【正文】 位置檢測裝置及反饋系統(tǒng)，不同的是半閉環(huán)控制系統(tǒng)采用的是角位移檢測裝置，安裝在伺服電機或絲杠端部，間接測量工作臺的實際位移。： 1)采用高級型數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床。高級型數(shù)控機床機床采用全功能數(shù)控系統(tǒng)，控制功能比較齊全，屬于高檔數(shù)控系統(tǒng)。在數(shù)控系統(tǒng)中采用32位或64位微處理器，進給系統(tǒng)中采用閉環(huán)或半閉環(huán)高響應(yīng)特性的伺服驅(qū)動，可控制五個軸，能實現(xiàn)五軸五聯(lián)動以上控制，進給速度在15～100m/min之間，能顯示三維圖形，具有RA23DNC、MAP及網(wǎng)路通信功能。2)采用普及型數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床。普及型數(shù)控機床采用全功能數(shù)控系統(tǒng)，控制功能比較齊全，屬于中檔數(shù)控系統(tǒng)。通常采用16位或32位微處理器的數(shù)控系統(tǒng)，機床進給系統(tǒng)采用半閉環(huán)的交流伺服或直流伺服驅(qū)動，能實現(xiàn)四軸四聯(lián)動以下的控制，分辨率為1，進給速度在15～24m/min之間，有齊全的CRT顯示功能，能顯示字符、圖形并具有人機對話功能，具有RS232串行通信口或DNC直接數(shù)字控制通信接口。3)采用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床(經(jīng)濟型數(shù)控：在我國指由單板機、單片機和步進電動機組成數(shù)控系統(tǒng)和其它功能簡單、價格低的數(shù)控系統(tǒng))。經(jīng)濟型數(shù)控機床的控制系統(tǒng)比較簡單，通常采用以步進電機作為伺服驅(qū)動元件的開環(huán)控制系統(tǒng)，分辨率為10，進給速度在8～15m/min之間，最多能控制三個軸。 數(shù)控機床的發(fā)展隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅猛發(fā)展使得新一代數(shù)控技術(shù)水平大大提高，這促進了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也促進了現(xiàn)代制造技術(shù)水平的快速發(fā)展。在數(shù)控機床性能上數(shù)控機床正朝著高速度、高精度、高可靠性、復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、柔性化等方向發(fā)展。而現(xiàn)代制造業(yè)正在迎來一場新的技術(shù)革命，這有利的促進了數(shù)控系統(tǒng)向以下幾個方向快速發(fā)展：①數(shù)控系統(tǒng)向開放式體系結(jié)構(gòu)發(fā)展；②數(shù)控系統(tǒng)向軟數(shù)控方向發(fā)展；③數(shù)控系統(tǒng)控制性能向智能化方向發(fā)展；④數(shù)控系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展；⑤數(shù)控系統(tǒng)向高可靠性方向發(fā)展；⑥數(shù)控系統(tǒng)向復(fù)合化方向發(fā)展；⑦數(shù)控系統(tǒng)向多軸聯(lián)動化方向發(fā)展。 機床數(shù)控化改造的意義數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心，它的整體水平標志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的水平和綜合國力的強弱，具有超越其經(jīng)濟價值的戰(zhàn)略物資地位。目前我國企業(yè)機械制造整體水平和發(fā)達國家相比還有很大的差距。由于我國企業(yè)大部分數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)依賴進口，企業(yè)承受不了巨額購置費，且易受國外的控制，另外數(shù)控機械設(shè)備維修能力薄弱，進口的備件維修成本高，設(shè)備完好率低，大部分進口機床數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)崩潰，有的甚至在進口后還沒使用就已因為各方面原因不能使用等等原因。因此目前我國大部分企業(yè)機床數(shù)控化比例較低，很難滿足企業(yè)高技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)需求和生產(chǎn)效率。因此對數(shù)控機床進行新的設(shè)計改造以滿足生產(chǎn)加工需求，即提高了生產(chǎn)效率，又節(jié)約了資金，并且能縮短設(shè)備更新的時間，對企業(yè)生產(chǎn)來說，顯得極為必要。數(shù)控機床改造具有以下重要意義：(1)節(jié)省資金。機床數(shù)控改造設(shè)計同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結(jié)構(gòu)進行徹底改造升級也只需花費購置新機床60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。 (2)性能穩(wěn)定可靠。因為機床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。 (3)提高生產(chǎn)效率。機床數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比老式機床提高3至5倍生產(chǎn)效率。對復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多。并且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產(chǎn)準備周期。第2章 總體改造方案X5032銑床經(jīng)濟型數(shù)控化改造設(shè)計，在經(jīng)濟性和適用性的原則條件下，我們進行的組要設(shè)計內(nèi)容如下：進給軸機械傳動部分的設(shè)計、伺服驅(qū)動裝置選擇設(shè)計、伺服系統(tǒng)控制方案設(shè)計、主軸的機械傳動以及主軸電機的選擇、刀庫的選擇和換刀驅(qū)動裝置的選擇、潤滑冷卻系統(tǒng)及PMC控制設(shè)計、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計、各輔助裝置的確定和反饋設(shè)計、參數(shù)的設(shè)置和機床安裝調(diào)試設(shè)計等。 機械部分的改造要求有：提高傳動部件的剛度，減小傳動部件的慣量；減小傳動部件的間隙，并減小系統(tǒng)的摩擦阻力；高精度 就是說伺服系統(tǒng)的輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。穩(wěn)定性好 指系統(tǒng)在給定輸入或受外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)后，達到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)?？焖夙憫?yīng)，無超調(diào) 它是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。低速大轉(zhuǎn)矩 機床加工的特點是在低速時進行重切削。因此，要求伺服系統(tǒng)在低速時要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。調(diào)速范圍寬 指機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。在數(shù)控機床中，由于加工用刀具、被加工材質(zhì)及零件加工要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。1. 由于是將X5032銑床改造成為經(jīng)濟型的開環(huán)控制的數(shù)控銑床，機床加工的零件多屬中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流電機就能夠滿足加工要求。2. 控制系統(tǒng)設(shè)計的總體考慮：（1）確定功能指標；（2）明確硬件分工（3）重視接口設(shè)計；為避免強電干擾可采用光電耦合電路(GO102)進行光電隔離。因為8255輸出的信號功率很小，故用功率放大器對輸出的脈沖信號放大，以驅(qū)動步進電機工作。考慮到該數(shù)控系統(tǒng)是開環(huán)控制，沒有位置反饋電路，故進給系統(tǒng)盡可能的要減少中間傳動環(huán)節(jié)。本銑床的X，Y兩軸進給系統(tǒng)去掉了原來的進給系統(tǒng)的中間傳動環(huán)節(jié)，直接采用了步進電機＋一級減速齒輪＋滾珠絲桿的傳動方案。拆除原來的絲桿，增加少量的機械附件，就可安裝步進電機及滾珠絲桿螺母副,帶動工作臺移動。機構(gòu)的主要特點：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，自動化程度高；廣泛采用高效、無間隙傳動裝置和新技術(shù)、新產(chǎn)品；具有適應(yīng)無人化、柔性化加工的特殊部件；表21 銑床X5032主要技術(shù)參數(shù)主軸端面至工作臺距離(mm)45～415主軸中心線到床身垂直導(dǎo)軌的距離(mm)350主軸孔錐度7:24 ISO50主軸孔徑(mm)27主軸轉(zhuǎn)速 ()(18Steps)40～4000立銑頭最大回轉(zhuǎn)角度177。45度工作臺工作面（寬度長度）（mm）3201325工作臺行程縱向/橫向/垂向（手動/機動)(mm)600/680、 600/680 、300/350進給電機脈沖當量 mm/step主軸電機功率(kw)進給電機功率(kw)機床定位精度 mm/step機床重復(fù)定位精度 mm/step機床進給部件重量橫向4410N 縱向 2200N第3章 進給傳動系統(tǒng)的設(shè)計 進給傳動系統(tǒng)簡介 進給傳動系統(tǒng)的作用數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)常用伺服進給系統(tǒng)來工作。伺服進給系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來的指令信息，進行放大后控制執(zhí)行部件的運動，它不僅控制進給運動的速度，同時還要精確控制刀具相對于工件的移動位置和軌跡。因此，數(shù)控機床的進給系統(tǒng)，尤其是輪廓控制系統(tǒng)，必須對進給運動的位置和速度兩方面同時實現(xiàn)自動控制。數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)要滿足以下要求：進給摩擦阻力小；運動慣量??；傳動精度與定位精度高；進給調(diào)速范圍寬；能無間隙傳動；進給穩(wěn)定性好，使用壽命長；并且使用維護要方便。一個典型的數(shù)控機床半閉環(huán)控制進給系統(tǒng)，通常由位置比較、放大元件，驅(qū)動單元，機械傳動裝置等組成，其中，機械傳動裝置是位置控制環(huán)中的重要環(huán)節(jié)。機械傳動裝置是指將驅(qū)動源旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)楣ぷ髋_直線運動的整個機械傳動鏈，包括減速裝置、聯(lián)軸器、絲杠螺母副等。減速裝置采用齒輪機構(gòu)和帶輪機構(gòu)，導(dǎo)向元件采用導(dǎo)軌。進給系統(tǒng)的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，將直接影響工件的加工質(zhì)量。數(shù)控機床進給系統(tǒng)部分設(shè)計,計算內(nèi)容包括:確定系統(tǒng)的負載,確定系統(tǒng)的脈沖當量,部分部件慣量計算,空載啟動及切削刀矩計算,確定電機轉(zhuǎn)動及導(dǎo)向元件的設(shè)計,計算及選用繪制部分裝配及零件工作圖等1—雙聯(lián)齒輪 2—雙聯(lián)齒輪 3—齒輪軸 4—主軸電機 5—齒輪 6—主軸齒輪 7—主軸齒輪8—縱向滾珠絲杠 9—薄片齒輪 10—縱向步進電機 11—橫向步進電機12—薄片齒輪 13—橫向滾珠絲杠 14—垂直步進電機 15—薄片齒輪16—圓錐齒輪 17—垂直進給絲杠圖31 X5032銑床傳動示意圖 X、Y軸滾珠絲桿的選型和電機的選擇 橫向（X軸）滾珠絲桿螺母副的選型1. 絲杠副工作負荷計算及絲杠型號的選擇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。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。導(dǎo)軌采用燕尾形貼塑導(dǎo)軌。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(yù)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。圖32 滾珠絲桿螺母副縱向工作臺及夾具重量： = 2200 N（估計值）滾珠絲杠的基本導(dǎo)程： = 8mm螺紋升角：　 行程：S= 680mm（最大縱向行程）快速進給速度：取 = （經(jīng)驗值）現(xiàn)在根據(jù)最大當量動載荷計算公式：式中： ——運轉(zhuǎn)系數(shù)，取 ——精度系數(shù)，取 ——絲杠所受軸向載荷（）， ——壽命值，可據(jù)公式 ——為絲杠平均轉(zhuǎn)速（r / min）= 式中：最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度 的 則： ——使用壽命時間，據(jù)查《經(jīng)濟型數(shù)控機床設(shè)計手冊》取T=15000小時L ≈從而， 現(xiàn)在以工作壽命和實際加工過程中的最大銑削力為基礎(chǔ)進行設(shè)計計算，以確保平常工作狀態(tài)下的工作安全和可靠。據(jù)171。機床設(shè)計手冊187。 及刀具相關(guān)資料有公式： ≈ 1500N 的計算用高速鋼立銑刀逆銑合金剛時,工件的切削力可查171。數(shù)控機床書187。中得:縱向進給力 （取中間值：）==1500=1650N橫向進給力 （取中間值：）= =1500=垂直進給力 （取中間值：） ==1500=375N故可知在插補平面內(nèi)的合力為:=1734N那么絲杠所受的平均工作載荷：　 所以絲杠軸向所受載荷 ＝其中為橫向分力 ==1275NMg 為縱向工作臺及夾具重量 Mg =2200N 為顛覆力矩影響系數(shù) 取 M 為當量摩擦系數(shù) M 取 那么 =1162 + (2200+1275)=1903N根據(jù)《機床設(shè)計手冊》得， 故可選絲杠型號為：（內(nèi)循環(huán)浮動返向器），的基本尺寸為：公稱直徑： =50mm， 螺距：=8mm 剛球直徑： =5mm， 螺紋升角，=絲杠外徑，d = (～)= 螺紋底徑，=30mm其動載荷 =25000= 故選擇符合要求，絲杠可用。根據(jù)《機械設(shè)計原理》滾珠絲杠的傳動效率η的計算公式為：式中： 絲杠的螺旋升角，由以上參數(shù)表知，= 摩擦角，滾珠絲杠副的摩擦角θ≈10′則可得： =97%滾珠絲杠受工作負荷引起的導(dǎo)程的變化量： /EF其中：彈性模量對于鋼為：E=21ⅹ滾珠絲杠橫截面積：F（）而： 則： 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略，故 ；故導(dǎo)程的變形誤差為： 查表得E級精度絲杠所允許的螺紋無廠誤差（1m長）為，故剛度足夠。6. 穩(wěn)定性的驗算由于縱向（X軸）的滾珠絲杠兩端采用的是滾珠絲杠螺紋副固定，絲杠一般不會受壓，又由于機床的原普通絲杠的直徑大于滾珠絲杠的直徑，故穩(wěn)定性一定能滿足要求。由計算得已知絲杠平均工作轉(zhuǎn)速為： 因此，必須進行臨界轉(zhuǎn)速的驗算，即：其中式中符號表示： 絲杠的最大轉(zhuǎn)速： 絲杠支承方式系數(shù)?。ㄒ驗闆]有受壓） =9910 = =5 = 34mm絲杠的長度 = 工作最大行程 + 螺母長度 + 兩端余量（取40mm），螺母長度由《機床零部件設(shè)計》上可查得： = 680 + （131 + 40） 2 = 680 + 342 = 1022mm支撐跨距 應(yīng)略大于 取 = 1100臨界轉(zhuǎn)速計算長度 = 680 + 131 + 40 + = 811 + 40 + 39 = 890mm可見滿足： 所以滿足穩(wěn)定性的要求，故可選絲杠型號為：（內(nèi)循環(huán)浮動返向器），絲桿支撐部件選用角接觸滾子軸承，與絲桿之間采用過盈配合。 X軸縱向步進電機選擇計算、絲杠以及齒輪折算到電機軸上的慣量 根據(jù)《機電一體化基礎(chǔ)》所提供的計算公式： 式中：——折算到電機軸的慣量；——小、大齒輪的慣量；——絲杠慣量；——橫向工作臺及夾具重量,；——絲杠螺距，；齒輪及絲杠轉(zhuǎn)動慣量的計算：由于有些傳動件（如齒輪、絲杠等）的轉(zhuǎn)動慣量不易精確計算，可將其等效成圓柱體來近似計算。圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量可依據(jù)公式：式中：——材料密度,對鋼?。弧獔A柱體直徑.(對于齒輪、絲杠等就是其等效直徑)；——圓柱體長度,(對于齒輪、絲杠等就是其等效齒寬或長度)則： 則可算得：≈初選的步進電機110BF004的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量：=轉(zhuǎn)動系統(tǒng)與步進電機的慣量匹配條件： 而：所以慣量是匹配的。計算快速空載起動時所需力矩 依據(jù)公式： 式中：——快速空載起動力矩；——空載起動時折算到電機軸上最大加速力矩；——折