XA5032普通立式铣床进行数控化改造.doc

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1、 摘要数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证高新技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。在全球倡导绿色制造的大环境下，机床数控化改造成为了热点。它包括普通机床的数控化改造和数控机床的升级 本设计是对XA5032普通立式铣床进行数控化改造。为了实现把XA5032普通立式铣床改造成经济型数控铣床，我针对此铣床的主传动系统，X,Y,Z向进给系统进行数控改造，并增加了CNC装置和伺服系统。对主传动系统，我选用FANUC AC 电动机通过带传动驱动主轴。对进给系统，我把原先的滑动丝杠换成滚珠丝杠，以提高精度和效率，并由原先的手动控制，改造成由电动机控制。通过变频器实现主

2、轴传动和进给机构的无级变速。通过单片机的设计，构成控制系统。关键词：数控改造，滚珠丝杠，伺服系统ABSTRACTNC machine tools is the Machine Tools and equipment manufacturing, is to achieve manufacturing technology and the cornerstone of modern equipment is to ensure that high-tech industry development and national defense modernization of the militar

3、y strategy and equipment. Green Manufacturing in the global advocacy of the environment, transformation of CNC machine tools to become a hot spot. It includes general of the CNC machine tools to transform and upgrade the CNC machine tools This design is XA5032 ordinary vertical milling machine NC tr

4、ansformation. In order to achieve the XA5032 vertical milling machine into the general economy CNC milling machine, I am against this milling the main drive system, X, Y, Z to the feed system NC transformation, and to increase the CNC servo devices and systems. The main drive system, I choose FANUC

5、AC motor drive through the belt drive spindle. The feed system, I replaced the original sliding screw ball screws, to improve accuracy and efficiency, and the original manual control, into the motor control. Converter to achieve through the main transmission and feed the CVT. SCM through the design

6、of a control system. Key words: NC transformation, ball screw, Servo System 目 录 第1章 数控机床的概述1 1.1 数控机床11.1.1 数控机床的概念11.1.2 数控机床的产生及发展简史11.1.3 数控机床的特点31.1.4 数控机床的组成41.1.5 数控机床的分类6 1.2 机床数控化改造10 1.3 机床数控化改造的意义10 1.4 机床数控化改造的必要性和迫切性11第2章 铣床机械结构的改造设计13 2.1 概述132.1.1 数控铣床机械结构的主要特点132.1.2 数控铣床对机械结构的基本要求14

7、2.2 数控化改造铣床的总体布局15 2.2.1 XA5032型立式升降台铣床的布局及简介162.2.2 立式数控改造铣床的布局型式及简介17 2.3 数控化改造铣床的主传动系统192.3.1 主传动系统的基本要求和变速方式192.3.2 XA5032型铣床数控化改造主轴系统的设计202.3.3 XA5032型铣床数控化改造主轴系统技术设计21 2.4 数控化改造铣床的进给传动系统292.4.1 数控铣床对进给传动系统基本要求292.4.2 数控铣床的进给传动系统的基本型式30 2.4.3 数控改造铣床进给系统的型式及介绍332.4.4 数控改造铣床进给传动系统的计算设计34第3章 普通铣床的

8、电气改造部分45 3.1 计算机数控装置45 3.1.1 CNC系统的组成45 3.1.2 CNC装置的主要功能和特点48 3.1.3 CNC装置的硬件结构52 3.1.4 CNC装置的软件结构57 3.2 数控改造铣床的数控系统设计643.2.1 8031应用系统653.2.2 8031的数据存储器的扩展653.2.3 8031输入/输出口的扩展663.2.4 数字显示器及键盘的接口电路66 3.3 数控改造的伺服系统683.3.1 对数控伺服系统的要求683.3.2 伺服系统的分类693.3.3 数控改造伺服系统的驱动元件713.3.4 数控改造伺服系统驱动元件的连接电路82结论 84参考

9、文献85翻译部分87致谢95 第一章 数控机床的概述 1.1 数控机床1.1.1 数控机床的概念 数控机床是装备了数控系统的机床，既包括NC机床，也包括CNC机床。数字控制机床（Numerical Controlled Machine Tool），简称NC机床。数控系统是一种控制系统，它能控制机床的运动和加工过程。计算机数控机床（Computerized Numerecal Controlled Machine Tool），简称CNC机床，是利用具有专门存储程序的计算机来实现对机床的全部或部分控制功能。工作原理是：将数控加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制主运动的变速、起停、进给运动的方向

10、、速度和位移大小，以及诸如刀具的选择、交换、工件夹紧，松开和冷却的起、停等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格按数控程序的要求进行工作。 1.1.2 数控机床的产生及发展简史 1. 数控机床的产生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，单件与小批量产品占到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。特别是一些由曲线、曲面轮廓组成

11、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件、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。2. 数控机床的发展简史1964年诞生了世界上第一台电子计算机。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 第一阶段：数控（NC）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（HARDWIREDNC）,简称为数控（NC

12、）。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代电子管时代；1959年的第二代晶体管时代；1965年的第三代小规模集成电路时代。 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（CNC）阶段。到1971年，美国INTEL公司第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称为微处理器（MICROPRPCESSOR）,又称为中央处理单元（简称CPU）. 到1974年，微处理器被应用于微控系统。到了1990年，PC的性能已发展到较高的水平，从8位、16位，发展到32

13、位，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控的发展也经历了三代。即1970的第四代小型计算机；1974的第五代微处理器和1990年的第六代基于PC（国外称为PCBASED）。必须指出，数控系统发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。因此，数控技术经过了近30年的发展才走向普及应用。1.1.3数控机床的特点数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：1） 能适应不同零件的自动加工。数控机床是按照被加工零件的数控程序来进行加的，当改变加工零件是，只要改变数控程序，不

14、必用凸轮、靠模、样板或钻镗模等专用工艺装备。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的更新换代。2） 工序集中。数控机床在结构和功能设计是，就充分考虑了工序集中，使机床在粗加工是有足够的刚度，在精加工是又有可靠的精度。因此，一次装夹可实现粗加工到精加工的不同工序，减少了机床，夹具的数量，也减少了因重新装夹的误差，同时能够缩短等待和装夹等辅助时间。3） 生产效率和加工精度高、加工质量稳定。在数控机床上，可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工是。还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，是辅助时间打为缩短，而且无需工序间的检测与测量。所以，比普通机床的生产率高34倍，甚至更高。同时，由于数

15、控机床的精度较高，可以利用软件进行精度校正和补偿，有因为它是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差。因此，不但加工精度高，而且质量稳定。4） 能完成复杂型面的加工。数控机床几乎可以实现任何轨迹的运动和任何形状的空间曲面的加工，如用普通机床难以加工的螺旋桨、汽轮机的叶片等空间曲面，采用数控机床则能较好地完成这些曲面的加工。能实现复杂型面加工是数控机床较突出的优点。5） 减轻工人的劳动强度。由于数控机床实现自动化或半自动化加工，许多辅助动作均由机床完成，因此工人的劳动量减少。1.1.1.4 数控机床的组成如图1.1所示，数控机床由一下几个部分组成。1、程序编制及程序载体 数控程序是数控机床自

16、动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工顺序；主运动的起、停、换向、变速；进给运动的速度、位移大小等工艺参数，以及辅助装置的动作。得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。2、输入装置 输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码

17、传递并存入数控系统内。根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。 零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工（数控系统内存较小时），另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从內部存储器中逐段逐段调出进行加工。3、数控装置数控装置是数控机床的核心。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令

18、，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。 零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求，因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动的各执行元件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。4、辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机

19、械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作5、驱动装置和位置检测装置 驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。 位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈

20、系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。6.机床的机械部件数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。 1.1.5 数控机床的分类按照不同

21、的分类方式，数控机床有不同的类型。目前，数控机床品种齐全，规格繁多。为了研究数控机床，可以从不同的角度和按照多种原则来进行分类。1、按控制运动轨迹分类 （1）点位控制数控机床 点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。 这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。 （2）直线控制机床直线控制数控机床可控制

22、刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。 直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。 数控镗铣，加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。 （3）轮廓控制的数控机床轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的

23、平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。 常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。 现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。2、按驱动装置的特点分类 （1） 开环控制数控机床 这类

24、控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。 开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精

25、度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。 （2） 闭环控制数控机床 闭环控制数控机床是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。图1-3所示的为闭环控制数控机床的系统框图。图中A为速度传感器、C为直线位移传感器。当位移指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动，则

26、没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值相比较，用比较后得到的差值进行位置控制，直至差值为零时为止。这类控制的数控机床，因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。 闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。 （3） 半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。通过测速元件A和光电编码盘B可间接检

27、测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床。 半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。3.按工艺用途分类 （1） 金属切削类数控机床 与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。 在普通数控机床加装一个

28、刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。 （2） 金属成型类数控机床常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。 近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如

29、数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。（3） 特种加工类数控机床 除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。4.按照功能水平分类按照功能水平可以把数控机床分为高、中、低（经济型）档三类。该种分法没有一个确切的定义，但可以给人们一个清晰的一般水平的概念。数控机床水平的高低由主要技术参数、功能指标和关键部件的功能水平来决定。以下几个方面可作为数控机床档次的参考条件。（1） 分辨率和进给速度 分辨率为10m，进给速度为815m/min属低档；分辨率为1m，进给速度为1524m/min；分辨

30、率为0.1m，进给速度为15100m/min属高档。（2） 多坐标联动功能 低档数控机床最多联动轴数23轴，中、高档则为35轴之上。（3） 显示功能 低档数控机床一般只有简单的数码管或简单的阴极射线管CRT(Cathode Ray Tube) 字符显示。中档数控机床有较齐全的CRT显示，不仅有字符，而且还有图形，人机对话、自诊断等功能。高档数控机床还有三维动态图形显示。（4） 通信功能 低档数控机床无通信功能，中档数控机床有直接数控（也称群控）DNC（Direct Numerical Control）或RS232接口。高档数控机床有制造自动化协议MAP等高性能通信接口，具有联网功能。（5）主微

31、处理单元CPU 低档数控机床一般采用8位CPU，中、高档数控机床已经由16位CPU发展到32位、64位CPU，并使用具有精简指令集的RISC处理单元。 此外，进给伺服水平以及可编程序控制器（PLC）的功能也是衡量数控机床档次的标准。经济型数控机床是相对于标准数控机床而言的，不同时期，不同国家含义是不一样的。经济型数控机床是根据机床的实际使用要求，合理地简化系统功能、降低成本的产物。区别于经济型数控机床的是把功能比较齐全的数控机床称为全功能数控机床，或才称为标准型数控机床。1.2 机床数控化改造 机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加

32、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的，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。1.3 机床数控化改造的意义 众所周知，制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量。加入WTO之后，我国制造业正面临极大的考验和挑战。我国制造业水平与发达国家相比，总体水平偏低，这直接影响到我国工业产品质量的提高和制造成本的降低，影响到我国工业产品的国际市场竞争力。为改变这种落后状况

33、，必须提高制造业的装备水平，特别是机床的数控化率。购置数控机床是提高机床数控化率的途径；对旧机床进行数控化改造，也是提高机床数控化率的重要途径之一。 我国机电行业（包括机械、电子、汽车、航空、航天、轻工、纺织、冶金、煤炭、邮电、船舶等）拥有的机床结构比较陈旧，操作系统复杂，控制系统落后，生产效率低下，如果靠购置新的数控机床取而代之，显然耗资巨大，不符合国情。因此，采用数控技术对现有机床进行改造，符合国家的产业政策。另外，从市场容量来讲，不管是汽车制造业、模具制造业，还是军工企业，机床数控化改造都蕴藏着无限商机。 近年来，美国、日本、德国、英国、等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对

34、普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。在美国，机床改造业被称为机床再生业；在日本，机床改造业被称为机床改装业。机床改造业正逐步从机床制造业中分化处理，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。1.4 机床数控化改造的必要性和迫切性 从宏观上看，在20世纪70年代末、80年代初，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技术改造。除在制造过程中采用数控机床，FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造，在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等，以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能

35、等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军用品和民用品的市场上竞争了大为增强。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。如在我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达20.8%。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。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和迫切性。 从微观上看，数控机床本身是高科技产品，它比传统机床有很多突出的优越性，这些优越性的发挥，是数控机床的性能有了质的提高，打了推动了制造也的发展。传统机床经过改造后，得到了近似于数控机床的性能

36、，也意味着我国制造业整体水平的提高。第二章 铣床机械结构的改造设计2.1 概述 根据我国国情，八十年代在普通机床的改造方面，出现了以经济型数控系统改造普通机床，尤其是普车、普铣数控化改造的热潮，并逐步形成了经济型数控产业。“八五”后期和“九五”，国家把旧设备的改造列入企业技术进步，工艺更新的一个重要途径，很多工厂把普通机床的数控化改造列入企业的发展计划，作为企业适应市场经济、提高产品市场占有率的一项措施。普通铣床的经济型数控化改造，除了选择可靠性高、性能稳定的数控系统外，对铣床自身的改造也是一个很重要的环节。普通铣床经济型数控化改造包括两个方面，即机床电气的数控化改造和机床本体的数控化改造。

37、2.1.1 数控铣床机械结构的主要特点数控铣床作为一种高速、高效和高精度的自动化加工设备，由于其控制系统功能强大，使机床的性能得到大大提高。部分机械日趋简化，新的结构，功能不仅不断涌现，使得其机械结构和传统的机床相比，有了明显的改进和变化，主要体现在以下几个方面：1. 结构简单、操作方便、自动化程度高数控铣床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度，主轴转速、刀具运动轨迹以及其它机床辅助机能（如：自动换刀、自动冷却等）的控制。它必须利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速，因此在机械结构上，数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般都非常简单；齿轮、轴类零件、

38、轴承的数量大为减少；电动机可以直接联接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮。在使用直线电动机、电主轴的场合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作结构比普通机床要简单得多，许多机床甚至没有手动机械操作机构。此外，由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助机能，因此，常用的操作按钮也较普通机床少，操作更方便、更简单。2. 广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品数控铣床进行的是高速、高精度加工，在简化机械结构的同时，对于机械结构传动装置和元件在数控铣床上得到广泛的应用。如滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导轨、直线滚动导轨等高效执行部件，不仅

39、可以减少进给系统的摩擦阻力，提高传动效率，而且还可以使运动平稳并获得较高的定位精度。近年来，随着新材料、新工艺的普及、应用、高速加工已经成为目前数控铣床的发展方向之一。快进速度达到了每分钟数十米，甚至上百米。主轴转速达到了每分钟上万转，甚至十几万转，采用电主轴、直线电动机、直线滚动导轨新产品，新技术势在必行。3. 具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件“工艺复合化”和“功能集成化”是无人化，柔性化加工的基本要求，也是数控机床的最显著的特点和当前的发展方向。因此，自动换刀装置、动力刀架、自动排屑装置、自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少的，有的机床还带有自动工作台交换装置（APC）。 “功能集成化

40、”是当前数控铣床的另一重要发展方向，随着数控铣床向无人化、柔性化加工发展，功能集成化更多体现在工件的自动装卸、自动定位；刀具的自动对刀、破损检测、寿命管理；工件的自动测量与自动补偿等功能上。4. 对机械结构、零部件的要求高 高速、高效、高精度的加工要求，无人化的管理以及工艺复合化、功能集成化一方面可以大大提高生产率，同时，也必然会使机床的开机时间、工作负载随之增加，机床必须在高负载下，长时间可靠工作。因此，对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很高。 2.1.2 数控铣床对机械结构的基本要求1. 具有较高的静、动刚度和良好的抗振性 铣床的刚度反映了机床结构抵抗变形的能力。铣床变形所产生的

41、误差，通常很难通过调整和补偿的办法予以解决。为了满足数控铣床高效，高精度、高可靠性以及自动化的要求、与普通铣床相比，数控铣床应具有更高的静刚度。此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗振性，避免切削是的共振和颤振，而提高结构的动刚度是提高机床抗振性的基本途径。2. 具有良好的热稳定性 铣床的热变形是影响铣床加工精度的主要因素之一。由于数控铣床的主轴转速、快进速度都远远高于普通铣床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承和导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑影响，使得数控机床的热变形影响比普通铣床要严重的多，虽然在先进的数控系统中具有热变形补偿功能，但是它

42、并不能完成消除热变形对于加工精度的影响。因此，在数控铣床上还应采取必要的措施，尽可能减少机床的热变形。3. 具有较高的运动精度与良好的低速稳定性 利用伺服系统代替普通铣床的进给系统是数控铣床的主要特点。伺服系统的最小移动量（脉冲当量），一般只有0.001mm，甚至更小，最低进给速度，一般只有1mm/min，甚至更低，这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能低速稳定性，才能对数控系统的位置指令作出准确的响应，从而得到要求的定位精度。 传动装置的间隙直接影响铣床的定位精度，虽然在数控中可以通过采取间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除，特别是对于非均匀间隙，必须采用机械消除

43、间隙措施，问题才能得到较好地解决。4. 具有良好的操作、安全防护性能 方便、舒适的操作性能，是操作者普遍关心的问题。在大部分数控铣床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整等还需要操作者完成；机床的维修更不可能离开人。而且由于加工效率的提高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁。因此，良好的操作性能是数控机床设计时必须考虑的问题。 数控铣床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互锁、安全防护性能等要求比普通铣床要高的多。同时，数控铣床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑，冷却液的飞溅，数控铣床通常都应采用封闭或半封闭的防护形式，增加防护性能。2.2 数控化

44、改造铣床的总体布局选择机床的总体布局是铣床设计的重要步骤，它直接影响到机床的结构和性能，合理选择机床布局，不但可以满足铣床数控化的要求，而且能使机械结构更简单、合理、经济。2.2.1 XA5032型立式升降台铣床的布局及简介XA5032立式升降台铣床是一种使用范围很广的机床，它适应与用各种棒状、铣刀、角度铣刀及铣切平面、斜面、沟槽、齿轮等。该铣床上装置分度头是，可以铣切直齿齿轮和铰刀等零件，分度由手动来完成，如果在装上分度头的同时，把分度头的传动轴与工作台的纵向丝杠用挂轮架联系起来，尚能铣切螺旋面。该铣床还可以装上园工作台，用以铣切凸轮及弧形槽。该铣床适应与各种机械加工工业，从小规模的机械修理站到大量生产的部门的都可以使用。XA5032型立式升降台铣床具有下列性能：1. 机床结构本身具有足够的刚性，能承受重负荷的切削工作。2. 机床有足够的功率和很广的变速范围，能充分发挥刀具的效能，并能使用硬质合金刀具进行高速切削。3. 在机床的前面和左面，个有一套功能相同的电钮和操作手柄（即复式操纵装置），使工作者能选择最方便的位置进行工作。4. 机床操作方便简单。主轴的起动、停止和快速行程的开动，都有明显的按钮；