毕业设计 毕业论文 CA6140数控改造及控制系统设计说明书.doc

摘 要数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用，但数控机床一次性投资较大，对机床进行数控化改造不失为一良策。本设计利用数控装置对ca6140普通车床进行控制,主传动系统部分 采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速箱驱动主轴，通过变频器和齿轮变速箱实现分段无级变速；进给系统采用步进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动，在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠；刀架改为自动转位刀架(四工位)从而实现自动换刀；通过mcs-51系列8051单片机对数据进行计算处理，由i/o接口输出步进脉冲信号控制进给速度和行程；为了保持切削螺纹的功能，要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器；将车床的手动尾座改造成为可控电动尾座。 本次设计的数控改造为经济适用型，改造简单易行，可降低劳动强度，提高生产效率。主要介绍了经济型数控机床进给伺服系统设计计算。阐述了ca6140普通数控车床的主轴系统的改进及机床纵向、横向进给系统的改造设计及计算。关键词： ca6140车床；数控改造；滚珠丝杠；步进电动机abstractthe nc machine plays a very great role in mechanical engineeringalthough the investment needs a great deal of money，it is a good way to try digital modification for ordinary lathe.the spindle speed of ca6140 remains the manual function of shifting gearsthe alteration is easy and it can reduce labor intensity and improve productive efficiency but the nc machine larger one-time investment, nc machine tools for the transformation of a good after all. the design of the device using nc lathe ca6140 control, part of the main transmission system using ac spindle motor and graded by the pulley driven spindle gearbox, through the inverter and gearbox to achieve sub; feed system used by stepper motor driven ball screw slowdown after campaign vertical feed system through a gear after the ball screw drive, in the horizontal feed system through two gear-driven ball screw; tool to automatically transfer tool carrier (4-position), thus achieving automatic tool change; by mcs-51 series 8051 data to be dealt with. from the i / o interface stepper pulse output signal to control the feed rate and itineraries; in order to maintain the function of cutting thread, to the outer end of spindle or other appropriate location loaded pulse generator; lathe will be transformed into tailstock manually controlled electric tailstock. the design of the nc transformation of the economy - the application, transforming simple, can reduce labor intensity, improve production efficiency. introduced a major economic nc machine tool servo system design. expounded the ca6140 ordinary nc lathe spindle system improvements and vertical machine, horizontal feed system of the design and calculation. keywords：ca6140 lathe；digital modification；ball screw；stepping motor目录摘要.abstract.引言.1第一章 绪论.21.1 数控机床优势概述31.2 车床数控改造的现状与国内背景 61.3 车床数控改造的必要性与可行性 8第二章 总体方案的确定.92.1 设计任务.92.2 总体方案的论证.102.3 总体改造方案的确定.11第三章 机床部分改造.113.1 床身.133.2主轴箱变箱.133.3 纵向伺服进给结构的设计和计算.143.4 横向伺服进给结构的设计和计算.153.5 自动刀架部分的设计.343.6 挂齿箱.363.7 拖板.36第四章cnc数控系统的设计横向.384.1、系统的设计.38结论41参考文献.42科技译文.43第二章 总体方案的确定引 言 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的解决了现代机械制造中结构复杂，精密，批量小，多变零件的加工问题，且能稳定产品的和、加工质量。大幅度的提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床间隔较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。另外从目前国内机床使用的现状来看，普通机床拥有量巨大，在生产中，数控机床相对于普通机床的优势较为明显，而由于数控机床价格昂贵，所以有必要对普通机床加以数控改造，使之能完成数控机床能完成的部分生产任务。因此，我大胆的提出了对普通ca6140车床的数控化改造。 ca6140普通车床是普通机床中比较有代表性的机床，它在机械结构上有其先天性的不足。如刚度低、抗振动性差、滑动摩擦阻力较大及传动元件存在间隙等，因此需要有目的地改造，以满足数控机床最基本的要求，这也是本文主要讨论的问题。对要改装成通常加工用的数控机床，一般只在进给系统作改进。第一章 绪论 数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造大有可为。 金属切削机床是加工机器零件的一个主要设备。它担负的工作量，约占机器总制造量的40-60%。机床的计术水平直接影响机械制造工业和劳动生产率。 金属切削机床是人类在改造自然的长起生产实践中，不断改进生产工具的基础上发展起来的。近些年来我国机床工业已取得很大成就。但和世界先进水平相比，还有较大的差距。主要表现在大部分高精度和超密机床的性能还不能满足要求。精度保持性也很差。特别是高效自动化和数控机床的产量，技术水平和质量等方面都明显落后。我国的技术人员素质还跟不上现代机床技术飞速发展的需要。 通过写这次毕业设计，学会了综合运用机械课程设计和其它课程地理论和实际知识，掌握了机械设计的一般能力，树立了正确的设计思想，培养了分析和解决问题的能力。 学会了从机械功能的要求出发，会合理选择传动机构类型，制定设计方案，正确计算的工作能力。确定它的尺寸，形状，结构及材料，并考虑制造工艺，使用，维护，经济和安全等问题，培养机械设计能力，机床设计是设计人员根据使用部门的要求和制造部门的可能，运用有关的科学技术知识，所进行的创造性的劳动。随着生产的发展，使用部门对机床的要求也在不断地提高，而科学技术的发展和工艺水平的提高，又为制造部门创造了实现使用要求的条件，从而使机床的设计与制造获得了迅速的发展。 机床设计也是从低级到高级发展的。在开始设计机床的最初阶段，主要考虑这样两点：首先，为了加工出一定形状的工件，必需保证刀具与工件之间具有一定的相对运动关系；其次是机件要有足够的强度。过了一段时间以后，又提出对机床几何精度的要求。这时的机床设计与制造是在满足机床几何精度要求的前提下，主要根据经验或者用类比的方法进行的，可统称为经验设计。 随着科学设计的发展和工艺水平的提高，尤其是先进刀具的出现，使机床向高速，大功率的方向发展。因此，对机床的精度和生产率等方面要求也就越来越高。于是，又相继提出了一些设计机床时必须考虑的问题，如机床的精度问题，刚度，抗争性，低速运动平稳性，热变形，噪音，磨损等等。对于这些问题的研究主要是通过机床性能实验进行的。通过实验，分析它们的规律性，分析影响机床性能的主要原因和寻求解决问题的方法。这时的机床设计是以实物测试和模型实验为基础进行的。与此同时，把技术科学中的理论应用到机床设计中来，初步建立起机床的基础理论。对于机床设计，显著地提高了机床的性能。 近些年来，现代科学技术的成就，为机床设计提供了大量的测试数据，理论研究也进入了新的阶段，尤其是电子计算机的应用，使机床设计开始进入计算机辅助(cad)和优化的间断。 通过写这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件1.1 数控机床优势概述1.1.1数控车床改造的意义我国现在拥有数量多达300多万台的通用机床，其中大部分机床的加工精度、生产率和自动化程度与先进设备相比不高，要想在几年内大量地用数控机床来更新，无论在资金上还是技术力量上都是难以实现的。但如果利用数控技术根据需要对现有机床加以改造，不仅能实现机床的自动化，提高机床的加工精度，而且投资少、见效快，适合我国的生产力水平。因此，利用数控技术改造旧设备已成为我国推广全功能数控机床的过渡手段。1.1.2普通车床数控化改造的优点 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： (1) 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 (2) 加工精度高，具有稳定的加工质量； (3) 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；(4) 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； (5)机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产效率高（一般为普通机床的35倍）；(6) 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度改善劳动条件； (7) 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。数控机床一般由下列几个部分组成： a 主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。b 数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、crt显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 c 驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。d辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。e 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 还具有良好的经济效益；有利于生产管理的现代化；数控改造费用低；机械性能稳定可靠，结构受限；可充分利用现有的条件；可以采用最新的控制技术；交货期短，可满足生产急需等优点。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、pc技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。 1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。1.1.3数控化改造的内容车床数控化改造的主要内容和主要结构形式如下：1、进给轴的改造 (1) 滚珠丝杠副的选择和布置结构形式 (2）机床导轨 (3）电机与丝杠的联接 2、主轴部分的改造 3、刀架部分的改造 4、润滑部分的改造 5、机床防护 1.2 车床数控改造的现状与国内背景随着我国市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，中、小批量的生产越来越多。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。对于机械制造企业，单纯靠购买新的数控机床，所需投资大。为了节约资金，降低成本，利用原来的部分普通机床进行数控化改造，提高机械设备的数控化率，是一种有效的途径。总体改造方案数控化改造设计时，在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件，因此确定总体改造方案如下：a：除原车床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上，纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。为便于安装滚珠丝杠副，丝杠采用分体式，用套筒联轴器实现刚性联接；b：横向驱动电机及齿轮减速器安装在床鞍的后部(相对操作者)，纵向驱动电机及齿轮减速装置安装在机床的右端，靠近尾座的位置；c:要实现自动换刀。 (1)我国现有的、数以万计的陈旧、落后的机床是机床大修与数控化改造行业产生的现实基础我国是一个发展中国家，由于长期自身机制的不适应性，经济实力过低、技术落后、设备陈旧，极大地制约着国民经济的发展。为尽快改变我国机械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时，积极地引进了世界先进技术与设备。一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生产出具有世界先进水平的各类机床；另一方面直接购进了大量的各类机床。这一切都为我国国民经济的快速发展起到了巨大的作用。 但是，机床长期运转甚至超负荷使用，同时又缺少认真的维修与保养，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些机床则由于企业人员及产品结构的改变，或由于技术力量不足而被长期闲置，需要使用时却发现早已锈迹斑斑，电控系统不能起动； 由于新产品制造的需要，原有机床性能已不能满足使用要求，急需更新升级改造；由于世界计算机及网络技术的飞速发展，造成数控系统、驱动系统厂的产品更新加快，原有产品过早停产，给备件更换与维修带来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在510年，而我国大多数机床都在超期服役。 这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。 (2)新进的大批二手机床成为机床大修及数控化改造行业的催化剂自改革开放以来，许多企业引进了一大批国外淘汰的旧机床，虽然有一部分尚能满足使用要求，但是多数由于缺少经验、技术、资料及备件等因素，造成虽廉价购进但却不能继续发挥作用而闲置的尴尬局面。 其中不乏有为改造后投入使用而引进的旧机床和生产线。这里多数的二手机床只要再有适当的资金投入，经过大修改造即可发挥作用。 (3)显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力 对于机床拥有者来说，只需花费购买相同新机床30%以下的费用即可获得相同的使用效果。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%左右的价格。 对于机床大修改造业内公司来说，这不仅为他们的服务企业产生巨大社会经济效益，而且也是他们自身生存和发展的根本动力。 (4)机床大修及数控化改造的优势是该行业生存与发展的有利条件 旧机床的大修、翻新、升级改造与购买新机床相比，具有下列优势： 交货期短。尤其是大型机床和特殊专用机床优势更加明显。 性能更稳定。各基础件经长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度；各功能部件经长期磨合。功能稳定性可靠性好。 设计风险小。新机床设计中带来的技术、方案风险在大修改造中几乎不存在。 可以更充分地体现用户的意愿。用户与维修人员可以依照实际需要和机床长期使用情况，在大修改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进(包括增、改)意见，有权选择机械零部件、数控系统等电气设备的规格、型号、性能等。 更有利于使用与维护。由于用户、维修人员不仅可以直接参与改造方案的制定，而且可以参与改造的全过程，可以直接获取各种技术信息，更深入地掌握机床的结构及性能特点，从而增强使用与维修的主动能力。 可以更快地获取最新的更实用的备件。 节省大量投资。 降低投资风险。 (5)社会化、专业化趋势是机床大修及数控化改造行业的必由之路 旧机床的数控化改造和翻新不仅仅是当前经济转轨时期必要和重要的行为，而且是一个企业长期发展的战略措施。 当前，21世纪知识经济时代，我国大多数企业正面临着企业改制、转轨以进入市场经济，迅速融入国际竞争。这就需要我们企业的领导集中全部力量面对这些挑战。企业集团化和集团内部分散网络化、自治性、并行工作的新型组织、生产结构、敏捷制造技术、虚拟制造技术、可持续制造技术、绿色制造技术等等一系列新的技术理论，都需要下大力量去研究，以开发适销对路产品，提高对市场的快速反应能力；集中人力、财力、物力以提高本企业的市场竞争力，充分发挥自身的优势以最快速度创造出尽可能多的价值。因此，企业自身不可能再像过去计划经济体制下拥有大而全的维修队伍。而设备维修改造的社会化、专业化也就不可避免地成为了大趋势。 国外机床的改造与翻新是近期发展起来的一个新兴产业，在先进国家已经形成了一定的规模和市场。而在我国，这一产业才刚刚兴起，按照应具备的条件来衡量还相距甚远。但是业内有识之士正在努力塑造自己、完善自己，相信不久的将来，一批具备一定条件和一定规模的机床改造、翻新的专业化企业会成长起来。 1.3 车床数控改造的必要性与可行性数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业现代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。因此目前我国企业机床数控化比例极低，不到5%，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。 第二章 总体方案的确定21 设计任务 、 本设计任务是对ca6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（x向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。 2.1.1设计基本思路 改造ca6140车床的基本思路是把原来的机床进行大修，只保留机床导轨、主轴、尾座等部件，其余的全部撤除。带之以滚珠丝杠和步进电机，用数控系统来驱动各轴的运动。经过严密的计算和论证，选择丝杠和驱动电机，根据使用要求，选择系统配置和设计控制电路，布置各传感器。数控系统采用国际通用的siemens系统，可靠性好，功能强大。并根据用户的要求设计了新颖的外观。该设备改造后取名“ck6140a数控车床”。2.1.2 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。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主电机功率 7.5kw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系 2最小指令值（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 0mm99.99mm进给传动链间隙补偿量 纵向 0.15mm 横向 0.075mm自动升降速性能有其他要求：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，保证安装、调试、拆卸方便；需经常调整的部分调整应方便。 22 总体方案的论证对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求ca6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。在设计的数控装置中，cpu的选择是关键，选择cpu应考虑以下要素： (1) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； (2) 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； (3) i/o口扩展的能力与对外设控制的能力相关。 除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定cpu。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是z80cpu和mcs-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以mcs-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更便宜，51系列中，是无rom的8051，8751是用eprom代替rom的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。2.3 总体设计方案的确定 ca6140a车床主要用于对中小型轴类、盘类及螺纹零件的加工，加工这些零件工艺上要求机床应完成的工作内容有：能够控制主轴正反转，实现不同切削速度的主轴变速；刀架能够实现纵向和横向的进给运动，并具有在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具的功能；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个加工螺纹的螺距或导程。这些内容就是数控化改造后数控系统需要控制的对象。 数控机床由机床、数控系统和外围技术三部分组成。普通车床改造的目的是利用数控系统控制车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产效率。在考虑经济型数控机床改造具体方案时，所遵循的原则是在满足需要的前提下，对原有车床尽可能减少改动，以降低改成本。改造中需要解决的问题是：将机械传动的进给和手动控制的转位刀架改造成数控装置控制的自动转位刀架和自动进给的数控加工车床。根据ca6140a车床的有关资料，确定总体方案为： 利用数控系统对输入的加工程序进行运算处理，发出的进给指令通过i/o接口输出给x轴和z轴步进电机，经齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，由螺母带动刀架直线移动，从而实现纵向和横向的自动进给运动。换刀指令通过刀架控制器控制三相电动机实现刀架自动转位功能，由脉冲编码器协调完成螺纹车削功功能。ca6140车床数控改造总体方案示意图13第三章 主轴箱结构的设计第三章 机床部分改造3.1 床身 为了充分发挥数控系统的技术性能，确保机械传动系统的传动精度和平稳性，机械部分采用低摩擦传动副;选用最佳的降速比，达到数控机床所需要的脉冲当量；缩短传动链及用预紧的办法提高传动系统的刚度；消除传动间隙以减少反向行程误差；满足低振动和高可靠性方面的要求。3.2 主轴箱变速箱一般情况下，保留原有的主传动系统和变速操纵机构。其设计过程如下：主轴箱的传动系统图如下图ca6140卧式车床传动系统图左边部分所示。主运动的传动路线表达式为：ca6140型卧式车床主轴转速分布图 由传动系统图和传动路线表达式可知主轴正转有23（22-1）=30级转速，但由于轴iv至v间四种传动比为： u1=50/5051/50=1 u2=20/8051/50=1/4 u3=50/5020/80=1/4 u4=20/8020/80=1/16其中u3=u4，即iv轴至v轴间只有三中不同传动，故主轴实际获得的转速级数为： 正转：23（22-1）+1=24 反转：13（22-1）+1=12具体的主轴箱的结构设计请参看所画的主轴箱展开图。如果要提高车床的自动化程度，可以用双速或四速电机替代原主电动机。改造后的主传动系统如下图所示：3.3 纵向伺服进给结构的设计和计算纵向伺服进给结构设计主要内容有：滚珠丝杆副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电机的选择、绘制改动部分的机械结构装配图等等。一切削力计算进给系统计算简图（a）纵向进给 （b）横向进给车削抗力分析1、车削抗力分析车削外圆时的切削抗力fx、fy及fz如图所示，主切削力fz与切削速度v的方向一致，垂直向下，是计算主轴电机车削功率的主要依据。切深抗力fy与纵向进给方向垂直，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时要用到它。纵向外圆及横切端面切削离示意图拖板工作载荷的计算在进行进给系统的传动计算、选用步进电机时，都要用到切削力（机床的主要负载），车削切削力的计算方法可用以下简单而实用的经验公式计算。纵向切削外圆时，车床的主切削力fz可以用下式计算： fz=0.671.5 dmax（n）式中：dmax在车床上加工的最大直径（mm）则： fz=0.671.5 dmax（n）=0.6780005360 n进给抗力fx和切深力可按下列比例分别计算： fz：fx：fy = 1：0.25：0.4 fx = 0.25fz =0.255360 = 1340 n fy = 0.4fz = 0.45360 =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。如上图所示，车削作业时作用在进给拖板上的载荷fl、fv和fc与车刀所受的车削力有对应的关系。因此，作用在进给拖板上的载荷可以按下式求得：拖板上进给方向载荷 fl=fx=1340n拖板上垂直方向载荷 fv=fz=5360n拖板上横向载荷 fc=fy=2144n二、滚珠丝杆副的设计滚珠丝杆副已经标准化，因此滚珠丝杆副的设计归结为滚珠丝杆副型号的选择。一般情况下，设计滚珠杠时，已知条件为：在最大工作负荷fd（或平均工作负荷fm）作用下的使用寿命，丝杆的工作长度（或螺母的有效行程），丝杆的转速（或平均转速），滚道的硬度及丝杆运转情况。设计步骤：计算作用在滚珠丝杆上的最大动负荷。从滚珠丝杆系列表中找出相应最大动载荷的近似值，并初选几个型号。根据具体工作要求，对结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求，从中再挑出比较合适的直径、导程、滚珠列数等，确定某一型号。根据所选的型号，列出或计算出其主要参数的数值，计算传动效率并验算系数是否满足要求。如不满足要求，则需另选其他型号，再作上述计算与验算，直到满足要求为止。设计计算概况计算进给牵引力fm作用在滚珠丝杆上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力和导轨摩擦力，其数值大小与导轨的类型有关。在本设计中，车削纵向导轨采用三角形导轨。对三角形导轨，fm的计算公式为： fm=kfx + f（fz+g）式中：fz主切削力 fx走刀方向切削分力 g纵溜板上承载的移动部件的重力（已知g=800n） k考虑颠覆力矩的试验系数，对上述类型导轨可取k=1.15 f导轨上的摩擦系数，对上述类型导轨可取0.165 则： fm=kfx + f（fz+g） =1.151340+0.165（5360+800） =2557.4nb、最大动负荷c及主要尺寸初选滚珠丝杆应根据额定载荷ca选用，最大动载荷计算原理与滚珠轴承相同。滚珠丝杆最大动载荷c可用下式计算： c= fm fm式中：l工作寿命，单位为10r，l=60nt/10 fm运转状态系数，无冲击取11.2，一般情况下取1.21.5，有冲击振动取1.52.5，此处取fm=1.3 fm滚珠丝杆工作载荷（n） n丝杆转速（r/min），n=1000v/l0 t额定使用寿命（h），可取1500h v最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/21/3 l0丝杆基本导程，可根据快进速度vmax和丝杆最大转nmax初选一数值（l0大于或等于vmax/nmax），此处选取l0为10mm，待刚度验算后再确定。 l=60nt/10 =601000vt/10l0 =6010002.415000/1010 =216（10r） c= fm fm =1.32557.4 =19947.72n初选滚珠丝杆的尺寸规格，相应的额定载荷ca不得小于最大动载荷co：caco假如滚珠丝杆副有可能在静态或低速运转（n小于或等于10r/min）下工作并受载那么还需要考虑其另一种失效形式滚珠丝杆接触面上的朔性变形。即考虑滚珠丝杆杠的额定静载荷coa是否充分地超过了滚珠丝杆的工作载荷fm，一般使coa/fm=23。查资料选取滚珠丝杆的型号为clm32102.5p3。即采用外循环管插式类型，螺距为l0=10mm，圈数列数=2.51，公称直径为32mm，ca=28200n，coa=66050n，螺旋升角等于-c、传动效率计算滚珠螺母副的传动效率为 = tg /tg（+）式中：丝杆螺旋升角，可根据初选型号查出 摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，其摩擦角约等于10 。 有：= tg /tg（+） = tg541/tg(541+10) =0.971d、刚度验算 滚珠丝杆副的轴向变形导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性。滚珠丝杆副的轴向变形包括丝杆的拉压变形、丝杆和螺母之间滚道的接触变形、丝杆的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杆轴承的轴向接触变形。滚珠丝杆的扭转变成较小，对纵向变形影响小，可忽略不计。螺母座只要设计合理，其变形量也可忽略不计。丝杆轴承的轴向接触形计算方法可参考机械设计手册。可供滚珠丝杆杠支承使用的滚珠轴承种类很多，目前占优势的有：接触为60 的推力角接触球轴承，可以背靠背或面对面组配，还可以三联组配、四联组配等，以提高刚度和承载能力；滚针推力圆柱滚子组合轴承，从双向轴承支承丝杆，刚度好、多用于重载。因此，只要滚珠丝杆支承的刚度设计好，轴承的轴向接触变形在此可以不考虑。下图所示，为纵向进给滚珠丝杆杠支承方式草图。丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。由工作负荷引起的导程变化量为： l=fmlo/ea式中： e弹性模数，岁对钢e=20.610mp 即（20.610n/cm） a滚珠丝杆截面（cm） （按丝杆螺纹底径d1=26.047mm确定） f=2.6047/4 =5.3258 cm 即： l=fmlo/ea =2557.41/（20.6105.3258） =23.310cm“+”号用于拉伸，“-”号用于压宿丝杆1m长度上导程变形总误差为： =100l/lo =10023.310/1 =233010cm/m =23.3m/m而三级精度丝杆允许的螺距误差为40m/m，即40，故刚度符合要求。e、齿轮传动比的计算 为了满足脉冲当量的设计要求和增大转距，同时也为了使传动系统的负荷惯量尽可能地减少，传动链中常采用齿轮降速传动。已知脉冲当量p，滚珠丝杆杠导程lo=10mm，初选步进电机的步距角b后，可以依据下式计算出齿轮传动比i，即 i =b lo/360p纵向进给齿轮箱传动比计算：已确定纵向进给脉冲当量p =0.01mm，滚珠丝杆导程lo=10mm，初选步进电机步距角b =1.5 ，可计算传动比i， i = b lo/360p =1.510/（3600.01） 4.167计算出i5，因此可以采用一级传动。大小齿轮丝杆导程均采用45号钢调质，选小齿轮硬度为260hb290hb，大齿轮硬度为220hb250hb，精度选六级，模数m=2，齿轮z1=18，z2=75，则 a（1/2）m（z1+z2）=93mm还应该校核齿轮接触疲劳强度。经校核均合格，其校核过程从略。f、