X6132纵向垂直数控改造

寇鹏德

摘要：目前加快数控机床技术研发越来越成为机床企业的发展重点。企业纷纷采用加快技术创新，优化生产管理等方式，不断提升其加工效率和质量，有效地推动了机床制造业的健康有序发展。本文主要研究了X6132纵向垂直数控改造技术，并提出了具体的设计方案，进行了经济技术性与环保分析。

关键词：铣床 丝杠 数控改造 设计方案 伺服驱动

1 普通铣床改造的意义

随着市场竞争的日趋激烈，企业要想在激烈的竞争环境下保证竞争优势，实现可持续发展，就必须加快科技创新，优化内部管理，构建良好的产品和服务能力领先策略，不断提升其知名度和影响力。目前，普通铣床技术已无法适应小批量、多品种、高质量的生产要求。普通铣床改造已成为必然趋势。而数控铣床技术的出现则解决了这一问题，它不仅能够适应现代化生产需求，生产出高质量的机械部件，而且还能很好地满足产品变化频繁的加工要求，提升加工质量和效率。与普通铣床相比，数控铣床技术具有适应性好、灵活度高、加工精度高、加工质量稳定可靠等优势。数控铣床是在普通铣床的基础上发展起来的，它继承和发展了普通铣床的生产工艺与技术特点，并针对传统生产方式中存在的问题进行了处理和分析，极大地提高了产品品质和劳动效率。随着数控铣床的不断发展，其逐渐呈现出以下两方面发展趋势：一是全功能与高性能；二是低成本，简便耐用。经济型数控铣床的自动化加工水平较高，同时其维修与保养难度较小，符合企业的具体发展要求。同时，经济型数控铣床的系统定位精度更高，误差率小，能够满足加工的精度需要。

经过技术改造后，普通铣床的加工效率显著上升。但总体来看，其故障发生率仍居高不下。为解决这一问题，技术人员依据传统修理方案进行了修整与改造，但效果不理想。传统的修理方案不仅成本高，而且难以满足大修验收标准。因此，为提高普通铣床改造质量，保证机床的稳定性和安全性，技术人员合理选择数控系统改造普通铣床，并将微机控制技术应用至改造当中，有效地提高了产品质量和工艺水平，减轻了操作人员的工作量。

2 设计方案和基本方案的确定

2.1 设计任务

2.1.1 进给伺服系统设计计算

在进行进给伺服系统设计计算时，必须根据脉冲当量、选型计算以及滚珠丝杠螺母副设计等的要求进行，以保证其计算的准确性。

2.1.2 单片机控制系统设计

单片机控制系统的设计主要包括控制系统图的设计及绘制、直线差补程序编写、圆弧插补程序编写三个环节。

2.2 总体方案设计的内容

■

在拟定机床数控系统总体方案时，设计人员一般先拟定出几个总体方案，再通过综合对比和分析选出最优方案。

2.2.1 伺服驱动

步进电机的结构较为特殊，它主要利用电激磁绕组原理将脉冲电信号成功转化为机械位移电击执行软件。激磁绕组接收到分配脉冲信号时，会根据信息指令进行数据处理，进而引起步进电机的转子转动。其中，转子的转动角度与脉冲个数存在一定比例关系。因此，技术人员通常利用这一特性控制运动速度和位移量的方式。

步进电机具有结构简单、体积小、成本低、便于维修、位移精度好等优势，受到了企业的一致欢迎。但与此同时，它也存在着数据容易丢失、启动效率低、低频振度大等缺陷。

2.2.2 采用滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副主要包括螺母、丝杠、滚珠等零件，它们直接决定着铣床的旋转运动情况，它是在传统滑动丝杠的基础上发展起来的。滚珠丝杠螺母副具有精度高、摩擦小、运行平稳、实用性强等优势，被广泛用至数控铣床加工中。

2.2.3 数控装置

微机数控系统主要包括伺服电机驱动电路、CPU、I/O接口电路等组成。在数控系统中，微机是其控制核心，它控制着其他系统装置的运行，决定着系统的运行方式和实际功能。在数控系统中，微机的技术要求是极为严格的，其字长和速度必须满足相关要求，以保证加工精度和运算精度。本设计采用的是MCS-51单片机，并扩展2片2764芯片，1片6264芯片，3片8155可编程并行I/O等组成的控制系统。

2.2.4 系统功能

①垂直和水平方向进行进给伺服运动。

②控制行程进度。

③控制键盘操作。

④报警电路、复位电路、隔离电路等。

2.2.5 采用环形分配器

在本系统中，技术人员选用的是环形分配器，这种分配器能够更好地适应数控铣床的实际加工需求，提升加工效率。由于数控铣床的三步进电机有三个方向，因此在进行分配时，应根据其具体要求进行接口连接。

3 伺服系统机械部分设计计算

3.1 设计要求

采用MSC-51系列单片机控制系统对X5132立式铣床进行改造，通过有效调节最终将其改造成微机数控立式铣床，并通过电机开环实现对铣床的有效控制。改良后的铣床具有良好的直线和圆弧插补功能，能够更好地满足铣床加工的实际需要。

主要设计参数如下：

机动范围：320mm

加工最大长度：350mm

快进速度：纵向：2.4m/min

横向：2.4m/min

垂向：0.78m/min

切削速度：0.06m/min

定位精度：0.015mm/300mm

移动部件重量：纵向：1000kg

横向：450kg

垂向：1000kg

加速时间：30ms

机床效率：0.8

3.2 确定系统脉冲当量

经济型数控铣床的脉冲当量一般在0.01-0.005mm之间。在计算时，一般取0.01mm/脉冲。

3.3 纵向进给系统的确定

切削力的计算：

在进行切削力计算时，首先要计算出工件和刀具的进给量。在选择铣刀时，应选择高速钢材料的铣刀，并选用不对称切削的逆铣形式。

表1 纵向传动齿轮几何参数

■

3.4 横向进给系统的确定

横向丝杠的选择

计算进给牵引力Fm

导轨类型为矩形导轨

Fm=KFx+f′（FZ+2Fy+G）

=1.1×1380+0.15×（2208+3790.4+450×9.8）

=3079.26N

式中：f′——导轨上的摩擦系数0.15；

G——移动部件重量60kg。

3.5同步带及带轮的选择

传动比i=1.25，则齿数取Z=16，

查慈溪恒力同步带轮有限公司带轮得：

小轮型号为20L，节径10mm，外径260mm；

大轮型号为25L，外径400mm，

同步带型号为382L，节线长971.55mm，齿数102。

4 经济技术性与环保分析

随着我国工业化发展水平的不断提升，企业越来越重视其产品质量和经济效益，进一步优化产品设计和加工程序，并通过经济和技术分析不断提升其产品的经济性，实现利润最大化。在进行产品设计时，企业必须重视产品的经济技术性与环保分析，坚持可持续发展原则。

经过纵向垂直数控改造之后，数控铣床的加工质量与加工效率显著提升，产品精度不断提高，误差率和故障率大大降低，保障了铣床加工的稳定有序进行。

参考文献：

[1]王启义.机械制造装备设计[M].冶金工业出版社，2002：48-78.

[2]戴向国，于复生，李方义.Solidworks 2003基础教程[M].清华大学出版社，2003.

[3]张德忠.X52K铣床数控化改造[M].机械设计，2005.10.endprint

摘要：目前加快数控机床技术研发越来越成为机床企业的发展重点。企业纷纷采用加快技术创新，优化生产管理等方式，不断提升其加工效率和质量，有效地推动了机床制造业的健康有序发展。本文主要研究了X6132纵向垂直数控改造技术，并提出了具体的设计方案，进行了经济技术性与环保分析。

关键词：铣床 丝杠 数控改造 设计方案 伺服驱动

1 普通铣床改造的意义

随着市场竞争的日趋激烈，企业要想在激烈的竞争环境下保证竞争优势，实现可持续发展，就必须加快科技创新，优化内部管理，构建良好的产品和服务能力领先策略，不断提升其知名度和影响力。目前，普通铣床技术已无法适应小批量、多品种、高质量的生产要求。普通铣床改造已成为必然趋势。而数控铣床技术的出现则解决了这一问题，它不仅能够适应现代化生产需求，生产出高质量的机械部件，而且还能很好地满足产品变化频繁的加工要求，提升加工质量和效率。与普通铣床相比，数控铣床技术具有适应性好、灵活度高、加工精度高、加工质量稳定可靠等优势。数控铣床是在普通铣床的基础上发展起来的，它继承和发展了普通铣床的生产工艺与技术特点，并针对传统生产方式中存在的问题进行了处理和分析，极大地提高了产品品质和劳动效率。随着数控铣床的不断发展，其逐渐呈现出以下两方面发展趋势：一是全功能与高性能；二是低成本，简便耐用。经济型数控铣床的自动化加工水平较高，同时其维修与保养难度较小，符合企业的具体发展要求。同时，经济型数控铣床的系统定位精度更高，误差率小，能够满足加工的精度需要。

经过技术改造后，普通铣床的加工效率显著上升。但总体来看，其故障发生率仍居高不下。为解决这一问题，技术人员依据传统修理方案进行了修整与改造，但效果不理想。传统的修理方案不仅成本高，而且难以满足大修验收标准。因此，为提高普通铣床改造质量，保证机床的稳定性和安全性，技术人员合理选择数控系统改造普通铣床，并将微机控制技术应用至改造当中，有效地提高了产品质量和工艺水平，减轻了操作人员的工作量。

2 设计方案和基本方案的确定

2.1 设计任务

2.1.1 进给伺服系统设计计算

在进行进给伺服系统设计计算时，必须根据脉冲当量、选型计算以及滚珠丝杠螺母副设计等的要求进行，以保证其计算的准确性。

2.1.2 单片机控制系统设计

单片机控制系统的设计主要包括控制系统图的设计及绘制、直线差补程序编写、圆弧插补程序编写三个环节。

2.2 总体方案设计的内容

■

在拟定机床数控系统总体方案时，设计人员一般先拟定出几个总体方案，再通过综合对比和分析选出最优方案。

2.2.1 伺服驱动

步进电机的结构较为特殊，它主要利用电激磁绕组原理将脉冲电信号成功转化为机械位移电击执行软件。激磁绕组接收到分配脉冲信号时，会根据信息指令进行数据处理，进而引起步进电机的转子转动。其中，转子的转动角度与脉冲个数存在一定比例关系。因此，技术人员通常利用这一特性控制运动速度和位移量的方式。

步进电机具有结构简单、体积小、成本低、便于维修、位移精度好等优势，受到了企业的一致欢迎。但与此同时，它也存在着数据容易丢失、启动效率低、低频振度大等缺陷。

2.2.2 采用滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副主要包括螺母、丝杠、滚珠等零件，它们直接决定着铣床的旋转运动情况，它是在传统滑动丝杠的基础上发展起来的。滚珠丝杠螺母副具有精度高、摩擦小、运行平稳、实用性强等优势，被广泛用至数控铣床加工中。

2.2.3 数控装置

微机数控系统主要包括伺服电机驱动电路、CPU、I/O接口电路等组成。在数控系统中，微机是其控制核心，它控制着其他系统装置的运行，决定着系统的运行方式和实际功能。在数控系统中，微机的技术要求是极为严格的，其字长和速度必须满足相关要求，以保证加工精度和运算精度。本设计采用的是MCS-51单片机，并扩展2片2764芯片，1片6264芯片，3片8155可编程并行I/O等组成的控制系统。

2.2.4 系统功能

①垂直和水平方向进行进给伺服运动。

②控制行程进度。

③控制键盘操作。

④报警电路、复位电路、隔离电路等。

2.2.5 采用环形分配器

在本系统中，技术人员选用的是环形分配器，这种分配器能够更好地适应数控铣床的实际加工需求，提升加工效率。由于数控铣床的三步进电机有三个方向，因此在进行分配时，应根据其具体要求进行接口连接。

3 伺服系统机械部分设计计算

3.1 设计要求

采用MSC-51系列单片机控制系统对X5132立式铣床进行改造，通过有效调节最终将其改造成微机数控立式铣床，并通过电机开环实现对铣床的有效控制。改良后的铣床具有良好的直线和圆弧插补功能，能够更好地满足铣床加工的实际需要。

主要设计参数如下：

机动范围：320mm

加工最大长度：350mm

快进速度：纵向：2.4m/min

横向：2.4m/min

垂向：0.78m/min

切削速度：0.06m/min

定位精度：0.015mm/300mm

移动部件重量：纵向：1000kg

横向：450kg

垂向：1000kg

加速时间：30ms

机床效率：0.8

3.2 确定系统脉冲当量

经济型数控铣床的脉冲当量一般在0.01-0.005mm之间。在计算时，一般取0.01mm/脉冲。

3.3 纵向进给系统的确定

切削力的计算：

在进行切削力计算时，首先要计算出工件和刀具的进给量。在选择铣刀时，应选择高速钢材料的铣刀，并选用不对称切削的逆铣形式。

表1 纵向传动齿轮几何参数

■

3.4 横向进给系统的确定

横向丝杠的选择

计算进给牵引力Fm

导轨类型为矩形导轨

Fm=KFx+f′（FZ+2Fy+G）

=1.1×1380+0.15×（2208+3790.4+450×9.8）

=3079.26N

式中：f′——导轨上的摩擦系数0.15；

G——移动部件重量60kg。

3.5同步带及带轮的选择

传动比i=1.25，则齿数取Z=16，

查慈溪恒力同步带轮有限公司带轮得：

小轮型号为20L，节径10mm，外径260mm；

大轮型号为25L，外径400mm，

同步带型号为382L，节线长971.55mm，齿数102。

4 经济技术性与环保分析

随着我国工业化发展水平的不断提升，企业越来越重视其产品质量和经济效益，进一步优化产品设计和加工程序，并通过经济和技术分析不断提升其产品的经济性，实现利润最大化。在进行产品设计时，企业必须重视产品的经济技术性与环保分析，坚持可持续发展原则。

经过纵向垂直数控改造之后，数控铣床的加工质量与加工效率显著提升，产品精度不断提高，误差率和故障率大大降低，保障了铣床加工的稳定有序进行。

参考文献：

[1]王启义.机械制造装备设计[M].冶金工业出版社，2002：48-78.

[2]戴向国，于复生，李方义.Solidworks 2003基础教程[M].清华大学出版社，2003.

[3]张德忠.X52K铣床数控化改造[M].机械设计，2005.10.endprint

摘要：目前加快数控机床技术研发越来越成为机床企业的发展重点。企业纷纷采用加快技术创新，优化生产管理等方式，不断提升其加工效率和质量，有效地推动了机床制造业的健康有序发展。本文主要研究了X6132纵向垂直数控改造技术，并提出了具体的设计方案，进行了经济技术性与环保分析。

关键词：铣床 丝杠 数控改造 设计方案 伺服驱动

1 普通铣床改造的意义

随着市场竞争的日趋激烈，企业要想在激烈的竞争环境下保证竞争优势，实现可持续发展，就必须加快科技创新，优化内部管理，构建良好的产品和服务能力领先策略，不断提升其知名度和影响力。目前，普通铣床技术已无法适应小批量、多品种、高质量的生产要求。普通铣床改造已成为必然趋势。而数控铣床技术的出现则解决了这一问题，它不仅能够适应现代化生产需求，生产出高质量的机械部件，而且还能很好地满足产品变化频繁的加工要求，提升加工质量和效率。与普通铣床相比，数控铣床技术具有适应性好、灵活度高、加工精度高、加工质量稳定可靠等优势。数控铣床是在普通铣床的基础上发展起来的，它继承和发展了普通铣床的生产工艺与技术特点，并针对传统生产方式中存在的问题进行了处理和分析，极大地提高了产品品质和劳动效率。随着数控铣床的不断发展，其逐渐呈现出以下两方面发展趋势：一是全功能与高性能；二是低成本，简便耐用。经济型数控铣床的自动化加工水平较高，同时其维修与保养难度较小，符合企业的具体发展要求。同时，经济型数控铣床的系统定位精度更高，误差率小，能够满足加工的精度需要。

经过技术改造后，普通铣床的加工效率显著上升。但总体来看，其故障发生率仍居高不下。为解决这一问题，技术人员依据传统修理方案进行了修整与改造，但效果不理想。传统的修理方案不仅成本高，而且难以满足大修验收标准。因此，为提高普通铣床改造质量，保证机床的稳定性和安全性，技术人员合理选择数控系统改造普通铣床，并将微机控制技术应用至改造当中，有效地提高了产品质量和工艺水平，减轻了操作人员的工作量。

2 设计方案和基本方案的确定

2.1 设计任务

2.1.1 进给伺服系统设计计算

在进行进给伺服系统设计计算时，必须根据脉冲当量、选型计算以及滚珠丝杠螺母副设计等的要求进行，以保证其计算的准确性。

2.1.2 单片机控制系统设计

单片机控制系统的设计主要包括控制系统图的设计及绘制、直线差补程序编写、圆弧插补程序编写三个环节。

2.2 总体方案设计的内容

■

在拟定机床数控系统总体方案时，设计人员一般先拟定出几个总体方案，再通过综合对比和分析选出最优方案。

2.2.1 伺服驱动

步进电机的结构较为特殊，它主要利用电激磁绕组原理将脉冲电信号成功转化为机械位移电击执行软件。激磁绕组接收到分配脉冲信号时，会根据信息指令进行数据处理，进而引起步进电机的转子转动。其中，转子的转动角度与脉冲个数存在一定比例关系。因此，技术人员通常利用这一特性控制运动速度和位移量的方式。

步进电机具有结构简单、体积小、成本低、便于维修、位移精度好等优势，受到了企业的一致欢迎。但与此同时，它也存在着数据容易丢失、启动效率低、低频振度大等缺陷。

2.2.2 采用滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副主要包括螺母、丝杠、滚珠等零件，它们直接决定着铣床的旋转运动情况，它是在传统滑动丝杠的基础上发展起来的。滚珠丝杠螺母副具有精度高、摩擦小、运行平稳、实用性强等优势，被广泛用至数控铣床加工中。

2.2.3 数控装置

微机数控系统主要包括伺服电机驱动电路、CPU、I/O接口电路等组成。在数控系统中，微机是其控制核心，它控制着其他系统装置的运行，决定着系统的运行方式和实际功能。在数控系统中，微机的技术要求是极为严格的，其字长和速度必须满足相关要求，以保证加工精度和运算精度。本设计采用的是MCS-51单片机，并扩展2片2764芯片，1片6264芯片，3片8155可编程并行I/O等组成的控制系统。

2.2.4 系统功能

①垂直和水平方向进行进给伺服运动。

②控制行程进度。

③控制键盘操作。

④报警电路、复位电路、隔离电路等。

2.2.5 采用环形分配器

在本系统中，技术人员选用的是环形分配器，这种分配器能够更好地适应数控铣床的实际加工需求，提升加工效率。由于数控铣床的三步进电机有三个方向，因此在进行分配时，应根据其具体要求进行接口连接。

3 伺服系统机械部分设计计算

3.1 设计要求

采用MSC-51系列单片机控制系统对X5132立式铣床进行改造，通过有效调节最终将其改造成微机数控立式铣床，并通过电机开环实现对铣床的有效控制。改良后的铣床具有良好的直线和圆弧插补功能，能够更好地满足铣床加工的实际需要。

主要设计参数如下：

机动范围：320mm

加工最大长度：350mm

快进速度：纵向：2.4m/min

横向：2.4m/min

垂向：0.78m/min

切削速度：0.06m/min

定位精度：0.015mm/300mm

移动部件重量：纵向：1000kg

横向：450kg

垂向：1000kg

加速时间：30ms

机床效率：0.8

3.2 确定系统脉冲当量

经济型数控铣床的脉冲当量一般在0.01-0.005mm之间。在计算时，一般取0.01mm/脉冲。

3.3 纵向进给系统的确定

切削力的计算：

在进行切削力计算时，首先要计算出工件和刀具的进给量。在选择铣刀时，应选择高速钢材料的铣刀，并选用不对称切削的逆铣形式。

表1 纵向传动齿轮几何参数

■

3.4 横向进给系统的确定

横向丝杠的选择

计算进给牵引力Fm

导轨类型为矩形导轨

Fm=KFx+f′（FZ+2Fy+G）

=1.1×1380+0.15×（2208+3790.4+450×9.8）

=3079.26N

式中：f′——导轨上的摩擦系数0.15；

G——移动部件重量60kg。

3.5同步带及带轮的选择

传动比i=1.25，则齿数取Z=16，

查慈溪恒力同步带轮有限公司带轮得：

小轮型号为20L，节径10mm，外径260mm；

大轮型号为25L，外径400mm，

同步带型号为382L，节线长971.55mm，齿数102。

4 经济技术性与环保分析

随着我国工业化发展水平的不断提升，企业越来越重视其产品质量和经济效益，进一步优化产品设计和加工程序，并通过经济和技术分析不断提升其产品的经济性，实现利润最大化。在进行产品设计时，企业必须重视产品的经济技术性与环保分析，坚持可持续发展原则。

经过纵向垂直数控改造之后，数控铣床的加工质量与加工效率显著提升，产品精度不断提高，误差率和故障率大大降低，保障了铣床加工的稳定有序进行。

参考文献：

[1]王启义.机械制造装备设计[M].冶金工业出版社，2002：48-78.

[2]戴向国，于复生，李方义.Solidworks 2003基础教程[M].清华大学出版社，2003.

[3]张德忠.X52K铣床数控化改造[M].机械设计，2005.10.endprint