把X62W銑床改造成數(shù)控銑床，主要改造的部位是：在主電動機(jī)端面加一電磁離合器，以便用指令控制主軸停轉(zhuǎn)：把工作臺的縱橫向進(jìn)給運(yùn)動改造成用步進(jìn)電動機(jī)來控制。垂直進(jìn)給運(yùn)動仍采用機(jī)動和手動方式。下面主要介紹橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造和數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計。  

1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計  

在橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造中，拆掉了原機(jī)床的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，更換上用步進(jìn)電動機(jī)和一對齒輪驅(qū)動的滾珠絲杠螺母副。  

  1. 工作臺重量的估算  

 縱向工作臺約重100kg，床鞍和回轉(zhuǎn)盤約重200kg，總重量G=100+200=300kg。  

  2. 切削力計算  

 切削功率為  

 Nc=NhK (1)  

 式中：N——主電動機(jī)功率，7.5kW  
 h——主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0. 6～0. 7，取0.6  
 K——進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取0.96  

 根據(jù)式(1)可得：Nc=4.32kW。又因為Nc=FzV/6120，則Fz=6120Nc/V，V為切削線速度，取100mm/min，所以主切削力Fz=2.59kN。通常：縱向切削分力F縱=(0.6～0.9)Fz，垂直切削分力F垂=(0.45～0.7)Fz，橫向切削分力F橫=(0.5～0.55)Fz。取F縱=0.6Fz=1.55kN，F(xiàn)垂=0.45Fz=1.165kN，F(xiàn)橫=0.5Fz=1.295kN。  

  3. 滾珠絲杠設(shè)計  

 工作臺橫向進(jìn)給絲杠的軸向力  

 F軸=KF橫+f'(F垂+W) (2)
 
 式中：K——考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，K=1.1  
 F橫——橫向切削分力f'——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，f'=0.15  
 W——工作臺、床鞍和回轉(zhuǎn)盤重力，W≈10G=3kN  

根據(jù)式(2)可得：F軸=2.049kN。

1. 強(qiáng)度計算  

 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速：n=Vf/p，其中，進(jìn)給速度Vf=60mm/min，滾珠絲杠的螺距p=6mm，則得：n=Vf/p=10r/min。取壽命時間T=15000h，則壽命值L1=60nT/106=9。取運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)fw=1.2，硬度系數(shù)fH=1.1，則最大負(fù)載Q=(L)?1fwfHF軸=5.625kN。根據(jù)經(jīng)驗，選取滾珠絲杠的型號ND3506-1×2/E左，即內(nèi)循環(huán)，雙螺母墊片調(diào)隙式、公稱直徑為35mm、螺距為6mm、一圈二列、E級精度、左旋、滾珠直徑為3.969mm。其額定動負(fù)荷為12.847kN>Q，其強(qiáng)度夠用。  

  2. 效率計算  

 由于所選滾珠絲杠的螺旋升角a=3°7'，摩擦角f=10'，則滾珠絲杠的傳動效率h=tga/tg(a+f)=tg3°7'/tg(3°7'+10')=0.95。  

 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計類似，計算從略。  

2 步進(jìn)電動機(jī)及齒輪的選用  

  1. 橫向步進(jìn)電動機(jī)的選取  

1. 確定步距角取系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量dp=0.01mm/脈沖，選用步距角qb=0.75°  

2. 啟動力矩的計算  

絲杠牽引力  

Fs=F橫+1.414f當(dāng)W (3)  

式中f當(dāng)——當(dāng)量摩擦系數(shù)，f當(dāng)=0.01  

代入式(3)得  

Fs=1.337kN  

設(shè)步進(jìn)電動機(jī)等效負(fù)載力矩為M，負(fù)載力為F負(fù)，根據(jù)能量守恒原理，電動機(jī)所作的功與負(fù)載所作的功相等，即Mfh=F負(fù)L，則  

M=F負(fù)L/hf (4)  

又F負(fù)=Fs+μ(W+F1)，數(shù)控裝置發(fā)出一個脈沖后，工作臺的位移量L為一個脈沖當(dāng)量0.001cm，這時電動機(jī)轉(zhuǎn)過的角度f=2pqb/360°，代入式(4)得  

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

式中：μ——機(jī)床導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取μ=0.18  
F1——與重力方向一致，作用在移動部件上的負(fù)載力，F(xiàn)1=F垂=1.165kN  

如果不考慮啟動時的運(yùn)動部件慣性的影響，則啟動力矩Mq=M/0.3～0.5，取安全系數(shù)為0.3，Mq=556N·cm。對于工作方式為四相八拍的步進(jìn)電動機(jī)，Mmax=Mq/0.707=786N·cm。  

3. 步進(jìn)電動機(jī)的最高頻率  

取橫向進(jìn)給速度最大為Vmax=1m/min，則步進(jìn)電動機(jī)的最高頻率為fmax=1000Vmax/(60×dp)=1667Hz。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，選用110BFG型步進(jìn)電動機(jī)較合適，該電動機(jī)步距角為0.75°/1.5°，最大靜轉(zhuǎn)距為800N·cm，最高空載啟動頻率為1800Hz。  

  2. 齒輪設(shè)計(橫向)  

 據(jù)步距角qb、滾珠絲杠螺距p、脈沖當(dāng)量dp，則在步進(jìn)電動機(jī)與滾珠絲杠之間所加的一對齒輪的傳動比為：I=Z1/Z2=dp×360°/(qb·p)=0.8，選Z1=48，Z2=60，根據(jù)經(jīng)驗，齒輪模數(shù)取1.5mm。  

3 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計  

所用數(shù)控系統(tǒng)是我們最近開發(fā)的BKC2-Ⅷ型數(shù)控系統(tǒng)，主要由主控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)兩部分組成。主控制系統(tǒng)用于控制鍵盤的輸入和輸出，工作臺在 X、Y方向上的超程，側(cè)門關(guān)閉，查詢，X和Y向步進(jìn)電動機(jī)的相位及主軸正反轉(zhuǎn)等。顯示系統(tǒng)用于控制H716501液晶顯示器。這兩部分都采用了新型的單片機(jī) GMS90C32作中央處理器，它可以與MCS-51系列單片機(jī)兼容，具有快速脈沖編程算法，采用了CMOS技術(shù)，最高工作頻率可達(dá)40MHz(本設(shè)計采用18MHz)，有良好的性能價格比。