CA6140普通车床数控化改造[机电一体化]（包含CAD图纸和说明书）
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机电一体化
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浙江工贸职业技术学院毕业论文浙江工贸职业技术学院汽车与机电工程系毕业设计（论文）课题名称：CA6140普通车床数控化改造 专 业： 机电一体化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2009年4月30日摘要普通车床CA6140的数控化改造主要是在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通车床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括：(1) 机床导轨部分的改进，对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。又因为贴塑比较实惠，效果优良。为此，本设计采用贴塑。(2) 机床进给部分的改造，机床的进给部分在加工精度方面起到决定性的作用，原来的进给主要是由滚动丝杠带动的，但因其功率损失过大，灵敏性不好，所以在数控化改造过程中必须改成滚珠丝杠。因为滚珠丝杠能大部分弥补滚动丝杠所带来的不足。（3）在电机与丝杠传动增加齿轮减速箱经济型数控车床的脉冲当量是一不可改变的值，为了实现多脉冲当量的任意选择，我们可在电机与滚珠丝杠间加一个减速机构，为了保证传动精度，数控机床上需要使用的精度等级较高的齿轮，在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。关键字：普通车床， 数控改造， 导轨， 进给，丝杠， 目录摘要2绪论4数控系统的介绍和选择62.1数控系统的介绍和选择6机械部分改造73.1主轴箱73.2机床导轨73.3机床进给机构的改造7滚珠丝杆副的设计与选择94.1 纵向滚珠丝杆副的选择与校核9齿轮减速箱的设计145.1齿轮减速箱箱体设计145.2轴承的选择195.3丝杠轴承的选择与校核20结束语24参考文献251.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。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数控进给伺服系统控制方式的选取2.1数控进给伺服系统控制方式的的选择数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。(1)步进电机拖动的开环系统系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称该之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。 (2)异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。(3)交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。本设计选用上海通用数控公司KT400-T经济型车床数控系统。3机械部分的改造为了充分发挥数控系统的技术性能，保证改造后的车床在系统控制下重复定位精度，微机进给无爬行，使用寿命长、外型美观，机械部分作了如下改动3.1 主轴箱对于数控化改造来说，经济性很重要。因此能不动的地方尽量避免。为此主轴箱不予改动。3.2机床导轨对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。增加耐磨性的方法有1，增加导轨的表面强度如：淬火；2，贴塑以降低摩擦系数。因为贴塑操作方便，不需要很复杂的操作，也不需要将导轨拿下，而且价格便宜，也能达到我们预先设想的效果，所以使用贴塑的方法对机床导轨改装。贴塑的方法：准备：粘贴场地需要、清洁无尘，环境温度10度以上，40度以下为宜，相对湿度75%。软带采用单面萘钠处理，深褐色一面为粘贴面，蓝绿色为工作面。裁剪：软带裁剪尺寸可案金属导轨粘贴面的实际尺寸适当放宽一些余量。配胶：专用胶必须随配随用。粘贴：软带刚粘在金属导轨时需要前后挪动下，使其全面接触。固化：固化在室温下进行，固化时间为24小时，固化压力为0.1mpa左右，加压必须均匀。加工：固化后先将工作台沿导轨方向推行，然后翻转，清除余胶切去软带的工艺余量并倒角。3.3机床进给机构的改造数控车床是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架进行运动，相比传统的普通车床有进给箱和交换齿轮，结构上大大的简化了。传动总体方案的确定（纵向、横向）微机光电隔离光电隔离电机电机横向进给纵向进给4滚珠丝杆副的设计计算及选择4.1滚珠丝杠副的计算及选择滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副具有与滚动轴承相似的特征。与滑动丝杠副或液压缸传动相比，有以下主要特点：（1） 传动效率高 运动平稳性好 可预紧 （2） 传动可逆性 与滑动丝杠副相比，滚动丝杠副突出的特点是具有运动的可逆性。正逆传动的效率几乎可高达98%。滚珠丝杠副具有运动的可逆性，但是没有象滑动丝杠副那样运动具有自锁性。因此，在某些机构中，特别是垂直升降机构中使用滚珠丝杠副时，必须设置防止逆转的装置。（3） 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杠副具有传动效率高，运动平稳，可预紧等特点，所以滚珠丝杠副在工作过程中温升较小，无爬行。并可消除轴向间隙和对丝杠进行预紧拉伸以补偿热膨胀，能获得较高的定位精度和重复定位精度。（4） 同步性好 用几套相同的滚珠丝杠副同时驱动相同的部件和装置时，由于反应灵敏，无阻滞，无滑移，其启动的同时性，运行中的速度和位移等，都具有准确的一致性，这就是所谓同步性好。纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核(1)最大工作载荷计算 滚珠丝杠上的工作载荷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刀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3-2计算工作载荷的大小。 （3-2）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与切削速度方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电机切削功率的主要依据。且深抗力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是要用它。 纵切外圆时，车床的主切削力Fz可以用下式计算： （3-3） =5360(N)由知: Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 (3-4)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拖板上的载荷Fl、Fv和Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系，因此，作用在进给拖板上的载荷可以按下式求出：拖板上的进给方向载荷 Fl=Fx=1340(N)拖板上的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N)拖板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N)因此，最大工作载荷 =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N)对于三角形导轨 K=1.15 ，f =0.030.05,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3-5计算：C=， (3-5) L为工作寿命，单位为10r,L=60nt/10;n为丝杠转速（r/min）,n=;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1/21/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得L。=12mm；fm为运转状态系数，因为此时是有冲击振动，所以取fm=1.5。V纵向=1.59mm/r 1400r/min=2226mm/minn纵向=v纵向1/2 /L。=22261/2 /12=92.75r/min L=60nt/10=6092.7515000 /10=83.5则 C= =1.51790.68=11740(N) 初选滚珠丝杆副的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大动载荷C:因此有CaC=11740N.另外假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=23.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CD638-3.5-E型，主要参数为Dw=4.763mm,L。=8mm,dm=63mm,=219，圈数列数3.51 (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= tg/tg(+)= tg 219/tg(219+10)=92% (3-6)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，丝杠与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11=FmL / EA (3-7)=1790.682280 / 20.610(31.5) = 0.0064mm2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2 采用有预紧的方式，因此用公式 2= 0.0013 (3-8) = =0.0028mm在这里 =1/3Fm=1/31790.68=597NZ= dm/Dw=3.1463/4.763=41.53 Z=41.533.51=145.36丝杠的总变形量=1+2=0.0064+0.0028=0.0092mm4所以丝杠很稳定。因横向滚珠丝杆副的选择与纵向滚珠丝杆副的选择相同，所以本设计不做重复演算。选出纵向滚珠丝杆副的型号为:CD506-3.5-E其基本参数为 Dw =3.969mm ，=211，L。=6mm，dm=50mm，圈数列数3.51选横向滚珠丝杠型号为:CD506-3.5-E其基本参数为 Dw =3.969mm ，=211，L。=6mm，dm=50mm，圈数列数3.515齿轮减速箱的设计5.1 减速器箱体的设计一般机床数控改造后，经济型数控车床的脉冲当量是一不可改变的值，为了实现多脉冲当量的任意选择，我们可在电机与滚珠丝杠间加一个减速机构，下面即是对减速机构的设计过程。由资料中可知纵向和横向的脉冲当量分别为：纵向 0.01 0.008 0.005横向 0.005 0.004 0.0025为减少减速机构的体积设定中心距A=(z1+z2)m/2=67.5其中m=1.5 z1+z2=90(齿)则以横向脉冲计算为例 i=z1/z2=45/45时，则脉冲当量为0.005mm i=z1/z2=40/50时，则脉冲当量为0.004mm i=z1/z2=30/60时，则脉冲当量为0.0025mm因此纵向与横向的减速机构可以相同，为了降低成本将横纵减速器结构设置为一样。演算过程是取纵向输入轴。5.1.1轴的计算：（纵向输入轴）由公式：d =A （3-10）可初选轴的直径由于T=5N.m,由于采用的是45号钢，正火硬度为170-217HBS,扭曲疲劳极限-1=124，轴材料的许用切应力为45MPa则对于纵向输入轴：d输入= （3-11）=8.2mm在这里，d为轴的直径(mm),T为轴传递的转矩（N.mm）, 为轴材料的许用切应力（MPa）,则纵向输入轴轴径取18mm,输出轴轴径取25mm综上可知：纵向与横向可用一种减速机构。轴材料为45号钢，精度5级。5.1.2减速器箱体尺寸 a=67.5mm 下箱体壁厚 =0.025a+38 则=8上箱盖壁厚 =0.03a+38 则=8地角螺钉数目n 由于a250mm n=4地角螺钉直径 df=0.036a+12 取df=M8齿轮端面与内箱壁最小距离 2=8mm5.1.3减速齿轮第一对齿n45与n45啮合计算公式为：=1.6d=0.5(D2+D1) L=(1.21.5)d一般取l=bC=0.2b 但是不小于10R=0.5lN=0.5mn mn为模数。=（2.54）mn 但是不小于8mm 图3-1 齿轮结构图因此输入轴齿轮d=18mm=1.6d=28.8mm=67.5-3-7.5=57mm=0.5(57+28.8)=42.9mm=3.75mmda=67.5mmd。=0.25（57-28.8）=7.05mm=1.2d=21.6mmc=0.221.6=4.32mmr=0.5=2.16mmn=0.51.5=0.75为了更好得使输入轴与输出轴啮合且因D1=28.8d=18的原因会导致齿轮的刚度下降，采用图3-2形状，以下输出轴与输入轴均采用这种图B结构。 图3-2 齿轮结构图则由上列数据可知=21.6mm da=67.5mm d=18mm ha=mn=1.5mm hf=1.2mn=1.8mm输出轴用图3-2结构则由公式得 d=25mm=1.6d=40mm=0.5(57+40)=48.5mm=2.5 1.5=3.75mmda=67.5mmd。=0.25(57-40)=4.25mm=1.225=30mmc=0.2b30=10mmr=0.5c=5mmn=0.51.5=0.75mm第二对齿n=40与n=50啮合则输出齿轮d=25mm=1.5d=40mm=da-2mn-2。=75-21.5-23.75=64.5=0.5(D2+D1)=0.5(64.5+40)=52.25=(2.5-4)=2.51.5=3.75da=Z=1.550=75=1.2d=1.225=30r=0.5c=5c=0.2b=10(不小于10)n=0.51.5=0.75输入齿轮d=18ha=1.5hf=1.8=1.2d=21.6da=2=1.540=60第三对齿n=30与n=60啮合时，输出齿轮d=25D1=1.6d=40Da=Z=601.5=90D2=Da-1.52-2。=90-3-7.5=79.5。=2.51.5=3.75D。=0.5(D2+D1)=0.5(40+79.5)=59.75d。=0.25(D2-D1)=(79.5-40)0.25=9.875=1.2d=1.225=30c=0.2b=0.230=10(不小于10)r=0.5c=5n=0.5mn=0.51.5=0.75输入齿轮d=18ha=1.5hf=1.8=1.2d=21.6da=Z=1.530=45齿轮精度按：GB10095-88 6级精度 ，其适应于高速度下平稳回转并要求有最高效率和低噪音，传动效率为99%。减速器简图 图3-3 减速器简图5.2 轴承的选择5.2.1选型深沟球轴承GB276-82 图3-4 深沟球轴承（1）减速器输入端的轴承选择：d=18mm，则其型号为：， 深沟球轴承型号dDB额定动负荷C额定静负荷C。极限转速（脂润滑）1000803182651700N1050N19000r/min（2）减速器输出端的轴承选择：d=25mm则其型号为：， 深沟球轴承型号dDB额定动负荷C额定静负荷C。极限转速（脂润滑）1000805253772900N2000N15000r/min5.2.2 校核由于减速器轴的轴向载荷是经过60度推力轴承才输入减速器的所以轴向载荷Fa很小径向载荷基本也是由于安装方面误差所导致所以也很小。轴承合乎要求。5.3 丝轴承的选型与校核5.3.1滚珠丝杠用轴承的选型选用型号 7602025TVP的60推力角接触轴承 轴径 d=25mm 外径d=52mm 宽度B=15mm 球径Dw=6.35mm 球数Z=16 动载荷Ca=22000N 静载荷Coa=44000N 预加载荷500N 极限转速2600r/min5.3.2 校核大部分滚动轴承是由于疲劳点蚀而失效的。轴承中任一元件出现疲劳步剥落扩展迹象前院运转的总转数或一定转速下的工作小时数称为轴承寿命（指的是两个套圈间的相对转数或相对转速）。当量载荷对轴承寿命影响颇大。(1) 当量载荷滚动轴承若同时承受径向和轴向联合载荷，为了计算轴承寿命时在相同条件下比较，需将实际工作载荷转化为当量动载荷。在当量动载荷作用下，轴承寿命与实际联合载荷下轴承的寿命相同。当量动载荷P的计算公式是：P= （3-14）表3.2 轴承滚动当量动载荷计算的X,Y值轴承类型 Fa/Cor e 单向轴承双列轴承Fa/FreFa/FreFa/FreFa/FreX Y XY XYXY 角接触球轴承=150.0150.381 00.441.4711.65 0.722.390.0290.41.401.572.280.0580.431.301.462.110.0870.461.231.3820.120.471.191.341.930.170.501.121.261.820.290.551.021.141.660.440.561.001.121.630.580.561.001.121.63当量动载荷式中Fr为径向载荷，N；Fa为轴向载荷，N；X，Y分别为径向动载荷系数和轴向动载荷系数，可由上表查出。 上表中，e是一个判断系数，它是适用于各种X,Y系数值的Fa/Fr极限值。试验证明，轴承F
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