普通铣床X52K纵向进给传动机构设计

1 引言随着现代工业的迅猛发展，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求，数控机床已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志。

目前中国大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是普通机床，机床数控化率远低于美国、日本等国家。

如果大量添置全新的数控机床，不仅资金投入量大、成本高，而且又会造成原有设备的闲置浪费。

把普通机床改造为数控机床则不失为一条提高数控化率的有效途径。

普通机床的数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。

这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产效率高，尤其适合中国机床拥有量大、生产规模小的具体国情。

经调查显示在实际生产过程中普通铣床主要用于加工平面或成型表面。

若要在普通铣床上加工圆弧、凸轮等特殊类平面时，就要借助于圆工作台、分度头等机床附件，并对机床进行整体调整。

加工精度较低，基础调整工作费事[1]。

所以，为提高工件的加工精度，保证产品质量，便于加工圆弧面和凸轮的曲面等，可以利用数控方法对铣床进行数控化改造。

本设计是对普通铣床X52K纵向进给传动机构数控化改造的设计。

由于普通铣床X52K传动机构系统加工零件的效率较低，如若对其纵向数控化改造后不仅可以实现复杂零件的自动铣削，并且大大缩短了加工时间，提高了零件的加工精度及生产效率。

1.1 机床数控化改造的现状及发展趋势数控技术是运用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化和智能化起着举足轻重的作用。

它是当今工业产品自动化发展中处于核心地位的一种高技术。

而数控系统已成为我国机械制造工业和国民经济的重要装备，其发展直接关系到我国的多个领域[2]。

1.1.1 机床数控化改造的现状长期以来，我国的数控系统以传统的封闭式体系结构为主。

在传统的封闭式结构中，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。

加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编程。

CAD/CAM 和CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。

在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM 中的设定量，因而影响CNC 的工作效率和产品加工质量。

由此可见，传统CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行[3]。

目前我国机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。

近10年来，我国数控机床年产量为0.6~0.8万台，年产值约为18亿元，机床年产量数控化率为6%。

我国机床年龄在10年以上的占60%以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60%以上)。

大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。

用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展[4]。

因此，低成本普通机床数控化改造是一项适合中国实际情况的先进适用技术，也是一项提升中国机床数控化改造的有效途径。

然而在发达国家，运用数控技术改造机床和生产线已形成新的行业，成为新的经济增长点。

在美国，机床改造业称为机床再生业（Remanufacturing）。

从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。

且美国得宝公司已在中国开办公司。

在日本，机床改造业称为机床改装业(Retrofitting)。

从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。

1.1.2 机床数控化改造的发展趋势从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了五十多年的历程。

近10年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。

目前正朝着标准化开放体系结构的方向前进。

由分析可得目前数控系统技术发展的总体趋势为：（1）向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展。

（2）为增强通信功能、控制性能与驱动装置，向模块化、智能化、柔性化、网络化和集成化方向发展。

（3）向PC—based化和开放式体系结构方向发展。

（4）出现新一代数控加工工艺与装备，机械加工向虚拟制造的方向发展。

（5）信息技术(IT)与机床的结合，机电一体化先进机床将得到发展。

（6）纳米技术将形成新发展潮流，并将有新的突破。

（7）节能环保机床将加速发展，占领广大市场[5]。

事实上机床的数控化改造是一个跟随机床类型变化而变化的工作，同时它也跟随数控系统技术的发展而不断地进步着，且未来会更进一步与网络技术、信息技术和控制技术相结合，向网络化、集成化和智能化方向发展。

1.1.3 机床数控化改造的优越性经实践证明数控化改造后的机床的优越性具有以下几点:（1）机床数控化改造可以大大的减少资金的投入，提高零件的加工精度和生产效率。

企业可依照实际需要对机床性能、操作与维修等方面做出改进意见。

（2）机床数控化改造可以提高机床的性能和质量，加工出普通机床难以加工或者不能加工的复杂型面零件。

可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运，降低工件的定位误差。

（3）由于操作者对改造前的机床特性比较熟悉，因而在操作使用和维修方面可缩短培训时间。

数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，并可对市场需求做出快速反应。

（4）机床数控化改造后拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好地调节了机床加工状态。

还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。

（5）机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高3～7倍[6，7]。

1．2 本课题的设计内容由上面的介绍可以看出，如今对现有普通机床的数控化改造具有十分重要的意义。

本课题设计重点则是对X52K铣床纵向传动机构的数控化改造，该X52K型普通铣床主要用于加工中小型零件的平面、成型表面及具有一定斜度的平面。

经改造后与原来机床加工相比可实现其自动化铣削，且具有高精、高效及加工产品范围广等特点。

具体研究内容如下：（1）对普通铣床X52K的基本机械传动结构进行了解分析；（2）对数控机床的基本机械传动结构及电气控制系统结构进行详细分析；（3）系统的总体方案设计，研究其各个部分的设计原理，拟定设计方案；（4）系统的详细设计，对机械传动系统的设计和控制系统的设计等；（5）总结自己的设计理念及设计思路，得出本课题的设计流程。

2 系统的总体方案设计机床数控化改造改造方案的确定关系到数控改造的性能和经济性。

由于本设计是针对普通机床数控化改造，所以要考虑数控系统是使用经济型还是使用全功能高档型，是使用开环还是半闭环、全闭环。

这就要根据精度高低、经济性来考虑[8]。

2.1 具体改造方面为节省资金，且考虑加工元件的精度等要求，现决定选用经济型的数控系统为此次数控化改造的主要方案。

一般说来, 对现有的普通机床进行数控改造, 包括以下几个方面:（1）机械部分改造: 主传动系统一般不作变动,进给系统采用滚珠丝杆螺母副替换进给轴原有的普通丝杆副。

并选用液动导轨。

（2）控制系统及电机驱动电路设计: 伺服控制采用开环控制, 选用步进电机。

在机械部分改造完成后, 采用单片机作为数控系统,控制步进电机驱动工作台进给运动。

2.2 机械传动系统改造方案的确定由于主传动系统不作变动，下面针对进给传动机构的选择进行分析。

2.2.1 传动机构结构类型的选择在机械设备中，常用的传动机构主要有以下几种：（1）齿轮传动机构：齿轮机构应用在中心距较小，传动精度较高等各种不同传递动力范围的场合。

（2）螺旋传动机构：在许多机械设备中大量应用着螺旋机构（又称丝杠传动），它主要用于将回转运动转变为直线运动。

（3）带传动与链传动：带传动及链传动多用于中心距较大的传动。

（4）连杆传动机构：连杆机构结构简单、易于制造，在机械设备及日常生活中有大量应用。

（5）凸轮传动机构：凸轮机构可以精确实现要求的运动规律，在自动机械中有广泛的应用，但它是高副接触，因而这种机构重要用于传递运动[9]。

由以上分析可见，本设计此次采用的为第二种螺旋机构。

螺旋传动机构又称丝杠螺母机构。

它主要用来将旋转运动转变为直线运动或将直线运动变为旋转运动。

有以传递能量为主（如螺旋压力机、千斤顶等）、也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠）、还有调整零件之间相对位置的螺旋传动机构等。

显然本设计是以传递运动为主要目的的。

丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。

滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能。

但其摩擦阻力大、传动效率低（30%~40%）。

滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力小、传动效率高（92%~98%），因此选用滚动丝杠螺母机构。

滚珠丝杠副是在丝杠和螺母的滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。

丝杠或螺母转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置，滚珠通过此装置自动返回其入口，形成循环回路。

滚珠丝杠副的外形及构成原理如图2.1和图2.2所示。

a）双螺母型 b）单螺母型图2.1 滚珠丝杠副的外形外滚道内滚道图2.2滚珠丝杠副构成原理1—反向器 2—螺母 3—丝杠 4—滚珠滚珠丝杠副具有传动效率高、运动平稳、使用寿命长等特点，广泛应用与各种工业设备、精密仪器和数控机床等。

滚珠丝杠副由专门工厂制造，当型号计算选定后，可以外购或定制。

2.2.2 进给伺服系统的选择按照调节理论分类，进给伺服系统可分为以下几类：（1）开环控制系统如图2.3所示，这类系统的驱动元件主要是步进电机或电源脉冲马达。

系统工作时，驱动元件将数字脉冲转换成角度位移，转过的角度正比于指令脉冲的个数，转动的速度取决于指令脉冲的频率。

系统中无位置反馈，也没有位置检测元件。

开环伺服系统的结构简单，控制容易，稳定性好，但精度较低，低速有振动，高速转矩小。

一般用于轻载或负载变化不大的场合，比如经济型数控机床上。