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1、CA6140车床数控改造设计阐明书目录1 .绪论12 .设计规定32.1 总体方案设计规定32.2设计参数42. 3.其他规定43.进给伺服系统机械部分设计与计算83.1 进给系统机械构造改造设计93. 2横向进给伺服系统机械部分的计算与选型103. 2.1确定系统H勺脉冲当量103 .3.3横向滚珠丝杠螺母副日勺型号选择与校核环节144 .3.4齿轮有关计算163. 3.4(2)横向齿轮及转矩的有关计算204.步进电动机的计算与选型234. 1步进电动机选用的基本原则234. 2步进电动机B选折245.主轴交流伺服电机245. 1机床主运动电机确实定265.2主轴的变速范围265.3初选主轴
2、电机0型号275 .4主轴电机的校核276 .微机控制系统硬件电路设计286.1控制系统R勺功能规定286.2硬件电路的构成286. 3设计阐明317.安装调整中应注意日勺问题317. 1滚珠丝杠副的特点317. 2滚珠丝杠螺母副的选择327. 3滚珠丝杠螺母副H勺调整327. 4联轴器U勺安装327.5主轴脉冲发生器的安装32结论35参照文献36绪论数控机床与一般机床相比，增长了功能，提高了性能，简化了构造.很好地处理形状复杂、精密、小批量及形状多变零件H勺加工问题。能获得稳定H勺加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，不过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
3、，中小企业常是心有力而力局限性；（2）目前，各企业均有大量日勺一般机床，完全用数控机床替代主线不也许，并且替代下的机床闲置起来又会导致挥霍；（3）在国内，订购新数控机床0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详细生产项目有多出功能。要很好的处理上述问题，应走通用机床数控改造之路。一般机床的改造就是在一般机床上增长微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定日勺加工工艺目的。机床数控化改造的长处：（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，提高了机床时使用价值，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
4、业性强、加工精度高、生产效率高；（4）减少对工人的操作水平的规定；（5）数控改造费用低、经济性好;（6）数控改造时周期短，可满足生产急需。目前机床数控化改造的市场在我国尚有很大的发展空间，目前我国机床数控化率不到3%。用一般机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一种企业的产品、市场、效益，影响企业日勺生存和发展，因此必须大力提高机床时数控化率。一般车床（如C616,C618,CA6140）等是金属切削加工最常用B勺一类机床。一般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
5、板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，变化参数时要停车进行操作。刀架H勺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。对一般车床进行数控化改造，重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；刀架改导致为能自动换刀的回转刀架。这样，运用数控装置，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整和更换，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多种形状复杂H勺回转零件，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设计规定2.1
6、总体方案设计规定总体方案设计应考虑机床数控系统口勺类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。(1) 一般车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向H勺直线插补、圆弧插补功能，还规定能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选持续控制系统。(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构造、减少成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。(3)根据一般车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性规定，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
7、选MCS-51系列单片机扩展系统。(4)根据系统日勺功能规定，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屏，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、丝杠螺母副构成，其传动比应满足机床所规定的辨别率。(7)为了保证进给伺服系统日勺传动精度和平稳性，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
8、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。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:技术参数400mm210mm650;900;1400;1900mm112（20 种）名称在床身上工件最大直径在刀架上顶尖间最大距离宋制螺纹mm加工螺纹范围英制螺纹t/m224（20种）模数螺纹mm0.25一一一3（11种）径节螺纹t/m7-96（24种）最大通过直径48mm孔锥度莫氏6#主轴正转转速级教24正转转速范围101400rmin反转转速级数12反转转速范围141580rmin纵向级数64进给量纵向
9、范围0.0286.33mmr、横向级数64横向范围0.0143.16mmr滑板行程V横向320mm纵向650;900;1400;1900mm最大行程140mm刀架最大回转角90o、刀杠支承面至中心H勺距离26mm2525mm5#10mm24181000 1267mm0. 01mm200:0. 020.02/ 300mm7. 5kw7. 84kw400mm210mm1OOOmm刀杠截面BXH顶尖套莫氏锥度Y尾座横向最大移动量外形尺寸长X宽X高圆度工作精度彳圆柱度平面度m主电动机电动机功率总功率改造设计参数如下：最大加工直径V在床面上在床鞍上最大加工长度快进速度纵向2.4mminY横向1.2mmi
10、n最大切削进给速度V纵向0.5mmin横向0.25mmin溜板及刀架重力V纵向800N横向600N代码制ISO脉冲分派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0.0Imm/脉冲横向0.005mm脉冲机床定位精度0.015mm刀具赔偿量Omm99.99mm进给传动链间隙赔偿量纵向横向O.15mm0.075mm自动升降速性能有2. 3.其他规定(1)原机床的重要构造布局基本不变，尽量减少改动量，以减少成本缩短改造周期。(2)机械构造改装部分应注意装配的工艺性，考虑对时的装配次序，保正安装、调试、拆卸以便，需常常调整的部位调整应以便。3进给伺服系统机械部分设计与计算3.1进给
11、系统机械构造改造设计进给系统改造设计需要改动的重要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。如下是其中的一种方案：挂轮架系统：所有拆除，在原挂轮积极轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：所有拆除，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，滚珠丝杠日勺另一端支承座安装在车床尾座端本来装轴承座的部分。溜板箱部分：所有拆除，在本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H勺丝杠的、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
12、回转四方刀架总成。3. 2横向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。图（4）进给系统计算简图确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一种进给脉冲使机床执行部件产生时进给量，它是衡量数控机床加工精度0一种基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度日勺规定来确定。对经济型数控机床来说，常采用Q脉冲当量为0.01mmstep和0.005mmstep,在CA6140日勺技术参数中，规定纵向脉冲当量fp为0.0Imm/step。横向脉冲当量为fp=O.005mmstepo横向滚珠丝杠螺母
13、副的型号选择与校核环节（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三1.4f,=0.05,F1为工作台进给方向载荷,FI=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,最大工作载荷：Fm=kF1+f,(Fv+2Fc+G)=1.4X2144+0.05(5360+2X1340+9.8X75)=3440.4N2)最大动载荷的计算V横二1400rmin0.79mmr-1106mmminn横丝二V横X12L0纵=11061/2/4=138.25rmin1.=60nt=60138.2515000/106=124.43C=VEfmFm=124431.5344
14、0.4=25763.7N初选滚珠丝杠型号为：CD506-3.5-E其基本参数为Dw=3.969mm,入二2T1,L0=6mm,dm=50mm,圈数X歹数X3.5X1(2)横向滚珠丝杠B校核D传动效率n计算=tg入tg(入+e)=tg2T1tg(2o11+10,)=93%2)刚度验算1 .丝杠日勺拉压变形量1=FmL/EA二3440.4X320/20.6104252=0.0027mm2 .滚珠与螺纹滚道间日勺接触变形量Fm&2=0.0013*FyjZ一3440.4=0.0013；,969X学1451医2=0.0070mm在这里Fyj=Fm3=3352.6/3=1118NZ=dmDw=3.14X5
15、0/3.969=39.56Z=39.563.51=138.48丝杠的总变形量=1+2=0.0027+0.0070=0.0097mm=3605p=360X0.005=3-齿轮的有关参数选用如下：Z1=18,Z2=30,模数m=2m齿宽b=20mm压力角a=20d=36mmd2=60mmda1=40mmda2=64mma=48mm2）转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上H勺转动惯量：J刃（笔2=（霁黑）2X30Xi=0.0439kg.cm2丝杠的转动惯量:Js=7. 81042450=0. 624 kg. cm2齿轮转动惯量:Jz=7. 81O-43. 642=0. 262 kg. cm2J
16、z=7. 81O-4642=2. 022 kg. cm2电动机转动惯量很小，可忽视。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1i2) ( Js+Jz2 ) +Jz1+J1 = ()2 ( 0. 624+2. 022 ) +0. 262+0. 0439=1.258kg. cm2=12. 58N. cm23）所需转动力矩计算maxr/mi nMarnaX1.258 X 416.79.6 X 0.025104n主f ooov i IOOO X IOO X 0.15 X 5 八八，/ . 廿石二三二 314 乂 60 X 4 X 3 =33. 17 r/minL01.258 X 33.17 Y .
17、Mat= 9,6 X 0.025 X 1 - 0174N. m=0. 174 kgf. cm_ FL0 _ f,wL0_ 0.2 30 0.4 3*f-2 i -2 i - 2 3.14 0.8 5Mo=加 L。- Q 二6 i214.4 0.4 X 36 X 3.14 0.8 5 (1-0. 92) =0. 649kgf. cm.PL0214.40.43,八八L，.，2i-2X3.14X0.8X5一1，242kgf.CITl-1.024N.Rl因此，迅速空载启动所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm=25.32N.cm切削时所需力矩M=M
18、at+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52N.cm迅速进给时所需力矩M=Mf+M0由以上分析计算可知：所需最大力矩MjImaX发生在迅速启动时Mmax=2.532kgf.cm=25.32N.cm4步进电动机日勺计算与选型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状况，通过度析后才能对的选择。现仅就选用步进电机最基本H勺原则简介如下：步距角步距角应满足aJ一(4-1)式中，i-传动比amin系统对步进电动机所驱动部件规定的最小转角精度步进电动机日勺精度可以用步距误差或
19、累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，通过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差11最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足：mis(4-2)式中，m步进电动机时累积误差。s-一系统对步进电动机驱动部分容许的角度误差。转矩为了使步进电动机正常运转(不失步，不越步)正常启动并满足对转速的规定，必须考虑如下条件a.起动力矩。一般选用为M0MLo0.3-0.5(4-3)式中，Mq-电动机起动力矩MLo电动机静负载力矩根据步进电动机时相数和拍数，启动力矩选用如表(4)所示，表中M“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。运行方式相数33445566拍数364
20、8510612Mg/Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866表(4)步进电动机相数、拍数启动力矩表在规定的运行频率范围内，电动机运行运行力矩应不小于电动机H勺静载力矩与电动机转动惯量(包括负载的转动惯量)引起的惯性矩之和。启动频率由于步进电动机的启动频率伴随负载力矩和转动惯量的增大而减少，因此，对应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：Ft.fopm(4-4)式中，R-极限启动频率，fopm-规定步进电动机最高启动频率。42步进电动机的选折4. 2.1CA6140横向进给系统步进电机确实定Mq=M=63.3N.cm电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知
21、：MMjm=O.866因此步进电动机最大静转矩MJm为：Kf63.3mj11=066=66=739N.cm步进电动机最高工作频率：_V-X1000fmax-603P60X0.005-3333.3HZ为了便于设计和采购，仍选用90BFOO2型直流电动机，能满足使用规定。5主轴交流伺服电机5.1主轴8变速范围主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围Rn,即RnFfnaXnmin,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，因此主轴变速范围很宽。由于NnlaX=I800nmax=14Nmax/nj=2nj/min(5-1)贝nj=J1802x=113rmin这里nj为电动机的额定转
22、速该机床主轴规定的恒功率调速范围Rn为：Rn=nmaxnj=1800/113=15.9(5-2)主轴电机H功率是：7.5kw5. 2初选主轴电机9型号选主轴电机的型号为：Simodrive系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4,持续负载PHKW=14.5,间隙负载(60%)kw=17.5kw,短时负载(20min)kw=19.25kw,额定负载nr.min=5000,最大转速nmaxrmin=8000,额定转矩277N.m,惯性矩0.206kg.r晶体管PWM变频器型号为6SC6058-4AA025.3主轴电机的校核电动机恒恒功率调速范围：Rn=nmax/nmin=8000/500
23、0=16因此所选电动机型号的调速范围满足主轴所规定的调速范围。6微机控制系统硬件电路设计6.1 控制系统的功能规定(1) z向和X向进给伺服运动控制(2)自动回转刀架控制(3)螺纹加工控制(4)行程控制(5)键盘及显示(6)面板管理(7)其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。6.2 硬件电路B构成：背面所画大图采用MCS-51系列单片机构成的控制系统硬件电路原理图。电路的构成如下：(1) CPU采用8031芯片;(2)扩展程序存储器2764两片，6264一片；(3)扩展可编程接口芯片8155两片；(4)地址锁存器，译码器个一种；(5)键盘电路，显示电路；(6)光电隔离电路，功率放大功
24、率；(7)越程报警电路，急停电路，复位电路；(8)面板管理电路。6.3 设计阐明(I)CPU采用8031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有128字节，因此，扩展外部程序存储器2764两片(16KB),数据存储器6264(8KB)一片。8031HI/O口也不能满足输入输出口的规定，本系统也扩展了两片8155可编程接口芯片。(2)采用74LSI38三八译码器的输出作为片选信号。2764(1)、2764(2)、6264、8155(1)和8155(2)的片选信号分别接到译码器QY0Y4,74LS138的输入A、B、C分别接8031HP2.5P2.6、P2.7。(3)由于2764和6264芯片
25、都是8KB,需要13根地址线，A0A7低8位接74LS373芯片的输出。A8A12接8031芯片0P2.0P2.A,74LS373地址锁存器在选通信号ALE在高电平时直接传送803IPO口低8位地址，当ALE在高电平变低电平时下降沿时，低8位地址锁存器，此时，P。口可用来向片外传送读写数据。(4)接口芯片与外设的联接及设计阐明如下：8155(2)PA.0PA.7输出口勺指令脉冲通过光电隔离电路和功率放大电路直接驱动纵向和横向步进电机时共八相绕组。在本系统中采用软件环形分派器方式，虽然运行速度慢某些，但可以省去两个硬件环形分派器，电路比较简朴，由于步进电机的每一相绕组需和一种I/O接口相连，以便
26、与控制寄存器中某一指定相位对应，因此，占用的I/O口数量较多。8155(2)B勺PC0PC5作为显示屏位选信号，显示屏B段选信号则由8031的P1.0P1.7发出，8155的PB.OPB.3是键盘扫描输入。行程限位报警信号+Z,-Z,+X,-X分别通过8155(2)0PB.4,PB.5,PB.6,PB.7提出中断祈求，根据不一样的中断口可以直接识别行程时方向，此时对应的红灯报警。8155小日勺PC.OPC.3接自动回转刀架(四方刀架)，自动回转刀架需要换刀时，由PC.OPC.3发出换位信号，经交流控制箱控制刀架电机回转，抵达指定的刀位。刀架夹紧后，即发出回答信号，表达已完毕换刀过程，可以进行切
27、削加工。换刀回答信号经8155(1)的PB.5输入计算机，控制刀架开始进给。8155(1)Pa0Pa5接控制面板上日勺控制开关，设有编辑空运行、自动、手工(I)、手工(II)、回零等选着方式。8155(1)P&JP&4接控制面板上日勺按钮开关，设有启动、暂停、单段运行、持续运行、急停等操作功能。加工螺纹时，与车床主轴相连H勺光电脉冲发生器会发出螺纹加工信号和零位螺纹信号，螺纹加工信号送入8031日勺TO,通过设置不一样B勺时间常数，可以变化主轴每转时的纵向进给量，从而加工出不一样螺距的螺纹，零位螺纹信号送入8155(1)的P6,用来防止多次走刀时螺纹乱扣。(5)系统各芯片采用全地址译码，各存储
28、器及I/0接口芯片地址编码见表(5)(6)操作面板设计方案之一见表(5):芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元(字节)地址编码2746(1)YoOOOXXXXXXXXXXXXX8KOOOOHIfffh2746(2)Yi001XXXXXXXXXXXXX8K2023H_3FFFH6264Y201OXXXXXXXXXXXXX8K4000H5FFFH8155(1)RAMY301111110XXXXXXXX2567E00H7EFFHI/OY30111111111111XXX67FF8H7FFDH8155(2)RAMY410011110XXXXXXXX2569E00H9EFFHI/OY41001
29、111111111XXX69FF8H9FFDH表芯片地址编码7车床改造日勺构造特点7.1.滚珠丝杆滚珠丝杆必须采用三点支承形式。步进电动机的布置可放在丝杠时任一端，由于拆除了进给箱，可在原安装进给箱处布置步进电动机和减速齿轮，也可在滚珠丝杆的左端设计一种专用轴承支承座，而在丝杠托架处布置步进电动机和减速7.2导轨副为减少运动部件移动时的摩擦阻力，尤其是减少静摩擦阻力，滑板和刀架移动部件的导轨可粘贴摩擦系数低的聚四氯乙烯软带7.3安装电动卡盘为了提高经济型数控机床日勺加工效率，还可考虑用电动三爪自定心卡盘装置，这种装置也可与数控装置的信号电路相配合，实现自动夹紧、松开，提高加工过程的自动化程。7
30、4脉冲发生器改造后的简易数控车床需要自动化加工螺纹时，可以在主轴后端同轴安装或者异轴安装一种主轴脉冲发生器，作为主轴位置的信号反馈元件，目的是用来检测主轴转角的位置，并且将其变化状况输送给数控装置，使其能按照所加工螺纹的螺距值进行处理。8安装调整中应注意日勺问题8.1滚珠丝杠螺母副的选择：滚珠丝杠螺母副的制造精度规定高，加工工艺比较复杂。都是由专业工厂按系列化进行生产。因此在进行设备改造时，要按厂家生产原则进行选择。选择合适后来再决定被改造设备的其他有关部分的构造和尺寸。8.2濠珠丝杠螺母副的调整：运用螺母的间隙调整装置调整丝杠副间隙时，应使调整后产生的预紧力为丝杠副最大负载的1/3为宜。在实
31、际调整中，可以把车床处在最大工作负载，使丝杠内部仍不产生间隙或者间隙量不不小于001mm,并且运转灵活，并以此作为螺母间隙调整装置预紧的判断原则。8.3联轴器的安装：传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是由于同一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时，往往会引起轴线的直线度误差增大，从而使安装在丝杠上各零件间日勺同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。8.4主轴脉冲发生器的安装：主轴脉冲发生器的的引出轴按比例1:1无间隙柔性连接传动，连接后应保证两者均有很好的同步性，安装中要注意主轴脉冲发生器是玻璃件，不能随意敲打碰撞，使用中车床主轴转速不能超过脉冲发生器
32、的最高许用转速。结论这次课题设计总计费时两个星期，刚开始时不知从何下手，在老师0指导下到图书馆查阅有关资料。有关数控上的资料翻了多次，有参照了有关设计资料，终于懂得了该怎么做。接下来筛选出一系列有价值B勺资料，与同组同学不停B勺讨论、向老师请教，终于完毕了设计。在做设计的过程中，不仅复习了所学过口勺知识点，还学到了新11知识，同步将所学到的知识充足的运用起来，做到了学以致用，还学会了查资料，除此之外，我还懂得了团结合作的重要性，懂得了集体的力量！当然，在此过程中也有许多局限性之处，例如：知识的不全面，所学的还没有所有掌握，思维的狭隘等，让我在毕业前上了生动形象的一课。同步，做设计也是磨练决心与
33、毅力日勺过程，面对复杂冗长。勺数据，打印长篇的论文，我也想过放弃，但想到它的意义我就又坚持了下来。做完了后，有一种豁然开朗的感觉，内心激动无比，通过了这次设计后来，我有信心，我也坚信只要努力、坚持，我们就能走好人生的每一步。参照文献1 .吴振彪主编.机电综合设计指导.中国人民大学社.2023.2 .余英良主编.机床数控改造设计与实例.机械工业出版社.19973 .机床设计手册编写组编.机床设计手册第一，三，四册.械工业出版社.1998.4 .明兴祖主编.数控加工技术.化学工业出版社.2023.5 .胡占齐，杨莉主编,机床数控技术.机械工业出版社.1999.6 .王先逵主编.机械制造工艺学.机械工业出版社.2023.7 .邱宣怀主编.机械设计.高等教育出版社.20238 .黄调，赵松年主编,机电一体化技术基础及应用.机械工业出版社.1999.
