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X5032铣床主传动系统数控改造

专业班级：机制08-2班姓名：李鹏指导教师：童景林

摘要：本文在X5032数控铣床改造设计时主要从经济性、方便性、实用性、可靠性四方面

因素出发，对X5032型铣床进行了数控铣床主传动机械系统设计。使改造后的机床的机械传

动部分具有高静态、动态刚度；运动副之问的摩擦因数小，传动无间隙；功率大；便于操作

和维修。改造后的数控铣床可以实现主传动系统电机正、反转，转速分为两档，并在各档内

可以实现无级调速；可以在平面或空问范围内按设定曲线(直线、圆弧等)恒速或变速运行；

可以实现数值的任意设定并显示；可以实现辅助控制系统的任意起停和故障报警；可以实现

与上位机的通讯。

X5032数控铣床机械系统设计包括伺服驱动系统的设计计算，丝杠螺母副的设计计

算，主传动系统的参数计算，主传动系统结构设计。进给传动系统设计中，全部拆除纵向、

横向、垂向进给箱齿轮，拆除纵向、横向、垂向进给手柄，在该处将手轮轴通过一对减速齿

轮和纵向、横向及垂向步进电机相连。丝杠拆去，换上滚珠丝杠，并由齿轮箱与滚珠丝杠连

接，改造后的X5032铣床的定位精度为±0.01mm，重复定位精度为±0.005mm。X、Y电机能

够拖动工作台以6-3200r／min的切削进给速度进行X向、Y向运动，Z相电机能使主轴箱获

得3-1600r／min的进给速度。主传动系统设计拆除机床主轴，重新设计主轴。为了保证主

轴在运动时有准确的定位，安装主传动的定位检测装置。采用电气式主轴准停装置，利用磁

力传感器检测定位。只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确的定位。将主传动改为采

用变频交流电动机无级调速。低档转速为270-1500r/min，高档转速为1500-4500r/min，在

各档内可以实现无级调速。与原立式铣床的机械结构相比比较简单，这是因为变速功能全部

或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，主传动系统是一个

开环控制的交流变频调速系统，通过软件来实现它的调速。数控系统是一个基于单片机的采

用模块化设计的数字型控制系统。采用较小体积的单片机来实现复杂的逻辑功能，充分利用

中断及第二功能口，使端口的利用程度达到最大，使整体结构简单。系统从总体上分为人机

界面模块、坐标进给模块、变频调速控制模块、串行通信模块、液压系统、冷却系统、润滑

系统及基于89C58单片机的主控模块。克服了传统的经济型数控系统的缺点，具有编程灵活，

自由度大，可用软件编程实现各种复杂的逻辑控制。通过插补算法实现步进电机的准确定位

以便达到工件的精确度；通过键盘利显示模块，实现了程序的编辑和显示；通过其他辅助系

统的设计，实现了机床功能的完善化。

关键词：X5032铣床数控变频调速模块化设计

一、概述

1.1引言

数控机床具有高精度、高效、高速、高可靠性等优点，并且机床结构趋于模块化、数

控功能专门化。数控机床是集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网

络通信技术于一体的典型的机电一体化产品。它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改

变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式、使世界制造业的格局发生了巨大的变化。

数控技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及

生产过程数控化，已成为当今制造业的发展方向。我国是世界上机床产量最多的国家，但在

数控机床的产品竞争力仍然处于较低的水平。因为开发一台新的数控机床的周期比较长，不

能及时针对用户的需求提供满意的产品。为此我们应该在普通机床上考虑，不能一味的大量

添置全新的数控机床，这样会造成资金投资量大，成本高，而且又会造成原有设备闲置浪

费。把普通机床改造为数控机床不失为一条提高数控化率的有效途径。普通机床数控化改造，

顾名思义就是在机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。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床

缺点和存在的问题，生产效率高，尤其适合中国机床拥有量大、生产规模小的具体国情。

1.1.1微观看改造的必要性

微观上看，数控机床比传统机床有突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所

包含的计算机的威力。数控机床可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。

由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，

因此可以复合成复杂的曲线或曲面。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率

可比传统机床提高3～7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储

下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，

就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔

性自动化”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。可实现

多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种

自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处，如：降低了工人的劳

动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和

生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极

为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC、FMS以及CIMS等企业信息化改造的基础。

数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。

1.1.2宏观看改造的必要性

宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年初已开始大规模

应用数控机床。其本质是采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除

在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、

虚拟制造以及在生产管理中推行MIS(管理信息系统)、CIMS等等。以及在其生产的产品中

增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入

改造(称之为信息化)，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而

我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年，如我国机床拥有量中，数控机

床的比重(数控化率)到1995年只有1．9％，而日本在1994年己达20．8％，因此每年都有

大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。

1.2国内外研究的现状

当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、

高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相

互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在

20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机

床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。较著名的控制系统有：日本FANUC

系列、Mitsubishi系列、OKUMA系列、SoDICK系列、日立系列、德国SIEMENS系列、

DECKEL系列、Heidenhain系列、HELLER系列、美国ALLEN．BRADLEYfAB)系列、

CINClNNANTI系列、法国Num系列、意大利FIDIA系列、西班牙FACK)R系列、瑞士的

AG系列、国产系列等。

在美国、日本和德国等发达国家，它们将机床改造作为新的经济增长行业，生意盎

然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国

的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用

数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。

在美国，机床改造业称为机床再生(Remanufacmring)业。从事再生业的著名公司有：Berthe

工程公司、Ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公

司已在中国开办公司。在日本机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名

公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、

山本工程公司等。

赶上计算机体系结构前进的步伐、加快数控系统的开发速度，已成为数控发展的

最主要趋势。以第四代计算机的工程结构和微电子工艺技术为基础，充分利用现有微机的硬

件、软件资源，发展总线式、模块式、开放型、嵌入式的柔性数控系统，使之即适合加工复

杂零件、分立式机床用的数控系统的组成，又适合未来自动化升级时功能可扩展的要求。

我国数控系统发展具有以下3个特征：

(1)高档数控系统技术已经突破。如华中I型等数控系统，都具有多轴联动功能，快

速进给速度在1．67m／s以上，具有较强的通信、管理功能。

(2)普及型数控系统技术已经成熟。如北京机床研究所的BS91系统，这些系统一般

配有CRT显示器，可配置直流和交流司服驱动，2～4轴联动。

(3)经济型数控系统仍有广阔的市场前景。由于这类系统结构简单，价格便宜，非

常适合中小型企业，目前仍是我国应用面最广的数控系统。比较典型的有南京大方的JWK

系列。

我国是机床生产大国，又是使用大国。数控机床是机械工业发展的关键产品，我国

的数控机床在机床产品中的比例总体水平低。但是我国是发展中国家，许多企业财力薄弱，

不可能花费大量的资金添置许多全新的数控机床，同时大量的通用机床不可能全部淘汰。因

此，把普通机床改造为数控机床则不失为是一条提高数控化率的有效途径，机床改造花费少，

改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产效率高。

1.2.1数控机床发展趋势

高速、高效、高精度、高可靠性

1)高速、高效加工

进入21世纪，机床向高速化方向发展，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高

零件的表面加工质量和精度。上世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高

速数控机床，加快机床高速化发展步伐。

2)高精度、超精密化加工

当前，机械加工高精度的要求较普通的加工精度提高了一倍，达到5um；精密加工精

度提高了两个数量级，超精密加丁精度进入纳米级(0.001um)，主轴回转精度要求达到

0.01-0.05um，加工圆度为0.1um，加工表面粗糙度Ra=0.003um等。从精密加工发展到超精

密加工(特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，

乃至纳米级(<10nm)，其应用范围日趋广泛。

3)高可靠性

是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越

高越好，仍然是适度可靠。对于每天工作两班的无人工厂而言．如果要求在16小时内连续

正常工作，无故障率P(t)=99％以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须

大于3000小时。当前国外数控装置的MTBF值已达60000小时以上，驱动装置达30000小

时以上。

模块化、智能化、柔性化和集成化

1）模块化、专门化与个性化

为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机

床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。

2)智能化

在数控系统中智能化的内容包括：①为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如

自适应控制，工艺参数自动生成；②为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈

控制、电机参数的自适应运算等：③简化编程、简化操作方面的智能化；④智能诊断、智能

监控方面的内容等。

3)柔性化和集成化

数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合

加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、工厂自动化FA)、体(cIMS、

分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。

开放性

为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展

的要求，最重要的发展趋势是体系结{每的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国

的OMAC、欧共体的OSACA及日本的OSEC发展开放式数控的计划等。

出现新一代数控加工工艺与装备

1.3机床数控化改造的优越性

机床数控化改造的技术优越性

(1)数控机床比传统机床有突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统中计算

机的作用。

(2)可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。

(3)可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高3到7倍。传统机床靠凸

轮或挡等可实现“刚性自动化”，且只有进行大批量生产时，才经济合算；而数控机床只要

更换一个程序就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以白动化，故称之

为“柔性自动化”。

(4)加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要“修配”。这是由于加

工过程自动化，不受人的情绪和疲劳影响的结果。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不

会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。数控系统中增加的机床误差、加工误差修正补偿

的功能，使加工精度得到进一步提高。

(5)可实现多工序的集中，减少零件在机床问的频繁搬运。这是自动化带来的效果(可

以自换刀)，如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、攻丝、扩孔等多工序的加工。

这些多工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，提高了相关的加工精度。现已出现其他工

序集中的机床。如车削中心、车铣中心、磨削中心等。

(6)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人

看管加工。

(7)数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品

试制周期和生产周期，并可对市场需求做出快速反应。

机床数控化改造的客观优越性

(1)费用低，经济性好，改造周期短可满足生产急需，同购置新机床相比，一般可

以节省60%～80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改

造，只花新机床购置费用的1/3，以大型的龙门加工中心为例，进口新的需要1000-5000万

元，而升级改造只需要100～500万元，仅占成本的1/10，且交货期短。

(2)改造后的机床机械性能稳定可靠、功能增强、质量好、效率高，可作为新设备继

续使用多年。

(3)降低了对操作者的技术要求，更易提高管理水平，操作者只需编程、装夹工件和

按开关，加工全部由电脑控制自动完成，即使再复杂的工件也能快速完成，省去了对技术要

求的烦恼，同时提高了定额管理水平。

(4)可以采用虽新的控制技术，可根据技术革新的速度，及时地提高生产设备的自动

化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成具有当今水平的机床。

1.4机床数控化改造的现实意义与市场前景

目前在我国400余万台机床拥有量中，数控机床总数只有11.34万台，机床数控化率

不到3%，而陈旧普通机床占到60％之多。这些旧装备(机床)大部分结构陈旧，操作系统复

杂，控制系统落后。用这种旧装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本

高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效

益，影响企业的生存和发展。如果购置新机床全部去取代旧机床，显然义会导致旧机床的闲

置和巨大浪费，也不现实：况且购买一台数控机床动辄十几万、几十万，甚至上百万，在我

国一些企业是很难承受的。因此如何用较少的费用，获得具有数控功能的机床就成为一个值

得探讨的问题。普通机床数控化升级改造不失为一种行之有效的方法，并可为企业节约大量

资金，具有重要的现实意义和广阔的市场前景。如：国防科技工业完成了3000多台普通机

床数控化改造，改造后生产效率提高约3倍，加工精度提高20%，与新购设备相比可节约

资金50％以上。

1.5X5032数控铣床改造设计总体要求和内容

1.5.1数控铣床改造设计总体要求

数控铣床改造设计主要考虑以下四方面因素：

(1)经济性

既然是用于普通铣床的数控化改造，因此，必须充分考虑系统的成本，这是保证达到

系统设计目的关键。这里的成本包括数控系统，主传动系统、伺服驱动系统及机械传动系统

等。

(2)方便性

数控系统的方便性主要反映在系统的人机界面。人机界面应当对用户友好，对此系统

应从以下几个途径来体现：

汉化按键，方便各种层次的操作者使用。

输入、检索、修改尽量一体化。即输入时可以检索、修改，检索时可以修改、输入，

并且自动显示程序段号。

快速检索，即能对程序进行上下翻页显示。

(3)实用性

经济型数控系统的设计不应追求功能的大而全，应以实用为原则。一般的机械加工

只要能具有以下功能即可满足需要：

直线、圆弧插补。

插补速度要充分考虑被改造机床本身的内在素质，如刚性、抗震性、耐磨性等，不

宜过高。

速度衔接技术，即速度升/降速控制。速度衔接技术可以保证系统在加工过程中实

现2段程序问的速度平滑连接，从而避免造成加工刀痕，保证精度。

变频调速。

加工程序的掉电保护能力。

(4)可靠性

由于数控系统工作环境十分恶劣，必须有足够的可靠性才能保证系统稳定运行。

1.5.2数控铣床改造设计内容

(1)主传动系统设计

拆除机床主轴，重新设计主轴。为了保证主轴在运动时有准确的定位，安装主传动的

定位检测装置。采用电气式主轴准停装置，利用磁力传感器检测定位。只要数控系统发出指

令信号，主轴就可以准确的定位。这种磁力传感器的工作原理是，在主轴上装上永磁铁和主

轴一起旋转，在距离磁铁l-2mm的旋转轨迹外，固定一个磁传感器，当传感器发出信号后

经过放大，由定向电路使电动机准确的停止在规定的周向位置上。将主传动改为采用变频交

流电动机无级调速。低档转速为270-1500r/min，高档转速为1500-4500r/min，在各档内可以

实现无级调速。与原立式铣床的机械结构相比比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由

主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，主传动系统是一个开环控制的

交流变频调速系统，通过软件来实现它的调速。

(2)进给传动系统设计

纵向、横向、垂向进给箱齿轮全部拆除，拆除纵向、横向、垂向进给手柄，在该处将

手轮轴通过一对减速齿轮和纵向、横向及垂向步进电机相连。丝杠拆去，换上滚珠丝杠，并

由齿轮箱与滚珠丝杠连接，使改造后的机床的机械传动部分具有高静态、动态刚度；运动副

之间的摩擦因数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。改造后的X5032铣床传动示

意图如图1.1所示，其定位精度为±0.01mm，重复定位精度为±0．005mm。

X、Y电机能够拖动工作台以6-3200r／min的切削进给速度进行x向、Y向运

动，Z向电机能使主轴箱获得3-1600r／min的进给速度。

(3)数控系统的设计

采用AT89C58单片机控制系统。采用模块化设计方案，从总体上分为人机界面模块、

坐标进给模块、变频调速控制模块、串行通信模块、液压系统、冷却系统、润滑系统及基于

89C58单片机的主控模块。利用变频调速的原理，设计主轴的无级变频调速系统；通过插补

算法，实现步进电机的准确定位以便达到工件的精确度；通过键盘和显示模块，实现程序的

编辑和显示；通过其他辅助系统的设计，实现机床功能的完善化。

图1.1X5032铣床传动示意图

1.5.3改造后的数控铣床功能分析

根据设计要求，改造后的数控铣床应具有以下功能：

以实现程序的存储和编辑功能；

以实现主传动系统电机正、反转，转速分为两档，并在各档内可以实现无级调速；

可以在平面或空间范围内按设定曲线(直线、圆弧等)恒速或变速运行；

以实现数值的任意设定并显示；

以实现辅助控制系统的任意起停和故障报警；

以实现与上位机的通讯。

第二章数控机床及控制方式

2.1数控机床的组成及工作原理

数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处联盟

(InternationalFederationofInformationProcessing，IFIP)第五技术委员会，对数控机床作了如

下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其

它符号指令规定的程序。

2.1.1数控机床的组成

图2.1数控机床组成与工作过程框图

数控机床通常由程序载体(控制介质)、输入装置、数控装置、伺服系统、位置反馈系

统和机床本体组成，如图2-1所示。其中实线部分为开环控制数控机床框图，上述系统再

加上虚线部分，就构成具有测量反馈功能的闭环控制数控机床框图。

(1)控制介质(信息载体)

数控机床加工时，为了得到图样上所规定的零件形状和加工精度，在加工过程中，机

床所需要的全部操作动作和刀具相对于工件的运动轨迹，都是由我们按着一定的要求和顺

序编成控制指令即加工程序，并把它存放在一种存储物上。此存储物就是在人和机床之间

建立联系的媒介物，也就是控制介质或称信息载体。控制介质可以是穿孔纸带，磁带、磁

盘或其他可存储物质。

(2)数控装置

数控装置是数控机床的中心环节，它接受控制介质输入的信息，经过处理与运算去控

制机床动作。数控装置由输入装置、存储器、控制器及一套处理数控加工的相关软件、运

算器和输出装置组成。

(3)伺服系统

伺服系统(英文Servo的音译)是数控装置与机床的联系环节，它把来自数控装置的指令

转变为机床部件的运动，使工作台和主轴按规定的动作运动，加工出合格产品。

2.1.2数控机床的工作原理

(1)在使用数控机床进行数控加工时，把零件的加工信息(如零件尺寸、形状和技术条

件)编出工件加工程序，将加工工件时刀具相对于工件的位置和机床全部动作顺序，按规定

格式和代码记录在信息载体上；

(2)把信息载体(控制介质)即工件加工程序输入计算机数控装置；

(3)控装置接收由穿孔带、阅读机、磁盘、键盘等送入的代码信息，经过识别与译码

之后送到指定存储区，作为控制与运算的原始数据；

(4)伺服驱动系统把来自数控装置的运动指令转变成机床移动部件的运动，使工作台

按规定轨迹移动或定位，加工出符合图样要求的工件；

(5)辅助装置把计算机送来的辅助控制指令，经机床接口电路转换成强电信号，用来

控制机床主轴电机的启动停车，主轴转速调整，冷却泵启停以及转位换刀；

(6)反馈系统将机床移动的实际位置，速度参数检测出来。转换成电信号。并反馈到

计算机中，使计算机随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，

纠正所产生的误差。零件在机床上加工过程如图2-1所示，当改变加工工件时，在数控机床

上只需改变加工程序即可进行新零件加工。

2.2数控机床控制方式选择

2.2.1位置控制方式分类

伺服系统是位置控制系统，是数控装置与机床的联系环节，位置控制按其结构分为开

环控制和闭环控制。

(1)开环控制形式

如图2-2是典型的开环数控系统，其中没有位置检测反馈装置，指令是单方向传送的，

并且

图2.2开环控制系统框图

指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环控制的伺服系统主要使用步进电机。插补

器进行插补，发出指令脉冲，经驱动放大电路放大后，驱动步进电机转动，一个进给脉冲使

步进电机转动一个角度，通过齿轮减速，丝杠传动使工作台移动一定距离，因此，工作台的

位移量与步进电机的转角成正比，即与进给脉冲数目成正比。改变进给脉冲数目和频率，可

以控制工作台的移动量和速度。开环控制结构简单，调试方便，容易维修，成本较低，但控

制精度不高，适宜于经济型数控机床及数控改造。

(2)闭环控制形式

安装在工作台上的检测元件将工作台的实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位移

量相比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止，从而使精度大大提高，如图2-3所

示。闭环控制加工精度高，移动速度快，但电机控制电路比较复杂，检测原件价格昂贵，调

试维修费用高。

图2.3闭环系统框图

(3)半闭环控制形式

半闭环控制没有直接检测工作台的位移量，原因是检测元件安装在电机的端头或丝杠

的端头，闭环环路内不包括丝杠螺母副工作，所以可获得较稳定的控制特性。控制精度比闭

环控制的要差，但控制系统调试维修方便。如图2-4所示。

图2-4半闭环控制系统

(4)结论

目前，机床数控化改造大多采用经济型数控改造即开环数控系统来提高机床的自动化

程度和机床的加工精度，X5032升降台铣床数控化改造采用的即是开环控制形式。

2.2.2步进电机的开环控制

步进电机是典型的开环驱动装置，与所选定的WA-21M数控系统相匹配，是将电脉冲

信号转换成机械角位移的电磁机械装置。其角位移量和输入脉冲的个数严格的成正比，在时

间上与输入脉冲同步。

步进电机的工作原理

(1)步进电机的定子绕组每换接一次通电相序，步进电机转子就沿某旋向旋转一个角

度即步距角。

mzk

0360



其中-步距角；m-定子绕组相数，通常有三相，四相，五相等；Z-转子齿数；K-与通电方

式有关的系数，K=拍数/相数。

(2)步进电机的输出转角与输入的脉冲个数严格的成正比例，控制输入步进电机的脉冲

个数就能控制位移量。

(3)进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。

006

60

360

f

fn





其中n-转速(r/min)；f-控制脉冲频率(Hz)；-步距角(度数)。

(4)改变通电相序即可改变电机转向。

步进电机开环控制系统构成

图2-5步进电机控制系统构成及原理图

如图2-5是步进电机开环控制系统的构成及原理框图，它由脉冲信号源、脉冲分配

器、功率放大器、步进电机组成。

脉冲信号源是一个脉冲发生器，脉冲的频率可以连续调整，送出的脉冲个数和脉冲频

率由控制信号控制。在CNC系统由计算机根据程序控制脉冲个数和脉冲频率，对步进电机实

行各种运行状态的控制。

脉冲分配器一方面接受输入脉冲和方向指令，另一方面面向功率驱动器供给控制信号。

在方向指令的作用下，脉冲分配器将输入CP脉冲信号按一定顺序分配，然后送到驱动器进

行功率放大，驱动步进电机使其转子按顺时针或逆时针方向转动。

功率驱动器是一功率开关电路，其作用就是将从脉冲分配器送来的弱电信号经功率放

大，控制步进电机各项绕组电流按一定的顺序切换，步进电机按要求运转。

步进电机是拖动负载的执行元件。

2.2.3数控机床开环系统速度计算

在开环系统中，坐标轴运动速度是通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现的，

系统每发出一个脉冲，步进电机就转过一个角度，从而驱动坐标轴移动一定距离即脉冲当量

（δmm）。插补程序根据零件轮廓要求向各个坐标轴分配脉冲，提供位置指令。而脉冲发送

到步进电机的频率则确定了进给速度，进给速度V与脉冲发送频率f有如下关系：

smffmmV/10min/603

其中V-进给速度(m/s)；f-脉冲发送频率(Hz)；δ-脉冲当量(mm)。

第三章机械传动系统的改造设计

在机床数控化改造中，很重要的工作之一便是进行机械传动系统的改造设计，这里

所提到的机械传动系统与一般的机械系统相比，除要求有较高的定位精度外，还应具有良好

的动态响应特性，就是说响应要快。稳定性要好。为此在设计中，常提出无间隙，低摩擦．低

惯量，高刚度，高谐振频率，适当的阻尼比要求。X5032数控铣床机械系统设计包括伺服驱

动系统的设计计算，丝杠螺母副的设计计算，主传动系统的参数计算，主传动系统结构设计。

主传动系统的参数计算包括主传动的变速方式的选择，主轴电机的选择及分级变速箱的设

计，主传动系统结构设计包括主轴部件的机械结构设计，主轴主要结构参数的确定。

机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件，以及连

杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承件、旋转支承件、轴系及架体等机构组成。

常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带以及各种非线性传动部件等。

3.1主传动系统的参数计算

3.1.1主传动的变速方式的选择

主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速(速度)和一定的变

速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便

地实现运动的开停、变速、换向和制动等。

为了适应不同的加工要求，目前主传动系统主要有三种变速方式：

1)一级带传动变速方式优点是结构简单，安装调试方便，且在一定条件下能满足转速与

转矩的输出要求。但系统的调速范围受电动机的调速范围的约束，适用于低转矩特性要求的

主轴，因此不适于本改造。

2)调速电机直接驱动方式优点是结构紧凑，占用空间小，但是主轴转数的变化及转矩的

输出和电动机的输出特性完全一致，电动机的发热对主轴的精度影响大，因而也不适于本改

造。

3)二级以上齿轮变速系统虽然此种结构复杂，制造和维修费用高，但和以上两种驱动

方式比，变速装置多采用齿轮变速结构，可以使用可调的交、直流无级变速电动机，经齿轮

变速后，实现分段无级变速，调速范围增加，且能满足各种切削运动的转矩输出，因此选用

二级以上齿轮变速系统作为主传动的变速方式。

3.1.2主轴电机的选择及分级变速箱的设计

主轴电动机是数控铣床主传动系统的主要部件之一，它的选择涉及到主传动系统的变速

方式。

(1)采用交流电动机无级调速

伺服电动机和脉冲步进电动机都是恒转矩的，而且功率不大，所以只能用于直线进给运

动和辅助运动。直流电动机结构复杂，价格高。又因为换向器和电刷，在运行中容易出故障。

所以对X5032铣床进行数控改造时选择交流调速电动机，因为交流调速电动机体积小、转动

贯量小、动态相应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流电动机高，磨损和故障

也少。

目前适用于这类机床的系列交流主轴电机，其连续运转额定功率分别为7.5、1l、15、18.5、

22kW五种规格，电机的最高转速n

dmax

=4500r/min，额定转速n

d

=1500r/min，，最低转速

n

dmin

=45r/min。。其功率转矩特性曲线如图2．15所示。

图2．15电机功率转矩特性图

由图2.15看出，电机在恒转矩区功率随转速降低而减小，当电机转速低于n

dmin

时因功率的

减小而不能利用，实际可用的电机最低转速取决于机床所要求的最小切削功率和电机的额定

输出功率。

(2)初选主轴电动机(交流调速电动机)的功率：

1)铣削力的计算：

根据《简明铣工手册》，对高速钢圆柱铣刀，切削力的计算公式：

FC

W

qf

uF

e

yF

Z

xF

pFzK

nd

zafaC

Fz

F)60(

81.9

0



............................................................（2-4）

式中：C-系数，值取决于切削条件和工作材料，当工件为碳钢时，查《简明铣工手册》表

3-13，取C

FZ

=65

a

p

-铣削宽度(铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量)

a

e

-背吃刀量

z-铣刀齿数

d

0

-铣刀直径

n-铣刀转数

X

F

、Y

F

、u

F

和W

F，

——公式中各个系数的指数。

K

FC

——切削条件改变时，切削力的修正指数，其中参数按实际加工过程

中平均铣削条件为标准来选择。查《简明铣工手册》表3-13取

d

0

=27mm；a

e

=4mm；z=4；a

p

=30mm

f

z

=0.1mm，n取r/min，

其中：x

F

=1.0；y

F

=0.72；u

F

=0.86；W

F

=0；q

F

=0.73；

加工碳钢时，σ

b

=673MPa修正系数由《简明铣工手册》3-14得：

1)

673

673

()

673

(3.03.0b

FC

K



则N

n

F

z

6.43661

)60(27

441.0306581.9

073.0

86.072.010









利用圆柱铣刀进行逆铣时，工作台的工作载荷：

工作台纵向进给方向载荷：F

l

=(1～1.2)F

z

工作台垂向进给方向载荷：F

v

=(0.2～0.3)F

z

工作台横向进给方向载荷：F

c

=(0.35～0.4)F

z

各系数分别取中间值，则：F

l

=1.1F

z

=1.1×4366.6=4803N

F

v

=0.25F

z

=0.25×4366.6=1092N

F

C

=0.375F

Z

=0.375×4366.6=1637N

由此可以算出周向铣削力:

NFFF

Vl

492613.16.436622

(3)初选交流调速主轴电动机的功率

n

d

为主轴传递全部功率时的最低切削速度，即电动机的额定转数。为

1500r/min。

所以P

m

=F

v

≈F

z

v=4366.6×πd

0

n

d

/(60×1000)

=4366.6×π×27×1500/(60×1000)=9259.7W=9.3KW，取总效率η=0.75，

则初选电动机功率P

d

=9.3/0.75=12KW

电动机额定转速为n

d

=1500/min；

额定最高转速为n

dmax

=4500r/min；

最低转速n

dmin

=45r/min；

(4)主轴电动机的功率的确定及分级变速箱的传动系统的设计

由2中初选电动机功率Pd为12KW，

则电动机的恒功率调速范围R

dp

=n

dmax

/n

d

=4500/1500=3

X5032主轴的计算转速3.0

1

max

1

)(

n

n

nn

j

=83r/min

主轴恒功率调速范围R

np

=n

max

/n

j

=4500/83=54.22≈54

因此，主轴要求的恒功率变速范围R

np

远大于电动机所能提供的恒功率变速范围R

dp

，所以在

电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，来扩大电动机的恒功率变速范围。如图2-15所

示。

图2-15串联变速组特性

调速电动机的恒功率变速范围为ψ

m

，如图2-15所示，在保证无级变速连续的前提下，

串联一个双速变速组，获得的最大变速范围为ψ

m

2，此时，Z=P

a

=2，ψ

m

2=ψ

f

Z，ψ

m

=ψ

f

；串联

两个双速变速组后，能得到的连续无极变速范围是ψ

m

4，这时，Z=PaPb=22=4,ψ

m

4=ψ

f

Z，因

而，调速电动机串联K级变速变速组后，能获得的最大变速组范围是R

pn

=ψ

f

Z，Z=2k，分级

传动公比ψ

f

=ψ

m

。即串联的分机传动系统的公比等于电动机恒功率变速范围时，输出的无极

变速范围最大。换言之，变速范围一定，当分级传动系统的公比ψ

m

=ψ

f

时，需串联的变速

组数最小。设计无极变速系统时，主轴的变速范围一定，可用如下关系式得到至少需要串联

的变速组数。

1)变速级数Z的确定

如取变速箱的公比ψ

f

=R

np

=3

则由于无级变速时R

np

=ψ

f

Z-1R

dp

=ψ

f

z

故变速箱的变速级数

61.3

3lg

54lg

lg

lg



f

np

R

Z



可以取Z=4

变速箱所需要的变速组数

285.1

2lg

61.3lg

min

k

即K=2Z=4

4)分级传动系统的实际公比为

621.2

3

54

1-4

1-

F



m

pm

Z

R

R

ψ

5)结构式为

21

224

6)分级传动系统的最小传动比为

3

min621.2

1

07.18

1

1500

83

i

根据前缓后急的原则取

619.1

1

0

i

621.2

1

1



a

i

243.4

1

1



b

i

7)其他传动副的传动比为

1621.2

2.621

1

F12

ψ

aa

ii

619.1621.2

243.4

1

2

2

12



Fbb

iiψ

8)调速电动机的最低工作转速为

min/270min/1815

min

rrn

m



9）电动机最低工作转速时所传递的功率为

kWkW

n

n

PPm

mm

664.0

1500

83

12

0

min

min



.

图2-16X5032铣床转速图

转速图如图2-16所示，从转速图中可知，电动机的额定转速产生主轴的计算转速；电动

机的最高转速产生主轴的最高转速；电动机的最低工作转速产生主轴的最低转速；区域I是

横转矩变速范围，有分级传动的最小传动比产生，电动机的恒转矩变速范围等于主轴的主轴

的恒转矩变速范围。区域II为恒功率变速范围，有四段部分重合的无极转速，分别是

209~250r/min，572~655r/min，1500~1717r/min。段与段值间是等比的，比值就是分级传动

的公比。每段的无极变速范围

mFj

R。因此，无极变速系统利用调速电动机的电变速特

性，能在加工中连续变速，实现恒速切削。

(5)齿轮齿数的确定

在一个变速组中，主动齿轮的齿数用Z

j

表示，从动齿轮的齿数用Z

j

'表示，Z

j

+Z

j

'=S

zj

，则

传动比i

j

为

j

j

j

j

jb

a

z

z

i

'

式中，a

j

、b

j

为互质数，设

jjj

Sba

0



j

j

jjS

Sz

az

0



j

zj

jjS

S

bz

0

'



由于z

j

是整数，S

zj

必定能被S

0j

所整除；如果各传动副的齿数和皆为S

z

，则S

z

能被S

01

，S

02

，

S

03

所整除，换言之，S

z

是S

01

，S

02

，S

03

的公倍数。所以确定齿轮齿数时，应在允许的误差

范围内，确定合理的a

j

，b

j

，进而求得S

01

，S

02

，S

03

，并尽量使S

01

，S

02

，S

03

的最小公倍数

为最小，最小公倍数用S

0

表示，则S

z

必定为S

0

的整数倍。设S

z

=kS

0

，k为整数系数。然后

根据最小传动比或最大传动比中的小齿轮确定k的值，确定各齿轮的齿数。计算如下：

1）第一变速组的齿轮齿数的确定：

5

2

621.2

1

1

1



a

iS

01

=71

F12

ψ

aa

iiS

02

=2

S

01

，S

02

的最小公倍数为14，即S

0

=14，则S

z

=14k。最小齿轮齿数发生在中，

1a

i

,5,174

7

14

2

01

1

1

1

kk

k

S

S

azz

a

取k=6；

244

1

kz

a

；

427

2

14

2

k

k

z

a

又因为：

8414

1

kS

z

所以：

602484'

1



a

z424284'

2



a

z

2）第二变速组齿轮齿数的确定：

9

2

243.4

1

1



b

i

S

01

=11

5

8

619.12

12



Fbb

iiψ

S

02

=11

S

01

，S

02

的最小公倍数为11，即S

0

=11，则S

z

=11k。最小齿轮齿数发生在i

b1

中，

,9,172

11

11

2

01

2

1

1

kk

k

S

S

azz

b

取K=9；

182

1

kz

b

728

11

11

8

2

k

k

z

b

又因为：

9911

2

kS

z

所以：

771899'

1



b

z277299'

2



b

z