CA6140车床数控改造设计说明书Word文档格式.docx
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（3）自动化程度高，专业性强，加工精度高，生产效率高。
（4）降低对工人操作技术水平的要求。
（5）数控改造费用低，经济性好。
（6）数控改造的周期较短，可满足生产急需。
十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。
由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。
对于原有老的经济型数控车床，特别是80年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；
而且在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。
2总体方案设计
CA6140是金属切削机床加工中最常用的一类机床，CA6140普通车床的布局如下图2.1所示。
图2.1CA6140普通车床的结构布局
当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面，圆锥面，端面，螺纹面等，借助于成型刀具，还能加工各种回转表面。
普通车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，由光杆或丝杆带动纵溜板、横溜板的移动。
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。
对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进进给系统改造成为微机控制的，能独立运动的进给系统，刀架改造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。
由于切削过程中切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动运行，调节和更换，再加上纵向和横向联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复查的回转零件，并能实现多工序自动加工车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适合小批量多品种复查零件的加工。
本设计属经济型数控化改造，基本原则是在满足使用要求的前提下，对车床的改动尽可能少，总体方案如下：
（1）数控系统选用连续控制系统，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及圆弧插补功能，还要能暂停，进行循环加工和螺纹加工等。
（2）进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。
车床数控化改造设计后属于经济型
数控车床，在保证一定加工精度的前提下，既简化了结构又降低了成本。
（3）选择MCS-51系列单片机扩展系统，根据普通车床最在加大尺寸，加工精度，控制速度以及经济性要求，经济型数控改造一般采用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，具有很高的性能价格比。
（4）根据系统的功能要求机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器，I/O接口电路；
包括输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床加工状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路。
此外，系统中还应包括螺纹加工中用到的光电脉冲编码器和其它辅助电路。
（5）设计自动回转刀具其控制电路。
（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，滚珠丝杆螺母副组成，其传动比满足机床所有要求的分辨率。
（7）选用摩擦小，传动效率高的滚珠丝杆螺母副，并有预紧机构，以提高传动系统的刚度和消除间隙，齿轮副采用双片齿轮消除间隙的机构，这样才能保证进给伺服系统的传动精度和平稳性。
（8）为减少导轨的摩擦力，采用贴塑导轨。
（9）原机床的主要结构布局不变，尽量减少改动方案，以降低成本，缩短改造周期。
（10）机械结构改装部分注意装配工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便；
需经常调整的部位调整方便。
系统改造总图方框图如图2.2所示。
图2.2CA6140型改装数控进给伺服系统总体方框
3进给伺服系统机械部分设计计算与校核
3.1机械结构改装设计
3.1.1方案的确定
进给系统改装设计需改动的主要部件有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板及刀架等。
当然改造方案不是唯一的，下面是我的改装方案:
挂轮架部分：
全部拆除，在原挂轮主传动轴处安装光电脉冲编码器。
进给箱部分：
全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与一级齿轮减速机构，原丝杆，光杆和操作杆拆去，齿轮减速机构直接与纵向滚珠丝杆相连，滚珠丝杆另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座部位。
溜板箱部分：
全部拆除，在原处安装滚珠丝杆中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。
横向溜板部分：
将原横溜板中的丝杆螺母副拆除，将横向进给步进电机与二级齿轮减速箱总成安装在横向溜板后并与滚珠丝杆相连。
刀架：
拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。
改装后机床总体布置见附图1
进给伺服系统机械部分的计算与选型包括：
确定脉冲当量，导轨的选型与计算，计算切削力，滚珠丝杆的设计，计算与选型，齿轮传动计算，步进电机的计算和选型等。
根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：
0.01mm/step,横向：
０.005mm/step。
3.2计算切削力
3.2.1纵车外圆
主切削力Fz（N）按经验公式估算：
Fz=0.67D
-------3.1
=（0.67×
400
）N=5360N
按切削力各分力比例:
Fz：
Fx：
Fy=1：
0.25：
0.4-------3.2
Fx=（5360×
0.25）N=1340N
Fy=（5360×
0.4）N=2144N
3.2.2横切端面
主切削力Fz′（N）可取纵切的1/2
Fz′=1/2Fz=2680N
此时走刀抗力为Fy′（N）,吃刀抗力为Fx′（N）.仍按上述比例粗略计算：
Fz′：
Fx′：
Fy′=1：
0.4-------3.3
Fy′=（2680×
0.25）N=670N
Fx′=（2680×
0.4）N=1072N
切削力示意图如图3.1
图3.1纵切外圆及横切端面切削力示意图
3.3滚珠丝杠副的计算和选型
3.3.1纵向进给丝杠
（1）计算进给牵引力Fm（N）
纵向进给为综合型导轨,参考〈〈机床设计手册.3〉〉及《综合作业指导书》P22
Fm=KFx+f（Fz+G）-------3.4
=[1.15×
1340+0.16（5360+1500）]N=2638.6N
式中K---考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；
f---滑动导轨摩擦系数：
0.15～0.18；
G---溜板及刀架重力,取1500N。
（2）计算最大动负载C
C=
f
Fm-------3.5
L=60nT/10
n=1000Vs/L。
式中L。
---滚珠丝杠导程，初选6mm；
Vs---最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/2～1/3，此处Vs为0.5m/min；
T---使用寿命，按15000h；
f
--运转系数，按一般运转取1.2～1.5；
L---寿命以10
转为1单位。
n=1000Vs/L。
=1000×
0.5×
0.5/6r/min=41.67r/min
L=60×
n×
T/10
=60×
41.67×
15000/10=37.5
C=
Fm=37.5×
1.2×
2368.6N=10598.2N
（3）滚珠丝杠螺母副的选型
查阅《综合作业指导书》附录A表A-3，可采用CD4006外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级按《综合作业指导书》表3-17选为3级（大致相当于老标准E级）。
（4）传动效率计算
=tan
/tan（
+
）-------3.6
式中
---螺旋升角，CD4006
=2°
44′
---摩擦角取10′滚动摩擦系数0.003～0.004
=tan
）=tan2°
44′/tan（2°
44′+10′）=0.94
（5）刚度验算
先画出此向进给滚珠丝杠支承方式草图如图1所示。
最大牵引力为2368.6N。
支承间距L=1500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。
图3.2车床纵向进给系统计算简图
ⅰ丝杠的拉伸或压缩变形量
查《综合作业指导书》图3-4，根据Fm=2639N,D。
=40mm,查出
/L=0.8×
10
可算出：
=
/L×
1500=（0.8×
×
1500）mm=1.2x10
mm
由于两端均采用推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。
其实际变形量
′（mm）为:
′=
1/4=0.3×
ⅱ滚珠与螺纹滚道间接触变形
查《综合作业指导书》图3-5，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量
：
=6.4
m
因进行了预紧，
1/2=1/2×
6.4
m=3.2
ⅲ支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形
采用8206型推力球轴承，d1=35mm,滚动体直径dQ=6.35mm,滚动体数量z=18,
=0.00052
=0.00052
mm=0.0078mm
注意，此公式中Fm单位应为N。
因施加预紧力，故
=
0.0078mm=0.0039mm
根据以上计算：
=（0.003+0.0032+0.0039）mm=0.0101mm<
定位精度（0.015mm）
（6）稳定性校核
滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。
3.3.2横向进给丝杠
（1）计算进给牵引力Fm′
横向导轨为燕尾形，计算如下：
Fm′=1.4×
Fy′+f（Fz′+2Fx′+G′）
=[1.4×
670+0.2（2680+2×
1072+800）]N≈2063N
（2）计算最大动负载C
n=1000×
Vs/L。
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