工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控铣床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的铣床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控铣床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控铣床是以数字化的信息实现铣床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，铣床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制铣床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。

数控铣床与普通铣床相比，其主要有以下的优点：

(1) 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控铣床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。

(2) 加工精度高，具有稳定的加工质量；

(3) 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；

(4) 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；

(5)铣床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产效率高（一般为普通铣床的3~5倍）；

(6) 铣床自动化程度高，可以减轻劳动强度改善劳动条件；

(7) 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。数控铣床一般由下列几个部分组成：

(8) 主机，他是数控铣床的主题，包括铣床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。

(9) 数控装置，是数控铣床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

(10) 驱动装置，他是数控铣床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

(11)辅助装置，指数控铣床的一些必要的配套部件，用以保证数控铣床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

- 5 -

(12) 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

还具有良好的经济效益；有利于生产管理的现代化；数控改造费用低；机械性能稳定可靠，结构受限；可充分利用现有的条件；可以采用最新的控制技术；交货期短，可满足生产急需等优点。

数控铣床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机铣床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在铣床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控铣床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。

我国是一个铣床大国，有三百多万台普通铣床。但铣床的素质差，性能落后，单台铣床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。 旧铣床的数控化改造，顾名思义就是在普通铣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。

随着数控铣床越来越多的普及应用，数控铣床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，铣床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控铣床一面利用数控、数显、PC技术改造普通铣床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，铣床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控铣床，而我国的旧铣床很多，用经济型数控系统改造普通铣床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高铣床的自动化程度，比较符合我国的国情。

从上世纪，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧铣床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，铣床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，对我们本科毕业设计进行设备改造具有典型性和实用性。

2．X6132普通铣床数控改造总体方案的设计

2.1设备改造后的要求

对X6132普通铣床在我国机械制造业中得到广泛的应用, 它的床身上最大工件回转直径400mm, 最大工件长度 750 mm,主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工,数控化改造后应具备如下的工作性能 ：

( 1) 实现齿轮正反转和齿轮变速。

( 2) 刀架能实现纵向和横向的进给运动, 可自动改变刀位, 完成刀具的选择。 ( 3) 冷却泵、润滑泵的启停。 ( 4) 刀具回参考原点的对刀方式。

( 5 ) 在 x, z 轴正、反向极限位置具有硬件限位保护。 ( 6) 加工过程中的故障显示并报警。

( 7) 加工螺纹时保证主轴转一圈, 刀架移动一个螺距。

- 6 -

对X6132普通铣床进行数控化改造的铣床能进行生产加工，其加工质量和精度（误差δ≤0.03mm）达到或改造前铣床出厂时的水平，接近同档次数控铣床的水平，数控改造的铣床其生产效率、安全性超过改造前普通铣床出厂是的水平。

因此, 对普通铣床X6132数控化的改造, 在确定总体改造方案的前提下, 对现有的机械、电气部分结构进行重新设计, 并选用性能可靠、价格合理的零配件。

2.2.数控铣床改造的总方案设计

2.2.1项目调研

通过到学校实训基地参观各类数控铣床结构和市场数控铣床配件调研，走访相关老师、以及网上访问、网上查资料等形式，基本搞清楚了用普通铣床改为数控铣床的基本结构、大体技术规范、数控系统与相关配件及零件等种类、型号、性能及大体价格，为方案初步设计及预算创造了条件，并为以后项目实施作技术准备。

2.2.2主要配置

该方案采用德国的西门子802D数控系统，主轴电机为7KW步进电机，LF2000-G5-5R5T3变频器（国产技术），主轴传动直接实现无级变速；纵向、横向采用伺服电动机+弹性联轴器+滚珠丝杠副的传动方式，可实现自动换刀控制，带螺纹加工方式，整机采用半防护设计，外形美观大方、操作方便。

2.2.3技术改造要点

铣床甩掉现有的进给箱、溜板箱、刀架等，只保留床身导轨、主轴箱、溜板、尾座等，从新设计制造进给传动系统和改进主轴箱。

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和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，比开环系统的精度要好。

2.2.4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，一般企业无法加工；两丝杠的支撑、连接技术与安装调整工艺要求较高；两伺服电机支撑、连接技术要求较高。

根据X6132普通铣床改造的分析，铣床改造后的性能和精度及成本等指标，采用西门子802D的数控系统，并配伺服驱动单元与滚珠丝杠螺母副对X6132铣床的X、Z两轴进行改造；保留原有的床身、导轨尾座、润滑、冷却系统；改造的两轴在机械上采用了滚珠丝杠直联传动机构；刀架采用四工位电动刀架；导轨进行贴膜处理；铣床防护罩采用半闭式；滚珠丝杠和滑板润滑采用手动泵注入。

2.2.5总体方案设计

根据以上分析，整个改造工作包括机械部分的改造设计、电控部分的改造设计、机械零

- 7 -

部件加工、铣床大修及整机的安装和调试等，铣床改造总体方案设计如下图所示，

X6132普通铣床数控化改造总方案示意图

2.3.6.控制方案设计

X6132普通铣床数控化改造的数控系统及控制方案如图下图所示

X6132普通铣床数控化改造数控装置数控方案

- 8 -

3、机械传动部分的改造与设计

普通数控改造机械部分为纵向和横向进给系统改造设计与计算、滚珠丝杠螺母副的选型、伺服电机的型号选择计算等，该部分设计的总体方案见下图所示。

3.1主电动机功率的计算

(1)切削力计算和主传动电机功率校核

由《机械工程手册》第二版“机械制造工艺设备（二）”分册可知：切削功率

pm

FcV（KW） =Pm6120式中，Fc—切削力（N）

Vc—切削速度（m/min）

主传动电机功率PE：

PE=Pm ?=0.75~0.85

?mm车削时总切削力分解为：切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp，如下图所示。

- 9 -