X62W铣床的数控化改造

　　把X62W铣床改造成数控铣床，主要改造的部位是：在主电动机端面加一电磁离合器，以便用指令控制主轴停转：把工作台的纵横向进给运动改造成用步进电动机来控制。垂直进给运动仍采用机动和手动方式。下面主要介绍横向进给系统的改造和数控系统的硬件设计。

　　1 横向进给系统设计

　　在横向进给系统的改造中，拆掉了原机床的丝杠螺母机构，更换上用步进电动机和一对齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。

　　1. 工作台重量的估算

　　纵向工作台约重100kg，床鞍和回转盘约重200kg，总重量G=100+200=300kg。

　　2. 切削力计算

　　切削功率为

　　Nc=NhK (1)

　　式中：N——主电动机功率，7.5kW
　　h——主传动系统总效率，一般为0. 6～0. 7，取0.6
　　K——进给系统功率系数，取0.96

　　根据式(1)可得：Nc=4.32kW。又因为Nc=FzV/6120，则Fz=6120Nc/V，V为切削线速度，取100mm/min，所以主切削力Fz=2.59kN。通常：纵向切削分力F纵=(0.6～0.9)Fz，垂直切削分力F垂=(0.45～0.7)Fz，横向切削分力F横=(0.5～0.55)Fz。取F纵=0.6Fz=1.55kN，F垂=0.45Fz=1.165kN，F横=0.5Fz=1.295kN。

　　3. 滚珠丝杠设计

　　工作台横向进给丝杠的轴向力

　　F轴=KF横+f'(F垂+W) (2)

　　式中：K——考虑颠覆力矩影响的实验系数，K=1.1

　　F横——横向切削分力f'——导轨上的摩擦系数，f'=0.15

　　W——工作台、床鞍和回转盘重力，W≈10G=3kN

　　根据式(2)可得：F轴=2.049kN。

　　1. 强度计算

　　滚珠丝杠的转速：n=Vf/p，其中，进给速度Vf=60mm/min，滚珠丝杠的螺距p=6mm，则得：n=Vf/p=10r/min。取寿命时间T=15000h，则寿命值L1=60nT/106=9。取运转系数fw=1.2，硬度系数fH=1.1，则最大负载Q=(L)⅓1fwfHF轴=5.625kN。根据经验，选取滚珠丝杠的型号ND3506-1×2/E左，即内循环，双螺母垫片调隙式、公称直径为35mm、螺距为6mm、一圈二列、E级精度、左旋、滚珠直径为3.969mm。其额定动负荷为12.847kN>Q，其强度够用。

　　2. 效率计算

　　由于所选滚珠丝杠的螺旋升角a=3°7'，摩擦角f=10'，则滚珠丝杠的传动效率h=tga/tg(a+f)=tg3°7'/tg(3°7'+10')=0.95。

　　纵向进给系统的设计与横向进给系统的设计类似，计算从略。

　　2 步进电动机及齿轮的选用

　　1. 横向步进电动机的选取

　　1. 确定步距角取系统的脉冲当量dp=0.01mm/脉冲，选用步距角qb=0.75°

　　2. 启动力矩的计算

　　丝杠牵引力

　　Fs=F横+1.414f当W (3)

　　式中f当——当量摩擦系数，f当=0.01

　　代入式(3)得

　　Fs=1.337kN

　　设步进电动机等效负载力矩为M，负载力为F负，根据能量守恒原理，电动机所作的功与负载所作的功相等，即Mfh=F负L，则

　　M=F负L/hf (4)

　　又F负=Fs+µ(W+F1)，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移量L为一个脉冲当量0.001cm，这时电动机转过的角度f=2pqb/360°，代入式(4)得

　　M=F负L/hf=360°dp[Fs+µ(G+F1)]/2pqbh=167N·cm

　　式中：µ——机床导轨摩擦系数，取µ=0.18

　　F1——与重力方向一致，作用在移动部件上的负载力，F1=F垂=1.165kN

　　如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩Mq=M/0.3～0.5，取安全系数为0.3，Mq=556N·cm。对于工作方式为四相八拍的步进电动机，Mmax=Mq/0.707=786N·cm。

　　3. 步进电动机的最高频率

　　取横向进给速度最大为Vmax=1m/min，则步进电动机的最高频率为fmax=1000Vmax/(60×dp)=1667Hz。根据以上数据和经验，选用110BFG型步进电动机较合适，该电动机步距角为0.75°/1.5°，最大静转距为800N·cm，最高空载启动频率为1800Hz。

　　2. 齿轮设计(横向)

　　据步距角qb、滚珠丝杠螺距p、脉冲当量dp，则在步进电动机与滚珠丝杠之间所加的一对齿轮的传动比为：I=Z1/Z2=dp×360°/(qb·p)=0.8，选Z1=48，Z2=60，根据经验，齿轮模数取1.5mm。

　　3 数控系统硬件设计

　　所用数控系统是我们最近开发的BKC2-Ⅷ型数控系统，主要由主控制系统和显示系统两部分组成。主控制系统用于控制键盘的输入和输出，工作台在 X、Y方向上的超程，侧门关闭，查询，X和Y向步进电动机的相位及主轴正反转等。显示系统用于控制H716501液晶显示器。这两部分都采用了新型的单片机 GMS90C32作中央处理器，它可以与MCS-51系列单片机兼容，具有快速脉冲编程算法，采用了CMOS技术，最高工作频率可达40MHz(本设计采用18MHz)，有良好的性能价格比。

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