数控机床改造设计

毕业设计任务书机电工程系一、设计课题名称：CA6140 车床的数控化改造二、指导教师：三、设计要求：采用数控装置和伺服装置，对 CA6140 车床进行数控化改造。要求能进行车削数控加工，达到或超过原车削加工性能。数控装置、伺服装置选择合理，控制系统设计简单可靠，保护措施完备。四、设计依据：CA6140 车床控制要求、电气原理图及相关参数；数控装置型号规格参数；伺服装置型号规格参数；常用低压控制电器型号规格参数。五、参考资料：熊光华主编数控机床北京：机械工业出版社；2002廖兆荣主编机床电气自动控制北京：化学工业出版社；2003王爱玲主编现代数控机床结构与设计北京：兵器工业出版社；1999余良英编著机床数控改造设计与实例北京：机械工业出版社；1998白恩远主编现代数控机床伺服及检测技术北京：国防工业出版社；2002袁任光编著交流变频调速器选用手册广州：广东科技出版社，2002曾毅等编著变频调速控制系统的设计与维护济南：山东科学技术出版社，2002编写组编机床设计手册第 5 卷上、下册北京：机械工业出版社，1979李荣生主编电气传动控制系统设计指导北京：机械工业出版社，2004姜德希编机床电气线路图册北京：中国农业出版社，编写组编著工厂常用电气设备手册上、下册北京：中国电力出版社，1997六、设计内容进度及工作量(一)设计内容和进度要求序号 进度要求 设计内容了解车床传动、控制、加工性能，分析国内外数控车床的结构、控制和加工要求。1 1 周经过分析、比较、计算，确定改造总体方案。0 5 周对进给、主轴传动系统进行分析计算，选择拖动电动机并确定传动系统改造方案。21 周 完成进给、主轴传动系统改造图。0 5 周 选择伺服装置30 5 周 完成伺服系统控制设计，并完成伺服系统控制原理图。4 0 5 周 选择数控装置。1 周 完成电气原理图草图和电气安装接线图草图。50 5 周 完成电气原理图和电气安装接线图。0 5 周 伺服系统调试设计。0 5 周 数控装置调试设计。60 5 周 机床安装及调试设计。7 2 周 编写设计说明书。8 1 周 毕业设计答辩准备及答辩。(二)工作量设计说明书：数控化改造总体方案设计；机械部分改造设计；伺服装置选型；伺服系统控制设计；数控装置选型；电气控制系统设计；机床安装与调试设计。图纸：机械改造图；伺服系统控制原理图；电气安装接线图；电气原理图；元器件清单；七、说明书的格式和装订要求（一）毕业设计封面（全系统一格式）（二）毕业设计评阅书（全系统一格式）（三）评分标准（全系统一格式）（四）毕业设计任务书（指导教师下发）（五）毕业设计明细表（全系统一格式）（六）目录（七）毕业设计正文（八）设计图纸（九）毕业设计总结（十）参考资料注:说明书用 A4 开纸打印或书写，毕业设计正文字数不少于 1.5 万（含空格）八、毕业设计课题审批表审批具体意见 审查部门负责人意见专业负责人时 间 年 月 日学术负责人时 间 年 月 日目 录第 1 章 前言 .11.1 问题提出 .11.2 普通车床数控化改造的好处 .11.3 机床数控化改造的意义 .2第 2 章 改造总体方案 .32.1 CA6140 车床介绍 .32.1.1 CA6140 车床组成图 .32.1.2 CA6140 改造参数 .42.2 数控化改造要求和内容 .4第 3 章 机械部分改造 .73.1 主传动系统 .73.1.1 主传动系统的介绍 .73.1.2 主轴脉冲发生器 .73.2 进给传动系统 .73.2.1 纵向进给的改造与计算 .73.2.2 横向进给的改造与计算 .113.2.3 导轨 .15第 4 章 辅助装置 .164.1 刀架的改造与安装 .16第 5 章 数控部分 .195.1 数控系统的选择 .195.2 数控系统的介绍 .195.2.1 操作面板 .195.2.2 软件操作界面 .215.2.3 系统参数 .215.3 伺服驱动 .225.4 伺服电机 .24第 6 章 机床的安装与调试 .256.1 数控系统的调试 .256.1.1 参数设置 .256.1.2 外部状态检查 .286.1.3 伺服电机安装调试 .306.1.4 接通伺服电源 .316.1.5 连接机床调试 .316.1.6 参数的设置与系统的调试 .346.1.7 其他参数设置及传动链注意事项 .346.2 电气 PLC 的调试 .346.3 安装调试的注意事项 .35元器件清单 .36毕业设计图纸 .38致谢 .42参考文献 .43第 1 章 前言1.1 问题提出数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。所以，针对普通车床 6140 存在以下几个问题：1）车床整体太破旧，机床磨损严重，加工精度达不到要求。2)车床电气元件老化，连接线不稳固。3)普通车床加工存在局限性，不能实现现代多种零件的加工。4)随着机床的发展，机床也变成了数控化、人性化、效益化。而，普通车床实现一人操作多台机床，不能自动化控制。故，据上述问题普通车床即将面临淘汰，因此，普通车床的改造势在必行。1.2 普通车床数控化改造的好处（1）有利于普通车床的再次利用经改造后的车床能够再次利用，能够达到生产要求，实现数控化、人性化、效益化。（2）有利于企业技术的提高，成本的节约数控机床与普通机床相比，有很大的优势，数控机床具有高度柔性，加工精度高，加工质量稳定、可靠，生产率高，改善劳动条件，利于生产管理现代化；而普通机床精度低，效率低，适合批量较小，精度要求不高，零活类零件。它投资较数控低，但对工人的操作技能要求较高，因此工人工资水平高。这样会大大的加大企业的支出，对企业的收入也是有所影响的。（3）有利于企业经济开支的节约数控化改造一般用户都能承担的起,这为资金紧张的中小型企业的技术改造开辟了新路,也对实力雄厚的大型企业产生了较大的吸引力。由于新型机床价格昂贵,一次性投资巨大,如果把旧机床设备全部用新型机床替换。要花费大量的资金,而替换下的机床又会闲置起来造成巨大浪费,若采用数控技术对旧机床加以改造和购买机床相比,则可省 50%以上的资金,一套经济型数控装置的价格仅为全功能装置的 1/3 到 1/5。（4）有利于数控化市场的扩大订购新的数控机床的交货周期一般较长,往往不能满足用户的需要,而改造的数控机床能够适应市场对产品多样化和高精度的要求。因此得到了用户广泛的应用,机床的数控化改造已成为满足市场需求的主要补充手段,对中、小型企业来说是十分理想的选择。1.3 机床数控化改造的意义(1)节省资金。机床数控改造同购置新机床相比一般可节省 60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购置新机床 60%的费用，并可以利用现有地基。(2)性能稳定可靠。因为机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。(3)提高生产效率。机床数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至 5 倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。并且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。第 2 章 改造总体方案2.1 CA6140 车床介绍2.1.1 CA6140 车床组成图1、CA6140 车床的基本组成如图 2-1 所示：2、车床的参数普通 CA6140 车床的主要参数如表 2-1 所示：表 2-1 床身上最大工件回转直径（mm） 400刀架上最大工件回转直径（mm） 220最大工件长度（mm） 750/1000/1500主轴内孔（通孔）直径（mm） 52主轴孔前端锥度 莫氏 6 号刀架纵向的快速移动速度（mm） 4.5m/min刀架横向的快速移动速度（mm） 1.9m/min床身导轨长度（mm） 340主轴转速的范围（r/min） 91600电动机功率（kw） 7.52.1.2 CA6140 改造参数CA6140 数 控 化 改 造 后 应 达 到 的 参 数 如 表 2-2图 2-1 CA6140 车床外形图1-主轴箱 2-刀架 3-尾座 4-床身 5-右床腿 6-溜板箱 7-左床腿 8-进给箱最大加工直径： 在床面上 400mm 在横刀架以上 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控制坐标数： 2最小指令值（脉冲当量） 纵向 0.01mm/脉冲 横向 0.005mm/脉冲进给传动链间隙补偿量 纵向 0.15mm 横向 0.075mm2.2 数控化改造要求和内容1、 改 造 要 求车床 6140 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该满足以下要求：(1)能够控制主轴正反转，实现不同切削速度的主轴变速；(2)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；(3)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。所以，根据以上要求，普通车床 CA6140 数控化改造后数控系统需要完成的任务。2、 改 造 内 容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。因此，在考虑机床的数控化改造具体方案时，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。根据 CA6140 车床有关数据改造内容如下：(1)机 械 部 分精度恢复和机械传动部分的改进。随着机床使用的役龄的增加，机床的机械传动部件，如导轨、丝杠、轴承等都有不用程度的磨损。因此，机床改造过程中的首要任务是对旧机床进行类似于通常的机床大修，以恢复机床精度，达到新机床的制造标准。为实现机床所要求的分辨率，采用伺服电机齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。1)主传动系统保留原有的主传动系统和变速机构，由于添加了自动加工螺纹功能，因此，在主传动轴上安装一个脉冲发生器，这样既保留了机床原有的功能，又降低了改造工作量。如果要自动改变切削速度，可采用交流变频调速，这样改造成本较高，本次改造主传动系统不做任何改动。2）进给传动系统为保证进给伺服系统的传动精度、运转平稳性和机床加工精度,取消原机床的滑动丝杆螺母副,选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杆螺母副,并应用预紧机构,以提高传动刚度和消除间隙。3）导轨当机床加工精度要求不是很高,尤其是对于开环控制系统,一般不作导轨改造调整改造,可大为降低改造成本。 (2)辅助装置辅助装置指的是数控机床的一些必须的配套部件。如冷却系统、排屑装置（采用原有的冷却和排屑装置） 、自动换刀装置、传动机构等。1）对刀架部分的改造，通过将原机床的手动转位刀架替换成自动转位刀架来实现换刀切削,自动转位刀架最常见的形式是螺旋型四工位刀架,由数控系统直接控制,效率高,工艺性能可靠。2）对传动机构的改造，拆除原机床的机械传动机构,用伺服电机经齿轮机构减速驱动滚珠丝杆,带动刀架纵向或横向运动。在伺服电机转矩足够大,构件许可时,可以不用减速驱动机构,由伺服电机直接与丝杆副相连。(3)电气部分在这里我使用电控柜装置，在进行机床数控化改造时，原机床的电器控制部分一般只能报废，重新按数控化改造要求进行设计制作。数控机床的强电控制部分设计中要特别注意的是，数控系统各接口信号的特点和形式要相配，并且在设计过程中应尽量简化强电控制线路。实物图如下所示：图 2-1 电柜箱（1）图 2-2 电柜箱（2）(4)数控部分1)数控系统数控系统是机床数控化改造的核心。数控改造的目的是要求机床稳定可靠,运转故障率低。在这里我采用 HNC-21T 数控装置2)伺服驱动伺服驱动系统用于控制 X 和 Y 轴的伺服电机的转速，从而控制进给两，达到高精度的加工零件，这里我们采用和华中数控系统匹配的驱动器 HSV-160B 和 GK6 系列交流永磁伺服电机。(5)整体调试整机联接调试。旧机床上述各个部件的改造过程完成后，就可对组装后改造机床各个部件进行调试。一般先对电气控制部分进行调试，看单个动作是否正常，然后再进行联机调试阶段。第 3 章 机械部分改造3.1 主传动系统3.1.1 主传动系统的介绍主轴电机采用车床原有的三相异步电动机。在主传动轴上安装一个脉冲发生器，这样既保留了机床原有的功能，又降低了改造工作量，本次改造主轴电动机不做任何改动。为了保证车螺纹时严格的运动关系，在主轴箱上安装脉冲发生器，通过主轴脉冲发生器数控系统伺服电机的信息转换系统，实现主轴转一圈，刀架纵向进给一个螺纹导程的车螺纹运动。3.1.2 主轴脉冲发生器为了加工螺纹或丝杠，需要配置主轴及脉冲发生器作为车床位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信号，输送给数控系统。数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理,从而控制机床纵向横向伺服电机运转,实现加工螺纹的目的。根据实际需要，在这里我选用海德 ISC5815-0021 增量编码器。ISC5815-0021 增量编码器技术参数如表 3-1 所示：表 3-1 ISC5815-0021 增量编码器技术参数输出波形 方波 电源电压 DC+5 或 512V/+1224V消耗电流 150mA 工作湿度 3085 无结霜响应频率 0120KHZ 电源电压 980、6ms载空比 0.5T0.1T 冲击力 50、10最大转速 6000rmp 抗震力 MTBF3000h起动力矩 输出电压 高电平 Vh、低电平 Vh轴最大负载 质量 0.8Kg防护 防水、油、尘 工作温度3.2 进给传动系统3.2.1 纵向进给的改造与计算1、纵向进给的改造纵向进给滚珠丝杠必须采用三点式支承形式。伺服电机的布置，可放在丝杠的任一端。由于拆除了进给箱，可在原安装进给箱处布置伺服电机的减速齿轮，也可在滚珠丝杠的左端设计一个专用轴承支承座，而在素刚托架处布置伺服电机，机床改造常采用后一种布置方案。在丝杠左端设计一个专用轴承座，采用一个轴套式滑动轴承作为径向支承，在滑动轴承的两侧分别布置一对推力球轴承承受两个方向的轴向力，支承短轴与滚珠丝杠通过联轴套连接起来，滚球丝杠可托架上，滚珠丝杠的中间支承为滚珠螺母与床鞍直接连接。如图 5-1 所示。图 3-2 纵向进给传动示意图1、4推力球轴承 2、10径向滑动轴承 3左端轴承座 5左接拉杆 6、9联轴套 7滚珠丝杠螺母副 8螺母座 11丝杠托架 12伺服电机（1）滚珠丝杠纵向进给滚珠丝杠的相关参数如下表 3-2：表 3-2 纵向进给滚珠丝杠的相关参数名称 符号 公式 35061LW公称直径 0d 38导程 L6接触角 37钢球直径() qd3.969滚道法面半径 Rqd52.02.064偏心距 esin)/(0.056螺纹升角 0dLarctg37螺杆外径 dq)25.(040螺杆内径 1 Re136.125螺杆纹接触直径 Z cos0qZd37.258螺母螺纹直径 De245.365螺母内径 1 q)5.(0142.1252、纵向进给的计算纵向进给滚珠丝杠必须采用三点式支承形式。伺服电机的布置，可放在丝杠的任一端。在左端设计一个专用轴承支承座，而在丝杠托架处布置伺服电机和减速齿轮。如上图 3-2（1）已知条件：工作台重量 W=2300N，加速时间常数 t=25s，滚珠丝杠基本导程L0=6mm,快速进给速度 v=98m/min.由机床设计手册可知,切削功率PC=PK （公式 3-1）式中 P电动机功率，查机床说明书，P=4kw；主传动系统总效率，一般为 0.750.85,=0.8;k进给系统功率系数，取 k=0.96.则 PC = = =3.072kwkp96.084切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转矩)和最大切削转速(或转速)来计算,即PC= 或 PC=3106ZF950TN式中 主切削力（N）ZF切削速度( )minT切削转矩(Nm)N主轴转速( )ir设按最大切削速度来计算,取 = ,则主切削力in98FZ= = =1880.8N3106CP981072.6由机械设计手册可知，在外圆车削时FX=（0.10.55）F Z取 FX =0.5FZ=0.51880.8N=940.4N（2）滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副有设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。计算作用在丝杠上的最大动负荷首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷。（公式 3-2）PHwqFfG3式中 F P工作负载（N） ，指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杠上的轴向力；运转系数，一般运转系数 取 1.21.5,有冲击的运转 取 1.52.5;Hf Wf Wf硬度系数，为 60HRC 时， 为 1；为；HH G寿命（以转为单位，如 1.5 则为 150 万转） 。寿命 G 可按下式计算：106nTG式中 n滚珠丝的转速（r/min）T使用寿命时间（h） ，数控机床 T 取 15000h。工作负载的数值可用机床设计手册中进给牵引力的实验公式计算，对于三角或综合导轨（公式 3-4）)(,WFfkZXP式中 FX、F Z切削分力；W移动部件的重力（800N）;K考虑颠覆力的矩影响的系数，k=1.5;导轨上的摩擦因数， =0.15 0.18,取 0.16。f ff则 FP +0.16(1880.8+2300)N=1750.5 N4.9015.当机床以线速度 V=98m/min,进给量 f=0.3mm/r,车削直径 D=80mm 的我外圆时，丝杠的转速mm/min=19.5/min68014.30dLfN则 G= 万转=17.55 万转61nT59根据工作负载、寿命 G，取 =12, =1，计算出滚珠丝杠副承受的最大动负荷wfHf= =5461.5NPQF35.1702.173由查滚珠丝杠地产品或机床设计手册 ，选择丝杠的型号。例如参照某厂滚珠丝杠的产品样本，选择滚珠丝杠的直径为 38mm，型号为 其额定动载荷是 20500N，强度361LW足够用。(3)效率计算根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率为（公式 3-5）)tan(0式中 螺纹的螺旋升角，该丝杠为摩擦角， 约等于 10则 =0.9530（4）刚度验算滚珠丝杠工作时受轴向力和扭转的作用，将引起基本导程的变化，因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量为（公式 3-6）ESLFP00式中 E弹性模量，对于钢，E=20.6 261cmNS滚珠丝杠截面积（按丝杠螺纹底径确定 d，若 d=2.77cm） ，则 S= =6.02327.4其中， “+”用于拉伸， “-”用于压缩时则 = = cm0Lcm023.61.256104.8丝杠 1m 长度上导程变形误差为= =140u4.866因 3 级精度丝杠允许的螺距误差为 15，故此丝杠的精度足够。3、纵向滚珠丝杠的安装：（1）拆下普通滑动丝杠与溜板箱，取消丝杠与主轴箱齿轮的传动联系，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置，两端采用原固定方式这样可减小改装现场，并且由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性优于以前。 （2）拆下丝杠右端的支撑座，在坐标镗床上将其孔径镗至 40mm，便与伺服电动机的支撑轴相配合； （3）车削两个轴套（分别为一长一短） ，长套用于连接丝杠左端和左支撑座，短套用于连接丝杠右端与伺服电机转轴； （4）对安装螺母的配件进行刨、磨、钻、铰和攻丝等加工，使其符合安装条件； （5）总装后，进行局部调整（如滚珠丝杠与道轨的平行度、螺母间隙和螺母上下前后位置等） ，力求使滚珠丝杠受力均匀，传动平稳，无传动间隙。 3.2.2 横向进给的改造与计算1、横向进给的改造横向滚珠丝杠也采用三点式支承形式。伺服电机一般采都安在床鞍的后部,靠近操作都一端 ，布置一根支承短轴通过一个联轴套与滚珠丝杆连接起来。利用车床原横向进给丝杆可滑动轴承作为径向支承，并对原支承处进行适当改装布置一对推力球轴承，以实现轴向支承,在远离操作者的一端，用一个联轴套和一根连接短轴把滚珠丝杠与减速箱输出轴连接起来，滚球螺母直接固定在中滑板上。车床横向传动的支承结构如 5-2 所示。图 3-3 横向进给传动示意图1-伺服电机 2-支承架 3、4、7-联轴套 5-滚珠丝杠螺母副 6-螺母座 8-支承短轴（1）滚珠丝杠横向进给滚珠丝杠的相关参数如下表 3-3：表 3-3 横向进给滚珠丝杠的相关参数名称 符号 公式 2051LW公称直径 0d 25导程 L4接触角 433钢球直径() qd3.175滚道法面半径 Rqd52.01.651偏心距 esin)/(0.045螺纹升角 0dLarctg433螺杆外径 dq)25.(024.4螺杆内径 1 Re121.78螺杆纹接触直径 Z cos0qZd21.835螺母螺纹直径 De228.212螺母内径 1 q)5.(0125.6352、横向进给的计算（1）假设已知条件：工作台重量 W=2300N，时间常数 t=25ms，滚珠丝杠基本导程L0=4mm(左旋)，快速进给速度 =98m/min。 机床设计手册可知,切削功率maxPC=PK （公式 3-7）式中 P电动机功率，查机床说明书，P=4kw；主传动系统总效率，一般为 0.750.85,=0.8;k进给系统功率系数，取 k=0.96.则 PC =PK=40.80.96kw=3.072kw切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转矩)和最大切削转速(或转速)来计算,即PC= 或 PC=3106ZF950TN式中 F Z主切削力（N）切削速度( )minT切削转矩(Nm)n主轴转速( )ir设按最大切削速度来计算,取 ,则主切削力in98FZ= = N=1880.8N3106CP1072.6由机械设计手册可知，在外圆车削时FX=0.5FZ ,取 FX=0.51880.8N=940.4N（2)滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副有设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。计算作用在丝杠上的最大动负荷:首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷。（公式 3-8）PHwqFfG3式中 F P工作负载（N） ，指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杠上的轴向力；运转系数，一般运转系数 取 1.2.5,有冲击的运转 取.52.5;Wf Wf Wf硬度系数，为 60HRC 时， 为 1；为；HHHG寿命（以转为单位，如 1.5 则为 150 万转） 。寿命 G 可按下式计算：G= （公式 3-9）610nT式中 n滚珠丝的转速T使用寿命时间（h） ，数控机床 T 取 15000h。工作负载的数值可用机床设计手册中进给牵引力的实验公式计算，对于三角或综合导轨（公式 3-10）)(,WFfkFZXP式中 、 切削分力；ZW移动部件的重力（800N）;K考虑颠覆力的矩影响的系数，k=1.5;导轨上的摩擦因数，f ,=0.150.18,取 f,.16。则 +0.16(1880.8+2300)N=1750.5 N pF4.9015.当机床以线速度 V= ,进给量 f=0.3mm/r,车削直径 D=80mm 的外圆时，丝杠的min8转速mm/min=29.25r/min4801.390dLfN则 万转=26.87 万转66521nTG根据工作负载 、寿命 G，取 =12, =1，计算出滚珠丝杠副承受的最大动负荷PFWfHfN=6301.8N5.1702.833 pHwQ（3)效率计算根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率为(公式 3-11） )tan(0式中 螺纹的螺旋升角，该丝杠为 433摩擦角， 约等于 10则 =0.9530（4)刚度验算滚珠丝杠工作时受轴向力和扭转的作用，将引起基本导程的变化，因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量为（公式 3-12）ESLFP00式中 E弹性模量，对于钢，E=20.6 261cmNS滚珠丝杠截面积（按丝杠螺纹底径确定 d，若 d=2.77cm） ，则 S= =6.023cm227.4其中， “+”用于拉伸， “-”用于压缩时则 = = cm0Lcm023.61.2456104.8丝杠 1m 长度上导程变形误差 为总= =140Lu104.866因 3 级精度丝杠允许的螺距误差为 15，故此丝杠的精度足够。3、横向滚珠丝杠的安装（1）拆下刀架、小拖板及滑动丝杠； （2）车削一根定位芯轴，保证法兰盘孔与大拖板后孔的同轴度。定位后，配钻四个螺钉孔，并攻螺纹； （3）车削一根手轮轴，代替原丝杠手轮轴，用于与滚珠丝杠连接； （4）车削两个连接套，用于丝杠连接电机旋转和手轮轴； （5）铣去大拖板上与螺母发生干涉的部位； （6）利用车床主轴和尾座将螺母安装到丝杠上，在利用锁紧螺母进行预紧，消除间隙；（7）总装后，用垫片调整螺母上下位置，使其传动平稳。3.2.3 导轨当机床加工精度要求不是很高,一般不作导轨改造调整改造,可大为降低改造成本。第 4 章 刀架部分的改造对刀架部分的改造，通过将原机床的手动转位刀架替换成自动转位刀架来实现换刀切削,自动转位刀架最常见的形式是螺旋型四工位刀架,由数控系统直接控制,效率高,工艺性能可靠。由于传动机构的改造在主传动系统和安装调试中提到，因此在这里我主要将对刀架的改造进行叙述。1、电动刀架的工作原理需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上刀体逐渐抬起-上刀体与下刀体之间的端面齿慢慢脱开：与此同时，上盖圆盘也随着螺杆正向转动（上盖圆盘 1 通过圆柱销与螺杆连接） ，-当转过约 270时，上盖圆盘直槽的另一端转到圆柱销的正上方，由于弹簧的作用，圆柱销落入直槽内，于是上盖圆盘就通过圆柱销使得上刀体转动起来（此时端面齿已完全脱开） 。上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，反靠销马上就落入反靠圆盘的十字槽内，至此，完成粗定位。此时，反靠销从反靠圆盘的十次槽内爬不上来，于是上刀体停止转动，开始下降，而上盖圆盘继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销的头部压入上刀体的销孔内-上盖圆盘的下表面开始与圆柱销的头部滑动。在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可稳定地工作。2、电动刀架的电气原理图如图图 4-1 电动刀架的电气原理图3、电动刀架的动作过程数控系统调刀代码开始执行时，或行动调刀时，首先输出刀架正转信号，使刀架旋转，当接收到指定的刀具的到位信号后，关闭刀架正转信号，延迟 50ms 时间后，到家开始反转而进行锁紧，并开始检查紧缩信号，当接收到该信号后关闭刀架反转信号。如执行的刀号与现在的刀号（自动记录）一致时，则换刀指令立刻结束，并转入下一程序段执行。我们根据上述描述的换刀动作过程，做了如下动作流程图如图 4-2图 4-2 电动刀架动作流程图4、电动刀架的相关参数（1）经查国标刀架参数，我选择了下列表格（表 4-1）中的刀架。表 4-1刀架的参数刀架型号 配车床 型号 刀位 数 电机功率 电机转速 夹紧力 上刀体 尺寸 下刀体 尺寸LDB4-CA6140 CA6140 4 90W 1400 12000N 166166mm 192192mm（2）刀架指标如表 4-2表 4-2刀架指标换刀时间刀架型号 配车床型号 重复定位精度 工作可靠性90 度 180 度 270 度LDB4-CA6140 CA6140 0.005 60000 次 2.4s 3.1s 3.7s6、电动刀架的安装（1)电动刀架实物图和安装尺寸图如图 4-3 所示图 4-3 电动刀架实物图和安装尺寸图（2）刀架尺寸如下表 4-3 所示：表 4-3刀架尺寸H1 328 mm B 230 mmH2 140 mm B1 115 mmH3 80 mm A 90 mmH4 20 mm L1 379 mm(3)电动刀架的安装步骤1）拆下原手动刀架； 2）在小拖板上钻四个安装孔，并攻丝； 3）手动抬起电动刀架，将刀架安装在小拖板上； 4）安装后，试用 MDI 功能换刀，观察三相电源有无接反。第 5 章 数控部分5.1 数控系统的选择1、 CA6140 的数控化改造1)将纵向和横向进给系统改造为用数控装置控制的、能独立运动的进给伺服系统。2)刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。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进行调节和更换。3）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。2、 数控系统选择数控机床的价格主要由数控系统来决定，数控系统从功能上可分为低中高三档，中高档系统（如 Fanuc、LBNC2T 型、FAGOR、SIEMENS、华中 HNC2T/2M 等）功能齐全，性能优良，但价格偏高。结合实际，从实用角度出发，在这里我们选择了华中 HNC21T 型数控车床系统，该系统采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业 PC，配置 7.5 彩色液晶显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式 PLC 接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用可靠性高的特点，编程格式符合 ISO 国际代码标准，两轴动态坐标，具有自动加工、自动换刀、车螺纹和 MDI 等功能。5.2 数控系统的介绍5.2.1 操作面板 华中“世纪星”HNC-21T 是一基于嵌入式工业 PC 的开放式数控系统，配备高性能 32位微处理器、内装式 PLC 及彩色 LCD 显示器。采用国际标准 G 代码编程，与各种流行的CAD/CAM 自动编程系统兼容。1）操作面板 HNC-21T 车床数控装置操作台为标准固定结构，外形尺寸为 420310110 毫米（WHD） ，如图 5-1 所示：图 5-1 HNC-21T 车床数控装置操作面板2）显示器操作台的左上部为 7.5彩色液晶显示器，分辨率为 640480。3）NC 键盘NC 键盘包括精简型 MDI 键盘和 F1F10 十个功能键。 标准化的字母数字式键盘的大部分键具有上档键功能，当“UPPER”键有效时，指示灯亮，输入的是上档键。 NC 键盘用于零件程序的编制、参数输入、MDI 及系统管理操作等。4）机床控制面板标准机床控制面板的大部分按键（除“急停”按钮外）位于操作台的下部。机床控制面板用于直接控制机床的动作或加工过程。 5.2.2 软件操作界面1、HNC-21T 的软件操作界面如图 5-2 所示：图 5-2 HNC-21T 的软件操作界面其界面由如下几个部分组成：1) 图形显示窗口 2) 菜单命令条 3) 运行程序索引 4)选定坐标系下的坐标值，坐标系可在机床坐标系/工件坐标系/相对坐标系之间切换；显示值可在指令位置/实际位置/剩余进给/跟踪误差/负载电流/补偿值之间切换。 5)工件坐标零点在机床坐标系下的坐标 6) 辅助功能 M、S、T；当前刀位 CT、选择刀位 ST 7)当前加工程序行 8) 当前加工方式、系统运行状态及当前时间 9) 当前坐标、剩余进给 10)直径/半径编程、公制/英制编程、每分钟进给/每转进给、快速修调、进给修调、主轴修调倍率5.2.3 系统参数1、系统参数如下表5-1表5-1系统参数参数号 参数定义 单位 初始值 范围P01 Z 轴正限位值 毫米 8000.000 08000.000P02 Z 轴负限位值 毫米 -8000.000 -8000.0000P03 X 轴正限位值 毫米 8000.000 08000.000P04 X 轴负限位值 毫米 -8000.000 -8000.0000P05 Z 轴最快速度值 毫米 6000 015000P06 X 轴最快速度值 毫米 6000 015000P07 Z 轴反向间隙 毫米 00.000 065.535P08 X 轴反向间隙 毫米 00.000 065.535P09 主轴低档转速 转/分 1500 06000P10 主轴高档转速 转/分 3000 060005.3 伺服驱动1、驱动器在这里我采用和华中数控系统匹配的驱动器HSV-160B ，HSV-160B是采用专用运动控制数字信号处理器（DSP）和智能化功率模块（IPM）等当今最新技术设计，操作简单、可靠性高、体积小巧、易于安装。驱动器的示意图如5-3所示：图5-3 HSV-106B驱动器2、HSV-160B驱动器的相关参数如表5-2：表5-2输入电源 三相AC220V （-15+10% 50/60Hz） 使用环境温度 工作：055 存贮：-2080P11 位参数 1 00000000 011111111P12 位参数 2 00000000 011111111P13 最大刀位数 4 14P14 刀架反转时间 0.1 秒 10 0.199.9P15 M 代码时间 0.1 秒 10 0.199.9P16 主轴制动时间 0.1 秒 10 0.199.9P17 Z 轴最低起始速度 毫米/分 50 81000P18 X 轴最低起始速度 毫米/分 50 81000P19 Z 轴加速时间 毫秒 600 89999P20 X 轴加速时间 毫秒 600 89999P21 切削进给起始速度 毫米/分 50 86000P22 切削进给加减速时间 毫秒 600 89999P23 顺序号间距 10 1255P24 主轴中档转速 转/分 2000 06000P25 位参数 3 00000000 011111111湿度 湿度 小于 90%（无结露）振动 小于 0.5G(4.9m/S2)，1060Hz（非连续运行）控制方法 位置控制 速度控制 内部速度控制运行 JOG运行再生制动 内置 外接 制动电阻连接与选用速度频率响应 300Hz或更高速度波动率 0.1(负载0100%);0.02(电源-15+10%)调速比 20000:1特性脉冲频率 500kHz控制输入 伺服使能 报警清除偏差计数器清零指令脉冲禁 止CCW 驱动禁止CW 驱动禁止控制输出 伺服准备好输出 伺服报警输出 定位完成输出/速 度到达输出输入方式 两相A/B 正交脉冲脉冲+方向CCW 脉冲 /CW 脉冲电子齿轮 132767/132767位置控制反馈脉冲电机编码器线数：1024 Pusle/r、2000 Pusle/r、2500 Pusle/r、6000 Pusle/r加减速功能 参数设置 110000ms(02000r/min 或20000r/min)监视功能转速、当前位置、指令脉冲积累、位置偏差、电机转矩、电机电流、转子位置、指令脉冲频率、运行状态、输入输出端子信号等保护功能 超速、主电源过压、欠压、过流、过载、制动异常、编码 器异常、控制电源欠压、过热、位置超差等操作 6 位LED 数码管、5 个按键适用负载惯量 小于电机惯量的5 倍5.4 伺服电机1、伺服电机在对制动系统电机的改造，我选择了与华中数控系统 HNC-21T 及驱动器 HSV-160B 匹配的登