普通CA6140车床的经济型数控改造设计论文Word文档下载推荐.docx
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1绪论
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.较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。
能获得稳定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，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床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，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。
这一工作早在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，中小企业则达74%。
在美国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和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的，因此，普通机床的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，已成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，可以提高固定资产的使用效率；
（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，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。
即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷Fm,一般使Coa/Fm=2～3.
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。
考虑到简易经济改装，所以采用外循环。
因此初选滚珠丝杠的型号为型CD63×
8-3.5-E型，主要参数为
Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,λ=2o19’，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
η=tgλ/tg（λ+φ）=tg2o19’/tg（2o19’+10’）=92%（3-5）
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=±
Fml/EA（3-6）
=±
1790.68×
2280/20.6×
10×
π×
（31.5）2
=0.0064mm
2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2
采用有预紧的方式，
因此用公式δ2=0.0013×
（3-7）
=0.0013×
2
=0.0028mm
在这里Fyj=1/3Fm=1/3×
1790.68=597N
Z=πdm/Dw=3.14×
63/4.763=41.53
Z∑=41.53×
3.5×
1=145.36
丝杠的总变形量δ=δ1+δ2=0.0064+0.0028=0.0092mm<
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=fz2EI/L2（3-8）
式中：
E为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6×
104Mpa；
I为截面惯性矩，对丝杠圆截面I=πdl4/64（mm4）（dl为丝杠的底径）；
L为丝杠的最大工作长度（mm）；
fz为丝杠的支撑方式系数由表3-1查得。
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
Fz
0.25
2.0
4.0
1.0
由Fk=fzπ2EI/L2且fz==2.0,E=20.6×
104Mpa,I=πdl4/64mm4,L=2800mm为丝杠的长度
由于I=πdl4/64
=π（63-5.953）4/64
=3.14×
57.0474/64
=519614mm
Fk=2×
3.142×
20.6×
104×
519614/28002
=276276
Nk=276276/1875
=149>
>
4
所以丝杠很稳定。
3.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤
（1）型号选择
1）最大工作载荷计算
由于导向为贴塑导轨，则：
k=1.4f’=0.05,F1为工作台进给方向载荷，
Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,
最大工作载荷：
Fm=kF1+f’（Fv+2Fc+G）
=1.4×
2144+0.05（5360+2×
1340+9.8×
75）
=3440.4N
2）最大动载荷的计算
V横=1400r/min×
0.79mm/r=1106mm/min
n横丝=v横×
1/2/L0纵=1106×
1/2/4=138.25r/min
L=60nt/=60×
138.25×
15000/106=124.43
3440.4=25763.7N
∴初选滚珠丝杠型号为：
CD50×
6-3.5-E
其基本参数为Dw=3.969mm,λ=2o11’,L0=6mm,dm=50mm,圈数×
列数×
1
（2）横向滚珠丝杠的校核
1）传动效率η计算
η==tgλ/tg（λ+φ）=tg2o11’/tg（2o11’+10’）=93%
2）刚度验算
1.丝杠的拉压变形量
δ1=±
Fm×
L/EA=±
3440.4×
320/20.6×
252=±
0.0027mm
2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量
δ2=0.0013×
=0.0070mm
在这里Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N
50/3.969=39.56
Z∑=39.56×
1=138.48
丝杠的总变形量
δ=δ1+δ2=0.0027+0.0070=0.0097mm<
查表知E级精度允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格
（3）滚珠丝杠螺母副的精度等级：
数控机床根据定位精度的要求通常选用1---5级精度的滚珠丝杠，1---5级
度丝杠的行程公差数值如表
（2）所示：
项目
符号
有效行程lm/mm
精度等级
3
5
目标行程公差
ep
＜315
6
8
12
16
23
315~400
7
9
13
18
25
400~500
10
15
20
27
500~630
11
22
30
行程变动量公差
Vmp
17
19
26
14
21
29
任意300mm内行程变动量
V300p
2πrad内行程变动量
V2πp
表
（2）滚珠丝杠行程公差/μm
3.2.4齿轮有关计算
（1）纵向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=80kgf=800N（根据图纸粗略计算）
滚珠丝杠的导程:
Lo=12mm
步距角:
α=0.75°
/step
脉冲当量:
δp=0.01mm/step
快速进给速度：
Vmax=2m/min
所以,变速箱内齿轮的传动比
i=
=
=2.5（3-9）
齿轮的有关参数选取如下:
Z1=32,Z2=40,模数m=2mm
齿宽b=20mm压力角α=20°
齿轮的直径d1=mz1=2×
32=64mm
d2=mz1=2×
40=80mm
dα2=d1+2ha*=68mm
dα2=d2+2ha*=84mm
两齿轮的中心矩a=
=
=72mm
2）转动惯量计算
工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量:
J1=W（
）2=（
）2×
80×
=0.467kg.cm2（3-10）
对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算:
J=7.8×
10-4D4Lkg.cm2（3-11）
式中D---圆柱形零件的直径,cm
L---零件的轴向长度,cm
所以,丝杠的转动惯量:
J1=7.8×
10-4+D4L1=7.8×
10-4×
3.24×
140.3=11.475kg.cm2
齿轮的转动惯量:
=7.8×
6.44×
2=2.617kg.cm2
84×
2=6.39kg.cm2
电动机转动惯量很小,可忽略。
因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量
J=（1/i2）（JS+Jz2）+Jz1+J1=（1/2.52）（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942kg.cm2=59.42N.cm2
丝杠名义直径/mm
导程/mm
1m长丝杠的转动惯量kg.cm2
0.94
50
35.76
0.84
31.98
2.24
60
81.58
2.00
78.02
4.91
74.96
4.47
70
157.35
35
9.26
150.47
8.72
145.13
8.30
80
263.49
40
16.29
255.84
15.45
90
420.31
15.18
392.75
45
26.13
100
649.56
24.54
615.16
22.63
562.44
39.75
120
1233.93
37.64
24
1144.60
表（3）滚珠丝杠的转动惯量
3）所需转动力矩计算
快速空载启动时所需力矩
M=Mamax+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,Mamax---空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩;
Ma---折算到电动机轴上的加速度力矩;
Mf---折算到电动机轴上的摩擦力矩;
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