CA6140车床纵向进给数控化改造.docx

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CA6140车床纵向进给数控化改造

设计内容与要求

设计参数

一、浅谈数控改造的目的与意义

二、总体方案的设计

三、进给伺服系统机械部分设计与计算

3.1进给系统机械结构改造设计

3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型

3.2.1确定系统的脉冲当量

3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号择雨核步骤

3.2.3纵向滚珠丝杠的校核

3.3齿轮的有关计算

3.4绘制进给伺服系统的机械装配图

四、步进电动机的计算与选择

4.1步进电动机选用的基本原则

4.2步进电动机的

五、结论与发展

设计内容与要求

具体设计内容：

一、浅谈数控改造的目的与意义

二、总体方案的设计

（一）伺服系统的拟定：

1、伺服系统的选择

2、纵向进给机构的改造

（二）总体方案的确定（附总体方法装配图）

三、纵向进给伺服系统机械部分设计计算------计算纵向进给伺服系统

1、确定系统的脉冲当量

2、计算切削力

3、进行滚珠丝杠螺母副设计，计算，选型。

4、齿轮的传动计算

5、步进电动机的计算与选用

设计参数：

主轴电动机功率7.5KW

主轴最高转数1400r/min最低转数10r/min

纵向进给量0.028~1.68mm/r

快速移动速度4.2m/min

加工最大长度1400mm

刀架最大纵向行程1500mm

大托板小托板及刀架总重量155KG=1550N

纵向定位精度±0.015

重复定位精度±0.01

丝杠导程10mm

一、浅谈数控改造的目的与意义

数控机床与普通机床相比，增加了功能，提高了性能，简化了结构。

较好的解决形状复杂、精密。

小批量及形状多变零件的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：

（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；

（2）目前，歌企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替代更换基本不可能，而且替代下的机床往往闲置起来又会造成浪费；（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。

要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。

普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使器具有一定的自动化能力，以现实额定的加工工艺目标。

这一工作早就在20世纪60年代已经在开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。

目前国外已经发展成为一个新兴产业部门，从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有26%的机床经过数控化改造，其中小企业则达74%。

在美国也有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务。

中国是拥有300多万台机床的国家，其中大部分是多年积累生产的普通机床，自动化程度低。

要想在近几年用自动化和精密设备更新现有机床，无论是资金还是中国机床制造厂的能力都办不到的，因此，普通机床数控化改造大有可为，它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已经为中国设备技术改造的主要方向之一。

机床数控化改造的优点：

（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固有资产的使用效率；

（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造经费低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可以满足生产急需。

因此，我们必须走数控改造之路。

普通车床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。

普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。

进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。

刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。

对数控车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运行的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。

这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。

由于加工过程中的切削参数，切削次序和道具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多种复杂零件的加工。

二、总体方案的设计

总体方法设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。

（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能够暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。

（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电动机开环控制系统。

（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。

在8位微机中，MCS-51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选MCS-51系列单片机扩展系统。

（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还有包括扩展程序存储器，扩展数据储存器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态的信息的显示器，包括电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应有包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。

（5）设计自动回转刀架及其控制电路。

（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。

（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间的机构。

（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。

总体方案设计图

进给伺服系统总体方案方框图

三、进给伺服系统机械部分设计与计算

3.1进给系统机械结构改造设计

进给箱部分：

全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车尾座端原来装轴承座的部分。

3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型

进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：

确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。

3.2.1确定系统的脉冲当量

脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。

因此，脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。

对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step，在CA6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。

横向脉冲当量fp为0.005mm/step。

3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤

（1）最大工作荷载计算

滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。

它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。

由于原普通CA6140车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式Fm=KFL+F`（Fv+G）计算工作载荷的大小。

1）车削抗力分析

最大切削功率Pq=7.5×0.8=6KW

主运动系统总效率一般为0.7~0.85取0.8

切削功率应在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或转矩）和最大切削速度来计算。

即P

主切削力fc=Pq×10^（-3）/v=3600N

最大切削速度，按用硬质合金刀具半精车刚体的速度V=100m/min

在一般外圆车削时Fz=（0.1~0.55）Fc，Fx=（0.15~0.65）Fc

取Fz---纵向切削分力Fx---横向切削分力

因此，最大工作载荷Fm=KFz+f`（Fz+G）=1.15×2088+0.16×（1728+900）=2821.7N

取f`=0.16，W---移动部件的重量N

2）滚珠丝杠平均转速的计算

最大切削力下的进给速度Vs（r/min）可取最高进给速度的1/2~1/3取1/2，纵向最大进给速度为0.6m/min，丝杠导程Pn=10mm，则滚珠钢丝平均转速N=1000VS/Pn=30r/min

3）计算载荷Fc的计算

Fc=Kf*Kh*Ka*Fm=1.2×1×1×2821.7=3386.04N

Kf---载荷系数Kh---硬质系数Ka---精度系数Fc---计算载荷

载荷系数

载荷性质

无冲击平稳运转

一般运转

有冲击和振动运转

1.0-2.0

1.2-1.5

1.5-2.5

硬质系数

滑到实HRC际硬度

≥58

1.11

1.56

2.4

精度系数

精度

C,D

E,F

1.1

1.25

1.43

3）计算额定动载荷Ca`

Ca`=Fc=3600=10647N

假定每天开机6小时，每年300个工作日，工作8年以上

Lh=6×300×8=14400h

4）根据Ca`值从滚珠丝杠副系列中选所需要的规格，使所选规格的丝杠副的额定动载荷Ca`值等于或者大于Ca`，并列出其主要参数值。

5）数据Do=60mmP=10mmR=0.52do=30.96mmλ=3°2′do=5.953mm

D1=Do+2e-2R=60+2×0.707（R-do/2）-2R=53.81mm

另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式---滚珠接触面上的塑形变形。

初选滚珠丝杠为：

外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。

考虑到简易经济改造，所以采用外循环。

因此初选滚珠丝杠的型号为CD63×8—3.5—E形，主要参数为Dw=4.763mmLo=8mmdm=63mmλ=2°19′，圈数×列数3.5×1

（3）纵向滚珠丝杠的校核

1）传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率为η=tgλ/tg（λ+φ）=tg3°2′/tg（3°2′+10′）=94.6%

2）刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。

1丝杠的拉压变形量δ1

δ1=（F*P）/（E*A）=（Fm*P）/（E*d^2π）=（4×2821.7×10×10^3）（/206×10^9×π×0.0538^2）=6.062×10^-2um

2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2

M=Fm*Do*tg（λ+φ）/2=2812.7×60×tg（3°2′+10′）/2=4732.7N/mm=4.73N/m

δ2=（P*φ）/2π=（P^2*M）/（2π*G*Jc）=（16P^2*M）/（π^2Gdl^4）=（16×10×4.73×10）/（π^284.2×10^5×0.0538^4）=1.11×10^-6cm=1.11×10^-2um

s丝杠的总变形量δ=δ1+δ2=6.026×10^-2+1.11×10^-2=7.136×10^-2um

查表知E级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格。

3）压杆稳定性验算

滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。

失稳时的临界载荷为Fk

Fk=fz^2EI/L^2

E为丝杠材料弹性模量，对刚E=20.6×10^4MpaI为截面惯性距，对丝杠圆截面I=πdl^4/64mm^2（dl为丝杠的低经）L为丝杠的最大工作长度mmfz为丝杠的支承方式系数表3-1

方式

两端端自由

一端固定一端自由

两端固定

两端简支

0.25

由Fk=fzπ^2EI/L^2且fz=2.0E=20.6×10^4MpaI=πdl^4/64mm^4L=2800mm为丝杠长度，由于I=πdl^4/64=π（63-5.953）^4/64=mmFk=2×3.14^2×20.6×10^4×/2800^2=Nk=/1875=149》4所以丝杠稳

3.2.4齿轮的有关计算

（1）有关齿轮及转矩的有关计算

1）有关齿轮计算，由前面的条件可知：

工作台重量：

W=900N（根据图纸粗略计算）

滚珠丝杠的导程：

Lo=10mm

步距角：

α=0.75°/step

脉冲当量：

δp=0.01mm/step

快速进给速度：

Vmax=6m/min

所以，变数箱内齿轮的传动比i=Z2/Z=αlo/360°δp=0.75×10/（360°×0.01）=2.1

a．选择齿轮材料及确定极限应力

无特殊要求，为制造方便，采用软齿面。

小齿轮采用45号刚调质，硬度为230HBS—250HBS;大齿轮采用45号刚正火，硬质为170HBS—220HBS。

有表查的δHlim1=560MpaδHlim2=530Mpa

δFlim1=210MpaδFlim2=190Mpa

b．齿轮的有关参数选取如下：

Z1=25Z2=50模数m=2mm齿轮b=20mm压力角α=20°

齿轮的直径d1=mz1=2×25=50mm

d2=mz2=2×50=100mm

dα1=d1+2h*=54mm

dα2=d2+2h*=104mm

c.两齿轮的中心距a=（d1+d2）/2=79mm

表1得，齿轮系数YH1=2.65YH2=2.35

表2得，应力修正系数YS1=1.59YS2=1.71

表3得，弯曲疲惫安全系数SF=1.3

转距T=9.55×10^6p/n=9.55×10^6×7.5/1000=71625n.mm

载荷系数K=1.1

表1

2.97

2.91

2.85

2.81

2.75

2.65

2.58

2.54

2.47

2.41

2.37

2.35

2.3

2.25

表2

100

1.5

1.6

1.7

1.8

表3

安全系数

软齿面（≤350HBS）

硬齿面（≥350HBS）

渗碳淬火齿轮或铸造齿轮和重要齿轮

1.0-1.1

1.1-1.2

1.3

1.3-1.4

1.4-1.6

1.6-2.2

D．校核齿根的弯曲强度

《δf》1=YN1*δFLim1/Sf=210/1.3=162Mpa

《δf》2=YN2*δFLim2/Sf=190/1.3=146Mpa

故齿轮弯曲强度校核合格

e．验算齿轮的圆周速度

V=πd1n1/（60×1000）=（3.14×50×1000/（60×1000）=2.6m/s

由表可知，选取该齿轮传动为8级精度

2）转动惯量计算：

工作台质量折算到电机轴上的转动惯量

Js=（180δp/πφ）^2w=180×0.01/（3.14×0.75）=4.67N.cm^2

丝杠的传动惯量

Jt=7.8×10^-4D^2L=7.8×10^-4×3.2^4×169.7=13.879kgf.cm^2=13.879N.cm^2

齿轮的传动惯量

Jz1=7.8×10^-4×7.2^4×2.2=4.611kgf.cm^2=46.11N.cm^2

Jz2=7.8×10^-4×9^4×2.2=11.258kgf.cm^2=112.58N.cm^2

电动机转动惯量很小可忽略不计

因此，总的转动惯量

J=（Jt+Jz2）/i^2+Jz1+Js=（13.879+11.258）/1.25^2+4.611+0.467=21.345kg.cm^2=213.45N.cm^2

3）所需转动力矩计算：

快速空载启动时所需力矩

M=Mamxa+Mf+Mo

最大切削负载时所需力矩

M=Mat+Mf+Mo+Mt

快速进给时所需力矩

M=Mf+Mo

式中:

Mamxa---空载启动时折算到电机轴上的附加摩擦力矩，

Mf---折算到电机轴的摩擦力矩

Mo---由到丝杠预紧引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩

Mat---切削时折算的电机轴上的加速度力矩

Mt---折算到电机轴上的切削负载力矩

Ma=Jn/9.6T×10^-4N.m

当n=nmax时，Mamax=Ma

nmax=vmaxi/p=2000×1.25÷6=416.7r/min

Mamax=21.345×416.7÷（9.6×0.025）×10^-4=3.706N/m=37.06kgf.cm

N=nt时，Ma=Mat

nt=nfi/p=（1000vfi/πD）/P=1000×100×0.3×1.25÷（3.14×100×6）=19.9r/min

Mat=44.767×19.9÷（9.6×0.025）×10^-4=0.3712N.m=3.172kgf.cm

Mf=FoP/2πηi=f`wp/2πηi

当η（0.7~0.85）取η=0.75

f`=0.17时

Mf=0.17×90×0.6÷（2×3.14×0.75×1.25）=1.559kgf.cm=15.59N/cm

Mo=p^op（1-η^o^2）/2πηi

当η^o=0.9时预加载荷p^o=Ff/3，则：

Mo=FfP（1-η^o^2）/2πηi=176.25×0.6×（1-0.9^2）÷（6×3.14×0.75×1.25）=1.137kgf.cm=11.37N.cm

Mt=FfP/2πηi=176.25×0.6÷（2×3.14×0.7×1.25）=17.961kgf.cm=17.961N.cm

所以，快速空载启动所需力矩

M=Mamax+Mf+Mo=37.06+1.137+1.155=39.352kgf.cm=393.52N.cm

切削时所需力矩

M=Mat+Mf+Mo+Mt=3.721+1.559+1.137+17.96=24.377kgf.cm=24.377N.cm

由以上分析计算可知：

所需最大力矩Mmax发生在快速启动时

Mmax=39.352kgf.cm=393.52N.cm

4）绘制进给伺服系统的机械装配图

在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型，完成齿轮传动比计算后可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。

在绘制机械装配图时，除了从总体上考虑机床布局情况以及伺服进给机构与原机床的联系外，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。

1）了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横流板、刀架等的结构尺寸。

2）根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴承支承轴承的型号。

3）减速齿轮的参与和结构尺寸计算，确定齿轮侧隙的调整方式，在满足装配工艺的前提下，合理设计齿轮箱的结构。

4）考虑各部位间的定位、连接和调整方法。

例如，应保证丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座，轴承座在安装面上的连接与定位、齿轮箱在安装面上的定位、步进电机在齿轮箱上的连接于定位等。

5）考虑密封、保护、润滑以及安全机构等问题。

例如，丝杠螺母的润滑、防尘、防铁屑保护、轴承的润滑以及密封、齿轮的润滑及密封、行程限位保护装置等。

6）在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。

此外，注意绘制装配图时的一些基本要求。

例如，绘图标准、试图布局以及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等。

四、步进电动机的计算与选型

4.1步进电动机选用的基本原则

合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。

现仅就选用步进电动机最基本的原则介绍

如下：

4.1.1步距角α

步距角应满足α≤αmin/i

式中，i---传动比

αmin---系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角

4．1.2精度

步进电动机的精度可以用步距误差或累计误差衡量，累计误差是指转子从任意位置开始，经过比较实用，所选用的步进电动机应满足：

△θm---步进电动机的累计误差

（△θs）---系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差

4.1.2转矩

为了使步进电动机能正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件

a．启动力矩。

一般选取为

Mq≥MLo/0.3~0.5

式中，Mq---电动机启动力矩

MLo---电动机静负载力矩

根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表（4）所示，表中MJM为步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。

运行

相数

方式

拍数

Mg/Mjm

0.5

0.866

0.707

0.897

0.951

0.866

表（4）步进电动机相数、拍数启动力矩表

由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：

Ft≥（fop）m

式中，f---极限启动频率

（fop）m---要求步进电动机最高启动频率

4.2步进电动机的选择

4.2.1CA6140纵向进给系统步进电机的确定

Mq=MLo/0.4=123.339÷0.4=308.35N.cm

为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表得:

Mq/Mjm=0.866

所以步进电动机最大静转矩Mjm为：

Mjm=Mq/0.866=308.35÷0.866=356.06N.cm

步进电动机最高工作频率：

Fmax=vmax/60δp=2000÷（60×0.01）=3333.3Hz

综合考虑，查步进电动机技术数据表选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。

五、结论与展望

将CA6140普通车床数控化改造后，首先要对改造前的CA6140普通车床进行经济分析，论证改造的必要性，然后进行相关技术的可行性研究，其次结合市场调研，确定改造方案，确定性能和精度指标。

（1）拆卸车床，对主传动系统进行大修，对车床相关部件和参数进行绘制、测量，为CA6140普通车床数控化改造提供原始数据。

（2）根据切削力理论，进行进给系统的设计与计算，选择合适的滚珠丝杠螺母副、步进电机的型号，设计

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