机械机床毕业设计15CA6140型车床的经济型数控改造设计正文Word文件下载.docx

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（5）数控改造费用低、经济性好；

（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。

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。

对普通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、能独立运动的进给伺服系统；

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，切削次序和刀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，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。

2设计要求

2.1总体方案设计要求

总体方案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，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、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隙的机构。

（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。

总体方案设计图如下图

（2）所示：

进给伺服系统总体方案方框图如图（3）所示：

2.2设计参数

设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。

现列出CA6140卧式车床的技术数据：

名称技术参数

在床身上400mm

工件最大直径

在刀架上210mm

顶尖间最大距离650;

900;

1400;

1900mm

宋制螺纹mm1---12（20种）

加工螺纹范围英制螺纹t/m2---24（20种）

模数螺纹mm0.25---3（11种）

径节螺纹t/m7---96（24种）

最大通过直径48mm

孔锥度莫氏6#

主轴正转转速级数24

正转转速范围10—1400r/min

反转转速级数12

反转转速范围14---1580r/min

纵向级数64

进给量纵向范围0.028---6.33mm/r

横向级数64

横向范围0.014---3.16mm/r

滑板行程横向320mm

纵向650;

最大行程140mm

刀架最大回转角±

90°

刀杠支承面至中心的距离26mm

刀杠截面B×

H25×

25mm

顶尖套莫氏锥度5#

尾座

横向最大移动量±

10mm

外形尺寸长×

宽×

高2418×

1000×

1267mm

圆度0.01mm

工作精度圆柱度200:

0.02

平面度0.02/φ300mm

表面粗糙度Ra1.6---3.2μm

主电动机7.5kw

电动机功率

总功率7.84kw

改造设计参数如下:

最大加工直径在床面上400mm

在床鞍上210mm

最大加工长度1000mm

快进速度纵向2.4m/min

横向1.2m/min

最大切削进给速度纵向0.5m/min

横向0.25m/min

溜板及刀架重力纵向800N

横向600N

代码制ISO

脉冲分配方式逐点比较法

输入方式增量值、绝对值通用

控制坐标数2

脉冲当量纵向0.01mm/脉冲

横向0.005mm/脉冲

机床定位精度±

0.015mm

刀具补偿量0mm---99.99mm

进给传动链间隙补偿量纵向0.15mm

横向0.075mm

自动升降速性能有

2.3.其它要求

（1）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本

缩短改造周期。

（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正

安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。

3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

进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板

刀架等改造的方案不是唯一的。

以下是其中的一种方案：

挂轮架系统：

全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。

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床尾座端原来装轴承座的部分。

溜板箱部分：

全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操

作按钮。

横溜板箱部分：

将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺

母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。

刀架：

拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。

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。

计算简图如下图所示：

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。

横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。

3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤

（1）最大工作荷载计算

滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在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3-1计算

工作载荷的大小。

Fm=KFL+f’（Fv+G）（3-1）

1）车削抗力分析

车削外圆时的切削抗力有Fx﹑Fy﹑Fz，主切削力Fz与主切削速度方向一致

垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。

切深抗力Fy与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。

进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。

纵切外圆时，车床的主切削力Fz可以用下式计算：

Fz=CFzαPXFzfyFzVnFzKFz（3-2）

=5360（N）

由《金属切削原理》知：

Fz:

Fx:

Fy=1:

0.25:

0.4（3-3）

得Fx=1340（N）

Fy=2144（N）

因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷F1﹑Fv和Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系。

因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出：

托板上的进给方向载荷F1=Fx=1340（N）

托板上的垂直方向载荷Fv=Fz=5360（N）

托板上的横向载荷Fc=Fy=2144（N）

因此，最大工作载荷Fm=KFL+f’（Fv+G）

=1.15×

1340+0.04×

（5360+90×

9.8）

=1790.68（N）

对于三角形导轨K=1.15,f’=0.03～0.05,选f’=0.04（因为是贴塑导轨），G是

纵向﹑横向溜板箱和刀架的重量，选纵向﹑横向溜板箱的重量为75kg,刀架重量为15kg.

（2）最大动载荷C的计算

滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用，可用式3-4计算：

C=fmm（3-4）

L为工作寿命，单位为10r，L=60nt／10;

n为丝杠转速（r／min）,n=1000v／L0;

v为最大切削力条件下的进给速度（m／min）,可取最高进给速度的1/2～1/3;

L0为丝杠的基本导程，查资料得L0=12mm;

fm为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取fm=1.5.

V纵向=1.59mm/r×

1400r/min=2226mm/min

n纵向=v纵向×

1/2/L0=2226×

1/2/12=92.75r/min

∴L=60nt/106=60×

92.75×

15000/106=83.5

则C=fmFm=×

1.5×

1790.68=11740（N）

初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大载荷C;

因此有

Ca＞C=11740N

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，