毕业设计CA6140数控改装设计.docx
《毕业设计CA6140数控改装设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计CA6140数控改装设计.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
毕业设计CA6140数控改装设计
XX学院
设计说明书
课题：
CA6140数控改装设计
子课题:
同课题学生姓名:
专业
学生姓名
班级
学号
指导教师
完成日期
CA6140数控改装设计（机械设计）
摘要:
随着我国工业生产的发展,机械工业即将面临着一个十分重要的课题----设备改造。
本设计就是对CA6140车床的机械部分，进行数控改造。
数控改造主要是简化机械传动机构、缩短传动链、提高自动化程度，也是为了解决复杂的零件加工、精度控制及提高产品质量和生产率。
在设计内容上，主要针对传动系统图和进给系统的改造设计、以及导轨和自动转位刀架的改造设计等。
目前,经济型数控机床,仍然是我国市场经济需要量最大、销售量最高。
在利用我国现有的大量闲置旧机床，对旧机床进行数控化改造，研制出一种新型高效、多能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效方法和低成本自动必由之路。
关键词:
创新设计、数控改装、主轴、刀架、导轨、数控装置、进给系统
Originalmachinerydesign——thenumericalcontrolreformationofthedesignofCA6140（machinerydesign）
Summary:
Withthedevelopmentofindustrialproductionofourcountry,themechanicalindustrywillfaceaveryimportantsubjectsoon----theequipmenttransformation.Itmeanssimplifymechanicaldrove,controlprecision,andimprovetheproductqualityandproductivitybyshorteningdrivechain,raisingautomaticdegree.Atdesigningcontent,mainly,controlandimprovetheproductqualityandproductivityforsolvingcomplicatedpartprocessing,precisiontoo.Atdesigningcontent,mainlyfocusonthetransformationofthesystemdesignandthetransformationofthelocationoftheknifeandguide.
Atpresent,economynumericalcontrollatheisstillthelatherwhichisrequiredmostheavyandsoldatthelargestvolume.Basedonthatutilizethelargeamountofunusedoldlathe,carryonthenumericalcontroltransformationtotheoldlathe,developonenewtypehighefficient,multi-functionaleconomynumericalcontrollathearethebestandonlywaytolowcoatandstockoffund.
Keyword:
Originaldesign,Numericalcontrolreformation,Mainshaft,Kniferest,Guide,Numericalcontroldevice,Entertothesystem.
引言 …………………………………………………………………………………1
CK6140数控车床主要技术参数………………………………………………2
第1章总体设计方案的确定……………………………………………………3
第2章传动系统的确定…………………………………………………………4
第2．1节转速图的拟定…………………………………………………………5
第2．2节传动系统的确定………………………………………………………8
第2．3节皮带轮的设计…………………………………………………………9
第2．4节齿轮的设计……………………………………………………………11
第2．5节轴的结构的设计……………………………………………………13
第2．6节轴承的改造设计……………………………………………………14
第2．7节主轴脉冲发生器……………………………………………………14
第2．8节主轴电机的选择……………………………………………………15
第2．9节其它辅助设备的改造设计…………………………………………16
第3章进给系统改造设计………………………………………………………17
第3．1节概述……………………………………………………………………17
第3．2节传动系统改造设计与计……………………………………………17
第3．3节进给系统的安装与调整……………………………………………25
第4章导轨的改造设计算………………………………………………………26
第5章自动转位刀架的改造设计………………………………………………27
第6章可控电动尾座设计………………………………………………………28
设计总结……………………………………………………………………………29
参考文献………………………………………………………………………………30
致谢……………………………………………………………………………………31
引言
随着我国工业生产的需要，当前，设备改造是机械工业面临的一个十分重要的课题，本次设计就是对CA6140车床的机械部分进行数控改造，主要是简化机械传动机构缩短传动链，提高自动化程度—与数控相适应，同时也解决复杂零件的加工精度控制，提高产品质量和生产率，在这次设计内容上主要针对传动系统图和进给系统改造设计，导轨的改造设计，自动转位刀架的改造设计等。
为达到本设计的目的，必须查阅相关资料以及向老师请教，同时也得到相关企业参观考查。
就目前，经济型数控机床，仍然是我国市场经济需要量最大、销售量最高。
在利用我国现有的大量闲置旧机床，对旧机床进行数控化改造，研制出一种新型高效、多能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效方法和低成本自动必由之路。
而随着科学技术和社会生产力的迅速发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，为使机械加工工艺过程自动化成为实现上述的最重要措施之一。
它不仅能够提高生产质量、提高年产率、降低生产率、降低成本，还能够极大地改善生产者的劳动条件。
数控技术和数控机床的延生于二十世纪中叶，经过半个世纪来，数控系统经历了从硬件到计算机数控两个阶段和从电子管数控到基于个人计算机数控平台六代的发展，数控机床的控制轴数已由半轴的点位控制。
两轴联动发展到五轴以上联动，基本上已实现数控自动化。
由于数控系统的优越性，目前，在工业发达国家中，数控机床的应用几乎已扩展到所有加工领域。
现今，经济型数控机床，仍然是我国市场需要量最大，销售量最高的数控机床，而利用我国现有大量闲置的旧机床，对其进行数控化改造，研制出一种推陈出新，盘活存量资金的和低成本自动必由之路，而我们研制的CK6130小型数控车床正是这个思路的探索与实践。
因此，为了提高产品质量提高产品精度，减少劳动强度，降低成本，实现自动化，对我国原有普通车床进行经济型的数控改造，是当前机械工业的一个十分重要的课题。
CK6140数控车床主要技术参数
最大加工工件直径：
400毫米
最大加工工件长度：
1000毫米
主轴孔径：
48毫米
主轴前端孔锥度：
莫氏6号
进给量和螺距范围
纵向：
0.01—20.48毫米
横向：
0.02—10.24毫米
快速进给速度
纵向：
3米/分钟
横向：
1.5米/分钟
主轴转速：
正转12级10—1400转/分钟
主电机
功率：
7.5千瓦
转速：
1440转/分钟
控制坐标数目：
2个
脉冲分配方式：
逐点比较法
输入方式：
绝对值或增量值输入
脉冲当量：
Z轴（纵向）：
0.01毫米/脉冲
X轴（横向）：
0.005毫米/脉冲
车床外形尺寸：
长×宽×高2668×1000×1190毫米
第1章总体设计方案的确定
CA6140车床主要用于中小型轴类。
盘类以及螺纹零件的加工。
这些零件的加工工艺要求完成的主要任务是：
控制主轴正反转和实现其不同切削速度；刀架能实现纵向和横向的进给，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具、冷却泵、润滑泵的合、停；加工螺纹时保证主轴转一致，刀架移动一个补加工螺纹的螺距或导程。
这些内容是数控改造系统控制的对象。
根据CA6140车床的有关数据资料，确定CA6140车床的机械改造方案为：
1.传动系统的改造
将CA6140的正转24级和反转12级改为正转12级和反转6级的简易经济型数控机床。
在满足基本转速范围和工作性能要求同时，简化传动机构，缩短传动链，并在主轴后端安装光电编码器，将CA6140车床的手动分级变速改造为自动分级变速，使之具有操作方便，结构简单的特点。
2.进给系统的改造
Z轴（纵向）进给系统。
拆除原机床的进给箱。
溜板箱。
光杆和丝杠，将步进电机布置在原丝杠左端，利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装减速齿轮箱，步进电机采用V带轮减速。
将滚珠丝杆代替原丝杠，仍安置原丝杠位置，滚珠丝杠采用可预紧安装方式，安装方式以减少或消除丝杆产生的弯曲变形，使丝杆拉压刚度有较大提高。
工作时，步进电机经V带传动到主轴箱内，将拖动扭矩传给滚珠丝杠副，带动大拖板连接沿纵向往复运动。
X轴（横向）进给，将步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖扳连接，步进电机，齿轮箱体安装在中拖的后侧。
第一刀架的改造：
拆除原刀架和小拖扳，换上数控刀架。
第二电动尾座改造：
该改装可根据加工需要使刀具自动进给或手动进给，采用链传动和牙嵌离合器，结构简单可靠。
第2章主传动系统设计
CA6140型车床，其主动链可使主轴获得24级正转（10-1400r/min）和12级反转（14-1580r/min）。
首先分析一下CA6140的传动路线，运动由电机（7.5kw，1450r/min）经V带轮传动副×114mm／×220mm传至主轴箱中的轴I，在轴I上装有双向多片摩察离合器M1，使主轴正转反转或停止。
当压紧离合器M1左部的摩擦片时，轴I的运动经齿轮副56/38或者说51/43传动轴Ⅱ，使轴获得Ⅱ两种转速。
压紧右部摩擦片时，经齿轮50轴Ⅳ上的空套齿轮34传给轴Ⅱ上固齿轮30，这时轴I至轴Ⅱ间多一个中间齿轮34，使轴Ⅱ的转向与经M1左部传动时相反。
反转转速只有一种，当离合器处于中间位置时，左右摩擦片都没有被压紧，轴I的运动不能传至轴Ⅱ，主轴停止。
运动由轴Ⅲ传往主轴有两条路线：
1.高速传动路线：
主轴上的滑移齿轮50移至左端，使之与轴Ⅲ上右端的齿轮63啮合，运动由轴Ⅲ经齿轮副63/50直接传给主轴，得到450r/min至1400r/min的6种高速。
2.低速传动路线：
主轴上的滑移齿轮Z50移至右端使主轴上的齿式离合器M2齿合轴Ⅲ的运动经齿轮副20/80或50/50传给轴Ⅳ，又经齿轮副20/80或51/50传给轴Ⅴ，再经齿轮副26/58和齿式离合器M2传至主轴，使主轴获得10—500r/min的低速。
从CA6140车床传动路线分析可得出其还存在以下缺点：
⑴CA6140传动路线矿长，传动机构较多，其中传动轴最少有4根，最多有6根，主轴正转，齿轮副数最少有3对，最多有5对，反转时，最少有4对，最多有6对，这不仅使箱体结构尺寸复杂，造价费用高，而且降低传动效率，降低加工精度。
⑵CA6140车床主轴能够获得12级反转转速。
作为普通车床，主轴反转不是用切削加工，而且用于车削螺纹时，切削完一刀之后使车刀沿螺纹线退回，以便提高加工精度，但实际应用中，通常使用的只是其中2至3种。
⑶在传动路线上，滑移齿轮达5对之多，因滑移齿轮都是采用花键联接，这就使得花键轴强度.刚度.材料比普通要高，成本显然也高。
⑷当主轴正转时，轴I上Z=56齿轮带动Ⅱ轴上Z=38齿轮，Ⅱ轴转速很高，此时Ⅱ轴Z=39齿轮带动齿轮Z=41，使Ⅲ轴也高速旋转，也使Ⅲ轴右端齿轮Z=63高速转动。
即使空载线速度也很高，也是一个重要的噪声源。
此次CA6140数控改造设计—机械设计部分，其设计任务的基本要求为：
简化机械传动机构，缩短传动链，提高传动精度。
参照有关机床数控改造资料对CA6140改造成主轴为12级的经济型数控机床。
此改造方案有以下优点：
⑴与CA6140车床相比，改造后减少了2根传动轴，而且只有3对齿轮传动，简化了传动机构，缩短了传动链，减少制造成本费，提高了传动精度。
⑵改造后，有12级正转（31.5r/min至1400r/min）和反转6级（31.5r/min至1350r/min）转速范围与CA6140基本相同，至于最低转速只有31.5转/分钟，但进给机构及刀架都已自动化，所以这种转速能够满足使用要求。
⑶经改造后，滑移齿轮由原来的5对减少到3对，不仅减少了轮齿数和齿轮传动轴，而且总体结构得到简化，造价费用也可减少1/4。
⑷经改造后，改造了齿轮的加工工艺，同时也降低了齿在主轴上啮合线速度，减少了噪声源。
⑸价格便宜。
仅数控系统与国外同类型系统相比，前者只要1—2万元，而国外系统则要十几至几十万。
⑹解决复杂零件的加工精度，提高生产率。
⑺提高工人素质，减轻工人的劳动强度，促进技术进步和科技成果的普及应用。
第2.1节转速图的拟定
2.1.1、绘出数控车床的传动原理图
数控车床的传动原理与卧式车床原则上相同，只是许多地用电联系代替了机械联系。
根据普通车床原理图及有关资料[1]和设计要求，确定卧式数控车床原理图如下图所示：
4
3
2.1.2、公比Φ确定
由于设计的车床是普通型，从使用性能方面考虑公比Φ最好选小些，以便减少相对转速损失，但公比Φ太小，级数就多，将使机床的结构复杂，对于一般生产要求较高的普通车床，减少相对转速损失是主要的，根据以上原因及资料[1]选定公比Φ=1.26
2.1.3、结构式的拟定
已知设计的车床类型为普通型，主轴的转速级数确定为12级，选定公比Φ=1.26
拟定该车床的结构式有以下几种：
a.12=31×23×26b.12=31×26×23
c.12=32×21×26d.12=34×21×22
e.12=32×26×21f.12=34×22×21
为了减少主传动件结构尺寸，根据三个基本原则：
传动副数“前多后少”原则；传动线“前密后疏”的原则；降速“前慢后快”的原则；同时也考虑安全可靠，需在第一轴上装一个安全离合器。
因此确定结构式为：
2=21×22×34
2.1.4、验算传动组的变速范围
检查传动组的变速范围，我们只需检查最后一个扩大组。
因为其他传动组的变速范围都比它小，根据公式8-2[1]求得
Rmax=ΦXn（p2-1）=6.35<8
结果在允许范围之内。
2.1.5、确定传动的各级转速
此车床采用公比Φ=1.26，主轴最高转速1400转/分钟，查表7—1[1]，求出主轴上各级转速为（r/min）
n1=31.5n2=45n3=63n4=90
n5=125n6=180n7=250n8=355
n9=500n10=710n11=1000n12=1400
2.1.6、确定转速图1-1所示
图1-1转速图
2.1.7、计算各轴转速
根据普通机床的主计算公式8—2[1]，主轴转速为主轴从最低转速算起第一个1/3转速范围内的最高一级转速。
从转速图中可知：
n4j=900r/min
从而确定
n3j=125r/minn2j=355r/minn1j=710r/min
2.1.8、齿轮齿数的确定
根据传动副之间的传动比以及齿轮的基本要求，由表8—1[1]查出各齿轮为：
Z1=26Z2=26
Z3=30Z4=22
Z5=24Z6=28
Z7=22Z8=30
Z9=40Z10=64
Z11=64Z12=40
Z13=21Z14=87
第2.2节主传动改造设计
CA6140型卧式车床的主传动链可使主轴获得24级正转10～1400r/min和12级反转14－1580r/min，其运动路线是：
运动由主电机（7.5KW，1450r/min）经由三角皮带传动到主轴箱的Ⅰ轴，轴上，装有双向磨擦片式离合器M，用于主轴起动和控制正反转，离合器M向左接合时主轴正转，向右接合时，主轴反转左右不接合时，主轴正转，向右接合时，主轴反转，左右不接合时，主轴停止，轴Ⅰ的运动到离合器m和轴Ⅰ-Ⅲ可变速齿轮传至轴Ⅲ然后分两路传给主轴Ⅵ，即两轴Ⅲ上的直齿齿轮副63×3和50×3接合时，直接传给主轴Ⅵ，另当Ⅳ轴上80×2.5或50×2.5与齿轮与Ⅲ轴上20×2.5或50×2.5齿轮啮合时，Ⅲ轴经Ⅳ和Ⅴ轴的扩大螺距机构传到给主轴Ⅵ
此传动路表达式如下:
—Ⅵ主轴
此传动路线可获得24级高速和12级低速，此传动路线太长，传动机构较多，传动效率也随着降低，而此次设计的基本要求为:
简化机械传动结构，缩短传动链，提高传动精度缩短传动链，以及参与有关机床改造的资料采用12级或16级传动方案为佳.
改造方案
（1）12=2
×2
×3，公比4:
1.26
（2）16级16==2
×2
×2
×2
4：
1.26
因为改造方案有如下优点，
1结构简单
②传动方案成本低，经济效益好，不需要更换电动机.
③改造容易，可以将Ⅳ轴两对齿轮副80×2.5，20×2.5拆除。
Ⅲ轴和Ⅵ轴采用定比Ⅱ对直齿和一对斜齿轮副的传动，其工作量小，改造容易。
第2.3节皮带轮的设计
2.3.1、确定
根据CA6140普通车床已有的电机，下面求出有关V带的基本的基本参数:
1.表8-7[2]查得KA=1.1，故PCA=KA×P=1.1×7.5=8.25千瓦
2.选择普通V带型号
根据PCA=8.25r/min，nij=1400r/min由图8-7[2]确定带型为C型。
3.确定两带轮直径分别为D=114mmD=220mm
4.验算带速V
V=πDn/60×1000=3.14×220×1400/60×1000=16.12m/s
5.V带根数的确定
由公式8-22[2]可得：
Z=PCA/（Po+AP0）KAKL由表8-9[2]查得KA=0.96，查表8-10[2]得KL=0.88则
Z=7.5/（2.96+0.79）×0.96×0.88=2.37
故圆整取Z=3
2.3.2、V带轮结构设计
根据前面已知的带的根数，可知带轮槽数为3，还有基准直径220毫米，
根据公式15-2[2]
P=7.5η=7.5×0.98=7.35kwn=1440×114/220=746.18r/min
A0=110查表15-3[2]即求得：
d=23.58mm，取整d=24mm
根据结构尺寸要求，若带轮基本直径D≤（2.5—3）d（d为轴的直径）时，则采用实心式；若D≤300mm，采用腹板式（当D1-d1）≥100mm时，采用孔板式）；若D>300mm时采用轮副式。
这里D=220mm，d=24mm，可采用孔板式带轮结构，其各部分尺寸由表8-12及公式[2]分别求得如下：
bp=19mmhf=16mmha=5mm
e=25mmf=17mmδ=10mm
B=（Z-1）e+2f=（3-1）×25+2×17=84mm
Dw=D+2ha=220+2×5=230mm
d1=（1.8-2）d=（1.8-2）×24=44mm
D1=D-2（hf+δ）=220-2（16+10）=168mm
D0=0.5（D1+d1）=84+22=102mm
d0=（0.2-0.3）（D-d1）=（30-22）=26mm
L=（1.5-2）d=36-48=42mm
C=（1/7-1/4）B=12-21=16mm
V带带轮结构如图2-1所示：
图2-1V带带轮结构图
第2.4节齿轮的设计
2.4.1、确定齿轮类型、材料、精度
为了保证加工工件的精度，减少机床振动，在主轴上的齿轮应选斜齿轮，以减少轴向力，径向力等因素的影响，其余的齿轮都选用直齿圆柱齿轮。
考虑到车床的功率较大，故各对齿轮都选用硬质齿面，由表10—1[2]选用齿轮的材料均为40cr，调质及表面淬火。
故初选7级精度。
初选小齿轮齿数为Z=21，Z=87，螺旋角β=14°
1．按齿面接触强度设计
按式10—2[2]，先确定公式内的各计算值：
（1）试选Kt=1.6
（2）由图10—30[2]选取区域系数ZH=2.433
（3）由图10-—26[2]查得
εa1=0.87，εa2=0.87
则εa=εa1+εa2=1.65
（4）计算大齿轮传递的转矩
P3=7.5×0.96×0.992=7.057
N3j=125r/min
故T1=9550000×7.057/125=5.39N·mm
（5）许用接触应力[δ]H=（[δ]+[δ]）/2=1041.5Mp，其他有关参数是参照例题（10—1[2]）。
①试算小齿轮分度圆直径，由公式（10—2[2]）求得：
d1t≥69.5997≈70mm
②计算圆周速度
V=πd1tn1/60×1000=0.3297m/s符合要求。
③计算齿宽b及模数mnt
b=φdd1t=0.9×70=63mm
mnt=d1tcosβ/Z=70×cos14°/21=3.23mm
h=2.25mnt=7.275mm
b/h=8.65
④计算纵向重合度
εβ=0.31φd8Z1tgβ14°=1.713
⑤计算载荷系数K
已知使有系数KA=1，根据V=0.3505m/s，7级精度，由图10—8[2]查得动载系数Kv=1.11；由表10—4[2]查得KHB=1.14，由图10—13[2]查得KFB=1.37，由表10—3[2]查得KHA＝ＫＦＡ＝1.2，故载荷系数为：
K=KAKVKHAKHB=1.88
⑥按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式10—10a[2]得：
d1=78.53mm
⑦计算模数
mn=d1cosβ/Z=74.42×cos14°/21=3.43mm
故取mn=3mm
5．几何尺寸计算
⑴计算中心距
a=（Z1+Z2）mnt/2cosβ=167.01mm
圆整后为167mm
⑵计算大小齿轮的分度圆直径
d1=Z1mn/cosβ=64.95mm
d2=Z2mn/cosβ=269.07mm
⑶计算齿宽
b=φdd1=0.9×64.95=58.455mm
圆整后取
B2=58mmB1=64mm
⑷其他结构尺寸根据图10-39[2]求得：
符号
数值（mm）
符号
数值（mm）
ha
3
D3
144
hf
3.75
D1
191.5
da
275.07
D2
28
df
261.57
r
5
D
升级会员 