正 文
1.总体设计方案的设计
1.1原来的X6132普通升降台铣床的用途
原X6132卧式万能升降台铣床是属于通用机床，主要适用于加工单件、小批量生产和工具修理部门，也可以用于成批生产部门。可利用各种圆柱铣刀、圆片铣刀、成型铣刀和端面铣刀等，铣削各种平面、斜面、成型表面、沟槽及齿轮等。还可以利用分度头，可以加工各种螺旋槽。外观如图1-1。对于它的数控化改造用于扩大加工范围，提高加工精度，提高工作效率，满足生产急需是非常必要的，从经济角度上也是可行的。 图1-1 X6132普通升降台铣床外观图
1.2总体设计任务
将原来的X6132要改造成加工精度高、定位准确、可靠，扩大其加工范围，提高加工效率，各性能参数有所提高，使其可以铣削圆弧面与斜面等形状复杂的高精度零件(如凸轮轴)。
1.3总体设计方案
经济型数控铣床的改造，为了保证被改造后的性能不低于原铣床，选X、Z坐标快进速度不低于2.4m/min，水平拖动力按15KN计算，则所需的功率为：
2.4 P=FV=15?=0.6Kw
60如果采用步进电机作为伺服驱动元件，步进电机达不到此功率要求。
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例如：200BF001反应式步进电机，最大静转矩为16.8N?M，最高运行频率为11000step/s，步距角为1/6°，若取最高工作频率下的工作扭矩为静扭矩的1/4，则高速小的功率为：
1?PH??16.8?11000??133.4W?0.1334KW
46?180因此，如果选用步进电机，必须相应地降低机床的某些性能，主要是快速性。另一方面由于步进电机在低速工作时有明显的冲动，易自激振荡，而且激振频率很可能落入铣削加工所用的进给速度范围内，着对加工极为不利，造成工件超差。此外，由于步进电机没有过载能力，高速时扭矩下降很多，容易丢失，大功率步进的驱动较困难等，选用步进电机驱动是不合适的。
若采用直流或交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难得多，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙，干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于所改造数控铣床工件的加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。
若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制,其性能介于开环和闭环之间.由于调速范围宽,过载能力强,有采用反馈控制因此性能远优于步进电机的开环控制;反馈环节不包括大部分机械传动元件,调试比闭环简单,系统的稳定性较易保证,所以比闭环容易实现.但是采用半闭环控制,调试比开环控制的步进电机要困难些,设计上也有自身的特点.在直流和交流伺服电机之间进行比较时,交流调试逐渐扩大了其使用范围,似乎有取代直流伺服的趋势.但是交流伺服的控制结构复杂,技术难度高,普及不广,而且价格高.直流伺服电机原理接近于直流电机,控制系统技术比较成熟,普及广。
用直流伺服电动机的半闭环伺服系统的组成如图1-2。数控装置NC发出的位置指令在位置控制器内与位置反馈信号比较，然后转换成位置误差的模拟电压。这个电压是速度指令电压。速度指令电压与速度反馈电压在速度控制器内比较和放大后转换成速度控制电压并输给伺服电动机，使电机得到一定的转速。直流伺服电动机的基本性能是：转速决定于输入电压，电流决定于负载力矩。因此，输入直流伺服电动机的，必须是速度模拟电压。速度环的作用在于把位置误差模拟电压变成一个比较稳定的速度模拟电压。速度反馈的作用在于使转速稳定。位置控制则用以检查伺服电动机的转角是否符合位置指令的要求。
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图1-2 半闭环伺服系统的组成
图1-3是直流伺服电动机的半闭环伺服系统原理。数控装置来的位置指令D0与位置反馈系统检测出的实际位置检测值Da在位置偏差监测器1中比较。其差值为位置偏差值ΔD。ΔD经位置控制放大器2放大后成为速度指令值v0。D0、Da、ΔD、v0都是数字量。v0经数/模(D/A)转换器3成为模拟电压Uc。位置偏差越大，则要求伺服电动机的转速越高，这时的Uc也越大。因此，Uc是速度指令电压。Uc于速度反馈电压Ug在速度偏差监测器4内比较，其差值为速度偏差电压Ua。设置速度反馈的目的是稳定电动机的转速。由于伺服电动机的转速还受负载的影响，当负载发生变化（如切深发生变化）时，电动机转速将发生变化。加上速度反馈后转速可以比较稳定。速度偏差电压Ua经速度控制放大器5放大后，成为速度控制电压Um。这个电压加在伺服电机6上，使它得到角速度θm。与伺服电动机相联系的有速度反馈装置7和位置反馈装置8。速度反馈装置发出与伺服电动机转速成正比的速度反馈电压Ug，与速度指令电压Uc相比较。位置反馈装置8发出与伺服电动机的转角成正比的实际位置检测值Da，与位置指令值D0相比较。
图1-3 半闭环伺服系统原理
控制部分的设计要能控制三个坐标轴的运动,根据加工要求,至少要控制两轴联动完成圆弧插补,为了在加工中使用不同尺寸的刀具,数控装置应具有刀具的半径和长度的补偿功能,以便数控加工按轮廓编程程序而能适应刀具尺寸的变化。
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综上所述，铣床数控改造方案确定为：
直流伺服半闭环控制，采用三坐标2.5轴联动数控装置，整个改造方案如图1-4
12111098765432数控装置1 图1-4 总体改造方案示意图
1、3、4---伞齿轮 2、7、10---直流伺服电机 5、8、11—滚珠丝杠 6、9、12---滚珠丝杠螺母
1.4、主传动系统的改造
1.4.1电气部分的改造
一般中小型机床的主传动采用普通交流电机拖动，大型机床多用直流电机拖动。直流电机拖动可以实现无级平滑调整，变速范围宽，主轴箱体结构简单，振动和噪音较小，加工工件精度较高，不需要改造；如果自动化程度要求较高，经常要求变速并且变速特征较好的场合，可用交流异步电动机的变频系统，增加一个变频器，实现主轴的自动无级变速。
1.4.2机械部分的数控化改造
主传动的改造主要是主轴支承或工作台导轨的改造。普通机床的主轴支承多为滚动轴承或滑动轴承。为了提高工作台的承载能力和精度，消除低速爬行现象，可将传统的动压导轨改为先进的恒流静压导轨。
1.5给传动系统的改造
1.5.1改造设计要求
进给伺服系统的改造式这次改造设计的重点，因此它改造后的性能的好坏将直接影响到整个系统性能的好坏。也因此对进给伺服系统提出了改造设计要求： （1） 高精度
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由于伺服系统控制数控机床的速度和位移输出，为保证加工质量，要求它有足够的定位精度和重复定位精度。一般要求定位精度为0.001～0.01mm，速度控制要求较高的调节精度和较强的抗负载抗干扰能力，以保证动静态精度都较高。 （2） 快速响应，无超调
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。它主要要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。 （3） 调速范围宽
由于工件材料、刀具以及加工要求不同，要保证数控机床在任何情况下都能达到最佳切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围。这样既能满足高速加工要求，又能满足底速加工要求。在低速切削时，还要伺服系统能输出较大功率的转矩。
（4） 系统可靠性好
数控机床的使用率很高，常常是24小时连续加工不停机，因而要求系统稳定，其工作可靠。其平均无故障时间越长，系统性能越好。 1.5.2进给传动系统的改造方案
（1）电气部分的改造
进给传动是按数控系统的指令，经放大后使刀具精确定位或按规定的轨迹运动（如直线、圆弧等），加工出符合要求的工件。因此要求进给传动具有较高的定位精度和垂直定位精度，响应快、调整范围宽、输出功率大。一般中小型机床的数控化改造多用微机控制的开环步进电机驱动，这种方式简单、经济、安装调试方便，但是控制精度和速度较低。大型机床多用直流电机半闭环控制方式，控制精度和速度比开环控制方式高，但是价格较高，维修较困难。
（2）机械部分的数控化改造
进给系统的改造主要是提高移动部件的灵活性，减少或消除传动间隙，通常是改造导轨副、进给箱和移动元件。
导轨副的改造方法有两种：一是把滑动导轨改为滚动导轨或静压导轨，用以消除传动间歇、提高定位精度，但工艺复杂，改造费用大，实现起来比较困难。二是在进给移动部件在粘接聚四氟乙烯软带，改造为粘塑导轨副。
进给箱的改造主要是减少进给箱内的齿轮对数（往往是取消进给箱或仅是一级减速进给箱），并增有消除或减少间隙的装置（如双片齿轮结构）。
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