也大，一般加工企业无法加工；三丝杠的支撑、联接技术与安装调整、工艺要求较高；三个伺服电机支撑、联接技术要求较高。改造后属于半闭环系统控制，加工精度较高但改造费用也需要较高。方案（1） 技改要点主传动保留主轴箱、床身立柱、导轨，而甩掉现有铣床进给箱。进给传动采用开环伺服系统，开环伺服系统没有检查机械运动的检测元件，即没有来自位置传感器的反馈信号。由步进电动机驱动，运动速度和精度较低，运动中容易产生振荡、丢步等现象，因此主要用于经济型或简易型数控机床，其精度和速度的提高受到限制。进给箱变为步进电机支撑，需重新设计制造；三台步进电机支撑件、联接件，三丝杠支撑工作台联接件，电气柜、防护等主要件需设计制作；各主要部件需装配、安装与调整。（2）技术难点三丝杠的支撑、联接技术与安装调整工艺要求较高；三步进电机支撑、联接技术要求较高。改造后属于开环系统控制，加工精度相对低但改造费用也需要较低。根据以上两种普通机床数控化改造方案的比较，经过察看X5230铣床本体以及其性能指标、工作状况，采用价格相对较低的数控系统，并配以混合式步进电机驱动与滚珠丝杠螺母副对X5230铣床的X、Y、Z三轴进行改造；并且参照数控铣床的改造经验，确定总体改造方案。1、基本保留机床原主轴的运动系统，主轴的正、反转以及启动、停车的由数控系统控制；2、拆除机床工作台的X、Y、Z轴原进给系统，将滑动丝杠副更换为滚动丝杠副，并改装减速齿轮、选用伺服电机。3、数控系统选用南京华兴数控设备有限责任公司WA310M数控系统；4、电气系统的设计。在进给驱动中使用步进电机，由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。（1）床身：床身采用分离式结构，立柱和底座用螺栓连接，立柱正面的燕尾导轨，用于安装垂直移动的升降台。立柱后面安装电气箱，床身底座上安装升降台垂直移动丝杠座。（2）进给箱：拆除原手动操作机构，改用步进电动机通过齿轮副传动带动滚珠丝杠实现，脉冲当量为0.01mm，进给由数控系统控制。（3）主轴进给：主轴进给由步进电动机通过齿轮副带动滚珠丝杠副实现，脉冲当量为0.005mm，主轴锥孔的锥度为R8，用于安装弹簧夹头和钻夹头，夹头用拉杆拉紧在主轴锥孔内。（4）工作台：整个部件靠升降台支撑在立柱正面的燕尾槽和垂直升降滚珠丝杠上，升降台顶面的燕尾导轨和滑板相配，滑板上的燕尾导轨于工作台相配。工作台纵横两向运动由步进电动机通过齿轮副带动滚珠丝杠副实现，脉冲当量为0.01mm。（5）冷却部分：冷却部分由切削液泵、出液泵、回液管、开关及喷嘴等组成。切削液泵安装在机床底座的内腔里，将切削液从底座内储液池泵至出液管，在经喷嘴喷出，对切削区进行冷却。（6）润滑部分：润滑部分采用机动润滑方式，用润滑油泵通过分油器对主轴套筒导轨及滚珠丝杠进行润滑，以提高机床的使用寿命。改造的三轴在机械上采用了滚珠丝杠通过齿轮副进行传动联接；工作台进行贴塑处理；滚珠丝杠和工作台润滑采用手动泵注入，整个改造工作包括机械设计、电气设计、机械零部件加工、机床大修及整机的安装和调试等。改造后机床传动示意图如图2-1所示。图2-1 传动系统示意图2.1.2数控铣床改造后技术参数数控铣床改造设计参数包括铣床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需的参数。工作台工作面：长度 1220 宽度 300工作台最大行程：纵向（X轴） 550横向（Y轴） 320垂向（Z轴） 380XY轴脉冲当量 0.01Z轴脉冲当量 0.005T型槽数及宽度 316T型槽间距 65主轴孔锥度 R8主轴端面至工作台面距离 40420主轴中心线至垂直导轨距离 170780主轴转速范围 604000r/min摇臂行程 590摇臂回转角度 360铣头电机 1.5KW数控系统总功率 360w机床外型尺寸（长宽高） 142017802187机床净重 1500改造后，设备的操作改由系统控制，实现了自动化加工和柔性加工，加工精度也得到了提高。同时，使设备的故障率明显降低，维护费用也减少了，工人的劳动强度也跟着减轻，而工作效率得到了极大的提高，从前一些无法加工的工件，现在也可以加工了。总之，该机床改造后的可靠性和加工效率得到了很大提升，避免了人为因素的影响。整个改造所用费用少、见效快，系统运行平稳，达到了预期的目的。2.2传动系统改装设计与计算2.2.1纵向进给系统的设计与计算2.2.1.1铣削力的计算根据简明铣工手册1，对高速钢圆柱铣刀，铣削力的计算公式为： （2-1）式中：系数，其值取决于切削条件和工件材料，当工件为碳钢时，根据简明铣工手册1表3-13，取=65，=4mm；每齿进给量，取=0.1mm；背吃刀量，取=30mm；铣刀齿数，取=4；铣刀直径，取=27mm；n铣刀转数；、 、及公式中各个参数的指数；切削条件改变时，切削力的修正系数。其中参数按实际加工过程中平均铣削条件为标准来选择。由已知条件，取=1.0、=0.72、=0.86、=0、=0.73加工碳钢时， =637Mpa，其修正系数由简明铣工手册1表3-14得：由公式2-1可得:：图2-2纵横向进给系统图用圆柱铣刀进行逆铣加工时：纵向铣削分力=（11.2），取=1.1 垂直铣削分力=（0.20.3），取=0.25 横向铣削分力=（0.350.4），取=0.375 各系数分别取中间值，则：=1.1=0.25=0.375=由此可算出周向铣削力： 2.2.1.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型1、强度校核计算根据机床设计手册2，燕尾形导轨工作时轴向力为： （2-2）式中：考虑颠覆力矩影响的系数，取1.4；导轨上的摩擦系数，取0.2；工作台重量，G=809.8=784=0.784（kN） 、切削分力由，=0，=1617N代入2-2可得：其寿命值为：L=60NT=601015000=9106（r）式中：L工件寿命（r）；N滚珠丝杠的转速（r/min）；T使用寿命时间（h），数控机床一般为15000h；滚珠丝杠承受的最大动负载计算： （2-3）式中：滚珠丝杠工作载荷，、代入公式2-3可得滚珠丝杠最大动负荷为：2、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为： （2-4）丝杠螺旋升角=325，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，10，则：3、滚珠丝杠螺母副的选型数控机床的进给传动链中，将旋转运动转换为直线运动的方法很多，采用丝杠螺母副是常用的方法之一。滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动相互转换的新型传动装置。（1）滚珠丝杠螺母副工作原理与特点1 螺母 2滚珠 3丝杠图2-3 滚珠丝杠副的结构原理示意图滚珠丝杠副的结构原理示意图如图2-3所示。在丝杠3和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道b，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠2。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。可知，滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦，它具有以下特点：1）摩擦损失小，传动效率高，可达0.90.96；2）丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，提高了传动刚度；3）摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象。磨损小、寿命长、精度保持好；4）不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动。因此，丝杠立式使用时，应增加制动装置。4、滚珠丝杠螺母副的选用目前我国滚珠丝杠螺母副的精度标准为四级：普通级P、标准级B、精密级J和超精密级C。各级精度所规定的各项允差可查有关手册。一般的数控机床可选用标准级B，精密数控机床可选精密级J或超精密级C。在设计和选用滚珠丝杠螺母副时，首先要确定螺距t、名义直径D0、滚珠直径d0等主要参数。在确定后两个参数时，采用与验算滚珠轴承相似的方法，即规定在最大轴向载荷Q作用下，滚珠丝杠能以33.3r/min的转速运转500小时而不出现点蚀。选择螺距t时，一般应根据丝杠的承载能力和刚度要求，首先确定名义直径D0，然后根据名义直径D0尽量取较大的螺距。常用的螺距t=4、5、6、8、10、12mm。螺距愈小，在一定轴向力作用下摩擦力矩愈小；但t小时（滚珠也小），导致滚珠丝杠承载能力下降。另外，如丝杠名义直径D0一定时，t减小、螺距升角随之减小，传动效率也随之降低。丝杠名义直径D0是指滚珠中心圆的直径，根据承受的载荷来选取。D0愈大，丝杠承载能力和刚度愈大。为了满足传动刚度和稳定性的要求，通常应大于丝杠长度的1/301/50。滚珠直径d0对承载能力有直接影响，应尽可能取较大的数值。一般d00.6t，其最后尺寸按滚珠标准选用。滚珠的工作圈数J、列数K和工作滚珠总数N对丝杠工作特性影响很大。根据试验，每一个循环回路中，各圈所受载荷不均匀，滚珠第一圈约承受总载荷的50%，第二圈约承受30%，第三圈约承受20%。因此，圈数过多并不能加大承载能力，反而增加了轴向尺寸。一般工作圈数J=2.53.5圈。若工作圈数必须超过三圈半时，可制成双列或三列，列数多，增加了接触刚度，提高了承载能力。但并不是成比例增加，列数多，增加承载能力并不显著，反而加大了螺母的轴向尺寸。一般K=23列。工作滚珠总数N不宜过多，一般N150，否则，容易引起流通不畅而堵塞。但也不宜过少，这样会使每个滚珠所受载荷加大，弹性变形也大。（1）丝杠的导程和转速电动机最大转速为1440r/min，取使用时最高转速为1000r/min，电动机经过联轴器、齿轮传动和丝杠相连，工作台最大速度，故丝杠的导程应为。 丝杠转速：强力切削30r/min，一般切削50r/min，精细车削60r/min，快移80r/min。（2）当量载荷和当量转速（3）初选滚珠丝杠副 初选滚珠丝杠的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大动载荷C，即CaC。假如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转（N10r/min）下工作并受载，那么还需要考虑另一种失效形式滚珠丝杠接触面上的塑性变形。即考虑滚珠丝杠的额定载荷C0a是否大大超过了滚珠丝杠的工作载荷fh，一般使Ca/Fm=23。根据最大动载荷C的值，参考南京工艺装备制造有限公司所生产的丝杠导轨，查表2-1选取滚珠丝杠的型号，如选用FFZD2506-3(表示内循环浮动反向器双螺母垫片预紧，公称直径为25mm，基本导程为6mm，螺纹旋向为右旋），其Ca的值为11.3kN，所以强度足够，预紧力FP=0.25Ca=2.825kN，大于最大轴向载荷的三分之一，这种丝杠是可用的。图2-4 纵向丝杠零件图表2-1滚珠丝杠技术参数表规格代号公称直径d0公称导程Ph0丝杠外径d1钢球直径D0丝杠底径D2循环圈数基本额定负荷刚度KC螺母安装连接尺寸CaKNC0aKND1D2L2D3BD4D5D6hD7MDL1FFZD1204-312411.32.3819.5346.7417222210448324.88.54.532M2.51663FFZD1604-316415.32.38113.534.89.74422828105210385.810632M62065FFZD1605-316515.53.512.937.613.24002828105210385.810632M62283FFZD2004-320419.319.12.381317.516.935.37.312.115.45193636106211485.810640M62572FFZD2005-320519.53.516.939.118.35363636106211485.810640M62583FFZD2504-325424.1321.938.320.26544040106611535.810646M63074FFZD2505-325524.53.521.9310.223.66574040106611535.810646M63084FFZD2506-325623.9420.9311.323.76364040106611535.810646M63097FFZD3204-332431.1328.939.627.98235050107611635.810656M63873FFZD3204-532431.1328.951545.613405050107611635.810656M63892（4）丝杠螺纹部分长度等于工作台最大行程（550mm）加螺母长度（150mm），再加上两端余量（40mm）。即：=550+150+402=780mm。（5）支撑跨距 应略大于，取为=800mm。（6）临界转速 = 查机床设计手册2表3.737，可知两端固定时，f2=3.93LC= 由于采用两端固定，稳定性足够，不再进行压杆稳定性核算。（7）预拉伸计算温升引起的伸长量，设温升为，则螺线部分伸长量为： 丝杠全长的伸长量为：为此，丝杠的目标行程可定为比公比行程小0.03/0.8mm。丝杠在安装时，进行预拉伸，拉伸量为0.030mm。预拉伸力Ft，根据材料力学3欧拉公式：5、滚珠丝杠螺母副的支承形式和制动方式为了提高传动刚度，应合理确定滚珠丝杠螺母副的参数、螺母座的结构、丝杠两端的支承形式，它们对机床的连接刚度也有很大影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须有良好的配合，保证孔与端面的垂直度，螺母座宜增添加强筋，加大螺母座和机床结合面的接触面积，这均可提高螺母座的局部刚度和接触刚度。为了提高螺母支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及其支承方式是十分重要的。常用的支承方式有下列几种，如图 2-5所示。图2-5 螺母副支承方式（1）一端装止推轴承 如图2-5（a）所示。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠。如数控机床的调整环节或升降台式铣床的垂直坐标中。（2）一端装止推轴承，另一端装向心球轴承 如图2-5（b）所示。滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一自由端装向心球轴承。为了减少丝杠热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离热源（如液压马达）及丝杠上的常用段。（3）两端装止推轴承 如图2-5（c）所示。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。（4）两端装止推轴承及向心球轴承 如图2-5（d）所示。为了提高刚度，丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和向心球轴承，并施加预紧力。这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力，但设计时要注意提高止推轴承的承载能力和支架刚度。国外采用一种滚珠丝杠专用轴承，如图2-6所示。这是一种能承受很大轴向力的特殊向心推力滚珠轴承，其接触角加大到600。增加了滚珠数目并相应减小了滚珠直径，其轴向刚度比一般推力轴承提高两倍以上，使用出也极为方便。图2-6一种滚珠丝杠专用轴承滚珠丝杠螺母副传动效率很高，但不能自锁，用在垂直传动或水平放置的高速大惯量传动中，必须装有制动装置。常用的制动方法有超越离合器、电磁摩擦离合器或者使用具有制动装置的伺服驱动电机。滚珠丝杠必须采用润滑油或锂基油脂进行润滑，同时采用防尘密封装置。如用接触式或非接触密封圈，螺旋式弹簧钢带，或折叠式塑性人造革护罩，以防尘土及硬性杂质进入丝杠。丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠自重外，一般无外载荷，对丝杠轴承主要要求轴向精度和刚度较高，摩擦力矩要尽量小。由实用机床设计手册4可知，游动支撑多采用深沟球轴承，固定支撑采用的有角接触球轴承，双向推力角接触球轴承，圆锥滚子轴承，以及圆锥滚子轴承和深沟球轴承的组合。经过比较选用双列推力角接触球轴承，根据机床设计手册4选择轴承型号为7602017TTN，内径d=17mm，外径D=40mm，基本额定动载荷Ca=17200N，最大轴向力Fa max=8500N1）预负荷轴承的负荷不应小于最大载荷的1/3，丝杠一端固定，故轴承的最大载荷等于预拉伸力Ft加最大外载荷的一半。 故符合要求。2）疲劳寿命的计算轴承要求的动负荷可按式计算考虑到数控机床本身的特点，上式中系数KpKlKNKn均取1。进给力的方向是可变的，轴承负荷可能是P=Fm，也可能是P=Ft-，两者机会均等。故取其平均值P=Ft。当量转速nm=53.5r/min，故fn=0.932，如轴承寿命为15000h，则fh=3.11，CC=可以看出，7602017TTN型号的轴承额定动负荷够用，所以可以选轴承型号为7602017TTN是合理的。6、刚度验算滚珠丝杠副工作负载Fm引起的导程变化量 式中 L0=6mm，弹性模量，工作负载Fm=2730N，滚珠丝杠截面积则： 滚珠丝杠副受扭矩引起的导程变化量引起的导程变化量很小，可以忽略不计。查机床设计手册2可知，三级精度的丝杠允许的轴向误差为4mm，故刚度足够。2.2.1.3 减速齿轮副的设计1、脉冲当量的选择根据原机械的加工精度，由前面的计算已知：滚珠丝杠的导程，初选步进电动机步距角，脉冲当量。每个脉冲丝杠螺母移动的距离为：要实现p=0.01mm/step，就必须在步进电机和滚珠丝杆之间加上一对降速齿轮，此对减速齿轮的减速比为:2、减速齿轮副的设计此处设计的减速齿轮副是开式齿轮传动，为防止轮齿太小引起的意外断齿，传递动力的齿轮模数一般不小于1.52mm，因此，减速齿轮模数取为m=2mm，选择为直齿圆柱齿轮故分度圆压力角=20，齿顶高系数，顶隙系数。为了提高开式齿轮传动的耐磨性，要求有较大的模数，因而齿数应少一些，一般取Z1=1720，此处取=20，故= =201.2=24，取=24。表2-2 纵向进给齿轮参数表齿轮1齿轮2齿数Z2024模数m（mm）22分度圆 d（mm）4048齿顶圆 （mm）4452齿根圆 （mm）3543中心距 a（mm）4444图2-7 齿轮零件图2.2.2横向进给系统的改造设计与计算 图2-8 横纵向进给系统简图1、铣削力的计算横向丝杠螺母副铣削力与纵向计算方法一致，其周向铣削力： 工作台横向进给方向载荷：=0.375=2、滚珠丝杠螺母副的计算和选型（1）强度校核计算根据机床设计手册2，燕尾形导轨工作时轴向力为： 式中：考虑颠覆力矩影响的系数，取1.4；导轨上的摩擦系数，取0.2；工作台重量，G=1009.8=980=0.98（kN） 、切削分力由，=0，=1617N代入2-2可得：其寿命值为：L=60NT=601015000=9106（r）式中：L工件寿命（r）；N滚珠丝杠的转速（r/min）；T使用寿命时间（h），数控机床一般为15000h；滚珠丝杠承受的最大动负载计算： 式中：滚珠丝杠工作载荷，、代入公式2-3可得滚珠丝杠最大动负荷为：（2）传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为： 丝杠螺旋升角=325，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，10，则：（3）滚珠丝杠螺母副的选型1）丝杠的导程和转速电动机最大转速为1440r/min，取使用时最高转速为1000r/min，电动机经过联轴器、齿轮传动和丝杠相连，工作台最大速度，故丝杠的导程应为。丝杠转速：强力切削30r/min，一般切削50r/min，快移80r/min。2）当量载荷和当量转速3）初选滚珠丝杠副初选滚珠丝杠的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大动载荷C，即CaC。假如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转（N10r/min）下工作并受载，那么还需要考虑另一种失效形式滚珠丝杠接触面上的塑性变形。即考虑滚珠丝杠的额定载荷C0a是否大大超过了滚珠丝杠的工作载荷fh，一般使Ca/Fm=23。根据最大动载荷C的值，参考南京工艺装备制造有限公司所生产的丝杠导轨，查表2-1选取滚珠丝杠的型号，如选用FFZD2506-3(表示内循环浮动反向器双螺母垫片预紧，公称直径为25mm，基本导程为6mm，螺纹旋向为右旋），其Ca的值为11.3kN，所以强度足够，预紧力FP=0.25Ca=2.825kN，大于最大轴向载荷的三分之一，这种丝杠是可用的。4）丝杠螺纹部分长度等于工作台最大行程（320mm）加螺母长度（150mm），再加上两端余量（40mm）。即：=320+150+402=550mm。5）支撑跨距 应略大于，取为=700mm。6）临界转速 = 查机床设计手册2表3.737，可知两端固定f2=3.93LC=由于采用两端固定，稳定性足够，不再进行压杆稳定性核算。图2-9 横向丝杠零件图7）预拉伸计算温升引起的伸长量，设温升为，则螺线部分伸长量为：丝杠全长的伸长量为为此，丝杠的目标行程可定为比公比行程小0.04/0.7mm。丝杠在安装时，进行预拉伸。拉伸量为0.024mm。预拉伸力Ft，根据材料力学3欧拉公式：8）轴承的选择丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠自重外，一般无外载荷，对丝杠轴承主要要求轴向精度和刚度较高，摩擦力矩要尽量小。由实用机床设计手册3可知，游动支撑多采用深沟球轴承，固定支撑采用的有角接触球轴承，双向推力角接触球轴承，圆锥滚子轴承，以及圆锥滚子轴承和深沟球轴承的组合。经过比较选用双列推力角接触球轴承，根据机床设计手册2选择轴承型号为7602017TTN，内径d=17mm，外径D=40mm，基本额定动载荷Ca=17200N，最大轴向力Fa max=8500Na.预负荷轴承的负荷不应小于最大载荷的1/3，丝杠一端固定，故轴承的最大载荷等于预拉伸力Ft加最大外载荷的一半。 故符合要求。b.疲劳寿命的计算轴承要求的动负荷可按下式计算考虑到数控机床本身的特点，上式中系数KpKlKNKn均取1。进给力的方向是可变的，轴承负荷可能是P=Fm，也可能是P=Ft-，两者机会均等。故取其平均值P=Ft。当量转速nm=53.5r/min，故fn=0.932，如轴承寿命为15000h，则fh=3.11，CC=可以看出，7602017TTN型号的轴承额定动负荷够用，所以可以选轴承型号为7602017TTN。（4）刚度验算滚珠丝杠副工作负载Fm引起的导程变化量式中 L0=6mm，弹性模量，工作负载Fm=2730N，滚珠丝杠截面积则： 滚珠丝杠副受扭矩引起的导程变化量引起的导程变化量很小，可以忽略不计。查机床设计手册2可知，三级精度的丝杠允许的轴向误差为4mm，故刚度足够。3、减速齿轮副的设计（1）脉冲当量的选择根据原机械的加工精度，由前面的计算已知：滚珠丝杠的导程，初选步进电动机步距角，脉冲当量。每个脉冲丝杠螺母移动的距离为：要实现p=0.01mm/step，就必须在步进电机和滚珠丝杆之间加上一对降速齿轮，此对减速齿轮的减速比为:（2）减速齿轮副的设计此处设计的减速齿轮副是开式齿轮传动，为防止轮齿太小引起的意外断齿，传递动力的齿轮模数一般不小于1.52mm，因此，减速齿轮模数取为m=2mm，选择为直齿圆柱齿轮故分度圆压力角=20，齿顶高系数，顶隙系数。为了提高开式齿轮传动的耐磨性，要求有较大的模数，因而齿数应少一些，一般取Z1=1720，此处取=20，故= =201.2=24，取=24。表2-3 横向进给齿轮参数表齿轮1齿轮2齿数Z2024模数m（mm）22分度圆 d（mm）4048齿顶圆 （mm）4452齿根圆 （mm）3543中心距 a（mm）44442.2.3垂向进给系统的改造设计与计算 1、切削力计算与纵向和横向所设参数相同，则有：用圆柱铣刀进行逆铣加工时：纵向铣削分力=1.1=垂直铣削分力=0.25=横向铣削分力=0.375=由此可算出周向铣削力： 强度校核计算：1立柱 2固定螺钉 3垂直升降丝杠螺母 4角接触球轴承 5端盖 6圆锥齿轮7垂直升降丝杠 8挡圈 9防尘盖 10直齿轮 11垂直进给传动轴 12电动机图2-10 垂向进给系统图根据机床设计手册2，燕尾形导轨工作时轴向力为： 式中：考虑颠覆力矩影响的系数，取1.4；导轨上的摩擦系数，取0.2；工作台重量，G=3009.8=2.94（kN） 、切削分力，=0，=1617N其寿命值为：L=60NT=601015000=9106（r）式中：L工件寿命（r）；N滚珠丝杠的转速（r/min）；T使用寿命时间（h），数控机床一般为15000h；滚珠丝杠承受的最大动负载计算： 式中：滚珠丝杠工作载荷，、滚珠丝杠最大动负荷为：传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为： 丝杠螺旋升角=325，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，10，则：2、滚珠丝杠螺母副的选型（1）丝杠的导程和转速电动机最大转速为1440r/min，取使用时最高转速为1000r/min，电动机经过联轴器、齿轮传动和丝杠相连，工作台最大速度，故丝杠的导程应为。丝杠转速：强力切削30r/min，一般切削50r/min，快移80r/min。当量载荷和当量转速（2）初选滚珠丝杠副 初选滚珠丝杠的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大动载荷C，即CaC。假如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转（N10r/min）下工作并受载，那么还需要考虑另一种失效形式滚珠丝杠接触面上的塑性变形。即考虑滚珠丝杠的额定载荷C0a是否大大超过了滚珠丝杠的工作载荷fh，一般使Ca/Fm=23。根据最大动载荷C的值，可查表选取滚珠丝杠的型号，如选用CBFZD3206（表示外插管埋入式双螺母垫片预紧，公称直径Dm为32mm，基本导程为6mm，螺纹旋向为右旋），其Ca的值为17kN，所以强度足够，预紧力FP=0.25Ca=4.25Kn，大于最大轴向载荷的三分之一，这种丝杠是可用的。（3）丝杠螺纹部分长度等于工作台最大行程（380mm）加螺母长度（45mm），再加一端余量（60mm）。即：=380+45+60=485mm。（4）支撑跨距 应略大于，取为=500mm。（5）临界转速 = 查机床设计手册2表3.737，可知一端固定，一段游动时，f2=3.93LC=一端固定，一端游动时，丝杠一般不会受压，故不需要压杆进行压杆校核。（6）预拉伸计算1）温升引起的伸长量，设温升为，则螺线部分伸长量为：丝杠全长的伸长量为 为此，丝杠的目标行程可定为比公比行程小0.04/0.7mm。丝杠在安装时，进行预拉伸。拉伸量为0.025mm。2）预拉伸力Ft，根据材料力学3欧拉公式：图2-11 垂向丝杠零件图（7）轴承的选择丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠自重外，一般无外载荷，对丝杠轴承主要要求轴向精度和刚度较高，摩擦力矩要尽量小。由实用机床设计手册4可知，游动支撑多采用深沟球轴承，固定支撑采用的有角接触球轴承，双向推力角接触球轴承，圆锥滚子轴承，以及圆锥滚子轴承和深沟球轴承的组合。经过比较选用双列推力角接触球轴承，根据机床设计手册2选择轴承型号为7602017TTN，内径20mm，外径52mm，基本额定动载荷25500N，最大轴向力14000N。 丝杠固定端安装双列深沟球轴承，根据机床设计手册2选择轴承型号为6206，d=30mm，D=62mm，B=16mm，基本额定载荷Ca=19.5 KN。1）预负荷轴承的负荷不应小于最大载荷的1/3，丝杠一端固定，故轴承的最大载荷等于预拉伸力Ft加最大外载荷的一半。 故符合要求。2）疲劳寿命的计算轴承要求的动负荷可按式计算考虑到数控机床本身的特点，上式中系数KpKlKNKn均取1。进给力的方向是可变的，轴承负荷可能是P=Fm，也可能是P=Ft-，两者机会均等。故取其平均值P=Ft。当量转速nm=53.5r/min，故fn=0.932，如轴承寿命为15000h，则fh=3.11，CC=可以看出，所选轴承额定动负荷够用。3、刚度验算滚珠丝杠副工作负载Fm引起的导程变化量：式中 L0=6mm，弹性模量，工作负载Fm=2730N，滚珠丝杠截面积： 则： 滚珠丝杠副受扭矩引起的导程变化量引起的导程变化量很小，可以忽略不计。查机床设计手册2可知，三级精度的丝杠允许的轴向误差为4mm，故刚度足够。4、减速齿轮副的设计（1）脉冲当量的选择根据原机械的加工精度，由前面的计算已知：滚珠丝杠的导程，初选步进电动机步距角，脉冲当量。每个脉冲丝杠螺母移动的距离为：要实现p=0.005mm/step，就必须在步进电机和滚珠丝杆之间加上一对降速齿轮，此对减速齿轮的减速比为:（2）减速齿轮副的设计此处设计的减速齿轮副是开式齿轮传动，为防止轮齿太小引起的意外断齿，传递动力的齿轮模数一般不小于1.52mm，因此，减速齿轮模数取为m=2mm，选择为直齿圆柱齿轮故分度圆压力角=20，齿顶高系数，顶隙系数。为了提高开式齿轮传动的耐磨性，要求有较大的模数，因而齿数应少一些，一般取=1720，此处取=20，故= =202.4=24，取=48。表2-4 垂向进给齿轮参数表齿轮1齿轮2齿数Z2048模数m（mm）22分度圆 d（mm）4096齿顶圆 （mm）44100齿根圆 （mm）3591中心距 a（mm）68682.3步进电机的选择2.3.1纵向进给系统步进电机的确定1、已知条件 本次改造主要是根据最大静转矩和最高工作频率进行选择电动机。根据上面的计算，已知：则： 故初选合理满足2、启动力矩 式中：为脉冲当量，取=0.01mm/step为移动部件负载: 为作用在移动部件上的负载: f为导轨摩擦系数，取f=0.2(燕尾槽导轨)为步进电动机步距角，取=0.72为机械传动的效率，一般取=0.6G为纵向移动部件重量:G=(80+300)9.8=3724N代入公式得: 确定步进电机最高工作频率:式中：运动部件高大快进速度，查X5230说明书，纵向工作台最大进给速度为: 代入公式: 综合考虑并参考机电综合设计指导5表2-2和机电一体化技术手册6表5-12，选择110BYG550C型步进电机，该电机的主要技术参数为:步距角=0.72，启动力矩7.566Nm在此选择的电机的最高工作效率f为3800和运行频率16000Hz之间，相数为5，电压为80v，电流3A，线圈电阻为1.2，转子转动惯量为，外形尺寸为110mm125.87mm，质量为7.5kg，轴径为16mm。3、步进电机空载起动频率和铣削时的工作频率110BYG550A型步进电机允许的最高空载起动频率为2300 Hz ，运行频率为20000 Hz。当快速运动和铣削进给时，110BYG550A型步进电机运行频率、特性完全可以满足要求。表2-5 步进电动机主要电气参数型号机身长L步距角电压电流电阻电感保持转距定位转矩转动惯量重量mmDegVAmHN.mN.mKg.cmKg110BYG2501420.9/1.88020060.455.9100.35.65.5110BYG250A1700.9/1.88020060.558.012.50.58.47.5110BYG250B1980.9/1.88020060.6710.0180.612.611110BYG250C2260.9/1.88020060.688.3220.716.813110BYG250D2540.9/1.88020060.799.7250.82115110BYG5501420.36/0.728015030.966.0100.35.65.5110BYG550A1700.36/0.728015031.07.612.50.48.47.5110BYG550B1980.36/0.728015031.19.5180.512.611110BYG550C2260.36/0.728015031.212.8220.616.813110BYG550D2540.36/0.728015031.314.9250.721152.3.2横向进给系统步进电机的确定1、已知条件 本次改造主要是根据最大静转矩和最高工作频率进行选择电动机。 根据上面的计算，已知：则： 故初选合理满足。2、启动力矩 式中：为脉冲当量，取=0.01mm/stepFs为移动部件负载: 为作用在移动部件上的负载: f为导轨摩擦系数，取f=0.2(燕尾槽导轨)为步进电动机步距角，取=0.72为机械传动的效率，一般取=0.6G为横向移动部件重量:G=(100+300)9.8=3920N代入公式得: 确定步进电机最高工作频率:式中：运动部件高大快进速度，查X5230说明书，横向工作台最大进给速度为: 代入公式: 步距角=0.72，启动力矩7.566Nm在此选择的电机的最高工作效率f为3800和运行频率16000Hz之间，相数为5，电压为80v，电流3A，线圈电阻为1.2，转子转动惯量为，外形尺寸为110mm125.87mm，质量为7.5kg，轴径为16mm。3、步进电机空载起动频率和铣削时的工作频率110BYG550A型步进电机允许的最高空载起动频率为2300 Hz ，运行频率为20000 Hz。当快速运动和铣削进给时，110BYG550A型步进电机运行频率、特性完全可以满足要求。2.3.3垂向进给系统步进电机的确定1、已知条件 本次改造主要是根据最大静转矩和最高工作频率进行选择电动机。 根据上面的计算，已知：则： 故初选合理满足2、启动力矩 式中：为脉冲当量，取=0.005mm/stepFs为移动部件负载: 为作用在移动部件上的负载: f为导轨摩擦系数，取f=0.2(燕尾槽导轨)为步进电动机步距角，取=0.72为机械传动的效率，一般取=0.6G为横向移动部件重量:G=(300+300)9.8=5880N代入公式得: 确定步进电机最高工作频率:式中：运动部件高大快进速度，查X5230说明书，垂向工作台最大进给速度为: 代入公式: 步距角=0.72，启动力矩7.566Nm在此选择的电机的最高工作效率f为3800和运行频率16000Hz之间，相数为5，电压为80v，电流3A，线圈电阻为1.2，转子转动惯量为，外形尺寸为110mm125.87mm，质量为7.5kg，轴径为16mm。3、步进电机空载起动频率和铣削时的工作频率110BYG550C型步进电机允许的最高空载起动频率为2300 Hz ，运行频率为20000 Hz。当快速运动和铣削进给时，110BYG550C型步进电机运行频率、特性完全可以满足要求。3.X5230铣床数控化改造的数控系统3.1数控系统选型数控系统是机床的核心，在选择时要对其性能、经济性及维修服务等进行综合考虑。数控系统主要有3种类型：步进电机拖动的开环系统；异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统；交，直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。 其中步进电机拖动的开环系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。但该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。我国国内使用的数控系统基本上分为两大类：一类是从国外引进技术制造的产品，如日本FANUC公司生产的FANUC-0iMate、德国西门子公司的SINUMERIKDMT-802系列；另外一类是在引进、吸收的基础上研制、开发、生产的数控装置，如华中数控系列，GSK系列，南京华兴等。对比国内外数控系统可以发现：国外产品在性能、可靠性、使用寿命上占有很大优势，但价格很高，使得改造成本提高。国内产品虽然大转矩、大功率伺服电机的能力没有国外产品强大，但也能满足我们的要求，而且综合成本低。最终我们将数控系统的选择定位在国内数控系统上，其中南京华兴数控设备有限责任公司生产的WA310M数控系统是一款能满足以上要求的数控系统，所以我们选择这款专门为中国数控机床市场而开发的经济型CNC控制系统。WA310M是南京华兴数控设备有限责任公司集十多年数控系统开发经验，在原有多代成熟产品的基础上，推出的新一代高性能铣床用数控系统，如图3-1所示。系统采用超大规模可编程电路方案，具有更高的加工控制品质和系统升级空间。该系统具有强大的控制功能，可控制数字式交流伺服单元和三相细分步进驱动器。系统的电子齿轮功能可与任意螺距丝杆直连，螺距补偿功能使机床的精度检验大为简化，并提高机床的综合精度，强大的参数功能使系统具有很强的适应性。系统可控制数字式交流伺服驱动器及三相细分步进驱动器；系统的电子齿轮功能使得系统可与任意螺距丝杠直联；螺距补偿功能使机床的精度检验大为简化；显示采用7.4英寸液晶屏彩色显示，具有加工零件图形实时跟踪显示以及坐标字符显示的功能，界面设计更为丰富人性化；图形模拟功能更为强大，具有三维立体模拟和二维平面模拟显示的功能。系统结构采用整体式工程塑料压模件，造型美观；便捷的U盘接口，可实现U盘与系统间的程序互存，以及系统在现场升级功能和直接进行U盘DNC加工的功能。图3-1 WA310M数控系统表3-1 WA310M铣床数控系统参数WA310M铣床数控系统参数1适用机床4轴铣床2用户存储区 配512K电子盘，121个程序3编程尺寸 99999.999mm4分辨率 0.001MM5最大移动速度 60m/min(1MPPS)6插补轨迹 直线、圆弧、螺纹、快速定位7输入/输出 32路/24路，所有I/0口功能均有参数定义，用户可设置、修改I/O口功能8编程方式 ISO代码、键盘、RS232串行录入、USB接口定义9快速速度范围 1mm/min 15m/min10电子齿轮 16位：16位11螺距补偿 160点/轴，24轴12软件限位 每轴可任意设定区间13参考区 刀具、系统参数、螺纹、位参数等14操作方式 自动、手动、步进、MDI、单段/连续、暂停、手脉、串行或USB下DNC加工15显示界面 具有同步字符显示功能和图形界面16系统升级 通过U盘或串行口可在现场进行系统升级，无须打开机箱17进给倍率设置 16挡拨段开关，倍率范围5%300%18主轴倍率设置 16挡拨段开关，倍率范围5%300%19模态指示灯 指示当前操作状态20图形模拟 三维立体和二维平面图形模拟3.2步进电动机的驱动器选型3.2.1驱动器选型根据设计方案，主传动的主轴电动机驱动保持原有设备。X、Y、Z进给传动的设计已在第2章完成，已确定了滚珠丝杠的型号、步进电机的型号等，本节主要选择三个轴向进给传动步进电机的驱动器。步进电机的驱动器主要由环形分配器和功率驱动电路两个部分组成，功率驱动电路将环形分配器输出的微弱电流进行放大，满足步进电机的驱动，因此选择步进电机驱动器的良好性能是保证普通铣床数控化改造的精度之一。常见的步进电机驱动器的功率驱动电路有五种，其中细分驱动电路是通过控制绕组中的电流数值来调整步进电机步距角的大小，控制精度高。根据第2章已选择的进给传动选择的步进电机分别为：110BYG550A、110BYG550C。查阅相关资料以及产品可知，南京华兴数控设备有限公司的WD5HN5系列五相混合式步进电机驱动器，高速高转矩输出。采用先进的五H桥IGBT驱动电路，锁定无电磁噪音；信号输入方式灵活：单/双脉冲控制、脉冲前/后沿走步均可；输入信号经光电隔离和数字滤波器处理后，抗干扰性极高；拨码开关直接设定整步/半步运行方式；封闭结构，外部风冷，尤其适合恶劣环境中使用等优点。表3-2 WD5HN5驱动器技术参数供电电源单相80V+15%，50、60HZ。容量200VA/轴输出电流34.5A/相驱动方式PWM斩波、半流锁定配套电机110、130BYG五相十线混合式步进电动机励磁方式五相十拍（0.72度）/五相二十拍（0.36度）综合以上产品特点和技术参数，步进电机110BYG 550A、110BYG 550C的驱动器选择为：南京华兴数控设备有限公司的WD5HN5系列五相混合式步进电机驱动器，电气安装尺寸如图3-2所示。图3-2 WD5HN5驱动器安装尺寸3.2.2分配器环形分配器的作用是把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制步进电动机定子绕组通电、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的数量及方向对应。如对于三相三拍步进电动机，若“1”表示通电，“0”表示断电，A，B，C是其三相定子绕组，则经环形分配器后，每来一个进给脉冲指令，A，B，C应按（100）（010）（001）（100）的顺序改变一次。环形分配器有硬件环形分配器和软件环形分配器两种形式。硬件环形分配器是由触发器和门电路构成的硬件逻辑线路。实际上现在市场上已经有集成度高、抗干扰性强的PMOS和CMOS环形分配器芯片供选用。下面主要介绍用计算机软件实现脉冲序列分配的软件环形分配器。下面是基于查表法的软件环形分配器的程序设计方法，本次铣床改造我们采用五相混合式步进电机。如图3-3所示为三坐标步进电动机伺服进给系统框图。x向y向和z向步进电动机的五相定子绕组分别为A1、B1、C1、D1、E1相,A2、B2、C2、D2、E2相和A3、B3、C3、D3、E3相，分别经各自的放大器、光电耦合器与计算机的PIO（并行输入/输出接口）的PA0PA14相连。环形分配器的输出状态表如表3-3、表3-4和表3-5所示。表中的内容即是步进电动机的励磁状态，与接口接线紧密相关。图3-3 三坐标步进电动机伺服进给系统框图查表法的关键是根据步进电动机当前励磁状态和要求的正向或反向运转的要求，如何从表中找到相应单元地址，并取出地址的内容输出。当然要用查表程序中用的基址（表格首址）加索引值（序号）的方法。正转时，只要步进电动机当前状态序号不是表底序号，序号加1就是一下状态的序号：若是表底序号，需要将表底序号修改成表首序号。反转时，须判断当前序号是不是表首序号，若不是表首序号则序号减1；若是表首序号，需要将表首序号修改成表底序号。表3-3 X向步进电动机环形分配器的输出状态表表3-4 Y向步进电动机环形分配器的输出状态表表3-5 Z向步进电动机环形分配器的输出状态表3.3.3放大器从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电动机的定子绕组需要几安培电流。因此，需要对环形分配器来的信号进行功率放大，以提供幅值足够、前后沿较好的励磁电流。常用的有单电压供电功放电路和双电压供电功放电路。这里我们选择双电压供电功放电路。双电压供电功率放大器又称高低电压供电功放器，如图3.4所示为高低压供电定时切换电路的工作原理。该电路包括功率放大级（由功率管Vg，Vd组成）、前置放大器和单稳延时电路。二级管VDd是用作高低压隔离的，VDg和Rg是高压放电回路。高压导通时间由单稳延时电路整定，通常为100600s，对功率步进电动机可达几千微秒。当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管Vg，Vd同时导通，电动机绕组以+80V电压供电，绕组电流按L/（Rd+r）的时间常数向电流稳定值ug/（Rd+r）上升，当达到单稳延时时间时，Vg管截止，改由+12V供电，维持绕组额定电流。若高低压之比为ug/ud，则电流上升率也提高ug/ud倍，上升时间明显减小。当低压断开时，电感L中储能通过Rg，VDg及ug和ud构成的回路放电，放电电流的稳态值为（ug-ud）/(Rg+Rd+r)，因此也加快了放电过程。这种供电电路由于加快了绕组电流的上升或下降过程，故有利于提高步进电动机的起动频率和最高连续工作频率。由于额定电流是低压维持的，只需较小的限流电阻，所以功耗大为减小。（a）原理方框图 （b）波形图图3-4 双电压供电功率放大器3.3.4系统连接1、数控系统构成体系（1）数控系统构成的机床数控体系应包括以下内容，系统组成 如图3-5所示。1）CNC 控制单元及附件；2）步进电机驱动电源/脉冲式伺服单元；3步进电机/伺服电机；4）机床配电柜。图 3-5数控系统组成2、数控系统外部连接如图3-6所示，其中4J0、4J1、4J2、4J3为电机接口，5J1为刀架接口，7J1为串行通信接口，8J1为主轴控制接口，5J2为输入/输出接口，6J1为主轴编码器接口，5J3外接手轮接口。图3-6 数控系统外部连接3.4驱动器信号输入输出3.4.1信号输入输出1、信号输入：CW+、CW-、CCW+、CCW-双脉冲控制方式时，CW为正转步进脉冲信号，CCW为反转步进脉冲信号，脉冲上升沿有效，其控制器的输出电路分别为NPN型（如图3-7（a）中当一路输出脉冲时，另一路必须保持高电平）和PNP型（如图3-7（b）中当一路输出脉冲时，另一路必须保持低电平）时的波形和时序如图3-7所示。单脉冲控制方式时，CW此时为步进脉冲信号，CCW为电机方向信号。脉冲上升沿有效。波形和时序图如图3-8所示，（a）图为控制器输出的电路为NPN型（b）图为控制器的输出电路为PNP型。控制器输出的脉冲信号CP接驱动器电源的CW，控制器输出的方向信号CW接驱动电源的CCW。（a）控制器的输出电路为NPN型（b）控制器的输出电路为PNP型图3-7 双脉冲控制方式波形和时序图（a）控制器的输出电路为NPN型（b）控制器的输出电路为PNP型图3-8 单脉冲控制方式波形和时序图电机使能信号FREE+、FREE-，接口电路原理如图3-9所示。当驱动电源内部光电耦合导通时，电机上电锁定；内部光电耦合不导通时，电机处于自由状态，如果控制器不输出该控制信号时，可将FREE+接+5V，而FREE-接5V地。（a）NPN型接口电路图 （b）PNP型接口电路图图3-9 接口电路图2、信号输出NORMAL:绿色环分指示灯 零位信号输出，整步运行每十拍亮一次，半步运行时每二十拍亮一次。WARN:红色报警指示灯 驱动器出现过流或损坏时此灯亮，知道驱动器断电时熄灭。3.4.2面板开关说明WD5HN5驱动电源有一个四位拨码开关用来控制电机运行的状态，拨动开关必须在断电的状态下进行。H/F：开关的第四位在下方即ON状态时，电机为整步即步距角为0.72度。开关在上方即OFF状态时，电机为半步即步距角为0.36度。CW/CCW：开关的第三位在下方即ON状态时，电动机为正转。关在上方即OFF状态时，电动机为反转。CURRENT1、CURRENT2：用来调整电机工作时相电流的大小，开关拨下即ON状态时相电流减小，相电流调整如表3-6所示。CURRENT1ONOFFONOFFCURRENT2ONONOFFOFF相电流2.5A3A3.5A4A表3-6 相电流调整表4.XK5230电气系统数控改造设计 4.1概述任何生产机械电气的控制系统设计都包括两个基本方面，一个是满足生产机械和工艺的各种控制要求，另一个是满足电气控制系统本身的制造、使用及维修的需要。因此，电气控制系统设计包括原理设计和工艺设计两个方面。前者决定一台设备的使用效能和自动化程度，即决定生产机械设备的先进性、合理性，而后者决定电气控制设备生产可行性、经济性、外观和维修等方面的性能。查X5230普通铣床电气原理图可知主电路中有3台电动机，M1为主轴电动机，M2为冷却泵电动机，M3为工作台进给电动机。转换开关SA5控制M1的正反转运转，并由桥式整流器VC供给直流能耗制动，由接触器KM4和KM5控制M3的正、反方向运转，由机械传动得到前后、左右和上下的进给和快速移动。在变速时M1和M2都能有冲动作。X5230型铣床改造前控制内容较多，改造后电气部分主要采用数控系统来总体控制，因此，电气控制相对简单。 4.2电气系统数控改造设计本次改造主轴的控制中，主要控制主轴的正转/反转、启动/停止以及冷却泵的启动/停止，对机床进给系统电气改造，在拆除原机床工作台进给电机以及相应强电电路，设计由KA1控制主轴电机正转，KA2控制反转，KM4控制冷却泵的启动/停止，各电器元件功过电缆与系统控制箱连接，接受系统的控制。主电路的工作原理是将钥匙开关向
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