CA6140车床进给系统的数控化改造解读

1、新乡学院2013 届毕业论文题目： CA6140 车床进给系统的数控改造姓名：李兵学院：机电学院专业：机械设计及其自动化班 级：09 机自本四学号：11053012050指导老师：徐秀芬2013 年 05 月 03 日摘要本文介绍了普通数控机床中 CA614眸床进给系统的设计改造过程，主要为机械元件的设计，包括滚珠丝杠、轴承、步进电机、和齿轮传动比的计算、选择与应用。针对现有常规CA6140t通车床的缺点提出数控改装方案，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。改造后的机车，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01mm?脉冲，横向最小运动单

2、位0.005mm每脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。关键词 ：齿轮；进给丝杠；步进电机；改造AbstractThis article concise language had the stress in the introduction ordinary numerical control engine bed the economy numerical control tool machine entered for the design process, mainly for mechanical part design, including ball bearing

3、 guide screw, bearing, stepper motor , and synchronized tooth profile belt computation, choice and application. To remedy the defects of ordinary lather CA6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and ex

4、tend the machine ussage, and to improve production rate. so the Motorcycle been reformed, the lord exercises realize to change speed automatically. lengthways, horizontal enter to proceed to system the number controls the control, and request to attain lengthways minimum sport unit as 0.01 mm/ pulse

5、, horizontal minimum sport unit as 0.005 mm/ pulse, knife must be the automatic control a knife which is turning automatically, and it is able to slice the thread automatically. This paper presents the process of designing numerical control reform, and explicitly introduces the design of mechanical

6、and numerical control system reforms.Key word: numerical control; ball bearing guide screw; stepper motor; reform design10目录序言 2一、设计方案的确定3（1） 设计任务 3（2） 总体设计方案的确定3二、机械部分改造与设计4（1） 纵向进给系统的设计与计算4（2） 横向进给系统的设计与计算10三、步进电机的选择13（一）步进电机选用的基本原则13（二）步进电机的选择14四、机床导轨改造15五、自动转位刀架的选用16六、小结 17七、参考文献17序言数控机床作为机电一体化的

7、典型产品，在机械制造业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，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。 目前机床数控化改造就是结合生产实际和我国国情，在满足实际加工需求的前提下，尽可能降低成本。经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、 实用性和稳定性。因此特别适合在生产设备中普通机床占有较大比重的企业，适合在生产第一线

8、大面积推广。数控机床由机床主体、主轴传动、伺服进给、数控装置、辅助装置等组成。所以机床数控化改造的主要内容有主轴传动改造、进给系统改造、加装数控装置等。其中进给系统改造对机床的改动最多，是机床数控化改造中最重要的环节，它直接影响到改造后的机床的加工精度。可见进给系统改造是机床数控化改造成功的关键所在。本设计题目主要围绕机床进给系统的数控化改造而展开，其改造的机床是针对普通车床。CA6140 型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。实践证明，把此类车床改造为数控车床，已经得到了良好的经济效果。C6140车床进给系统的数控化改造主要内容如下：普通车床的X 轴和 Z 轴均由同一电

9、机驱动，走刀运动是经进给箱传动丝杠到溜板箱，获得不同的工件螺距即Z 轴运动；走刀运动是经进给箱传动光杆到溜板箱，获得不同的进刀量即Z 轴运动和X 轴运动。车床进给系统数控化改造要拆除进给箱总成、溜板箱总成，改用进给伺服（或步进）传动链分别代替。具体体现为：Z轴：纵向电机-减速箱（或联轴器）-纵向滚珠丝杠-溜板箱，纵向按数 控指令获得不同的走刀量和螺距。X轴：横向电机减速箱（或联轴器）-横向滚珠丝杠横滑板，横向按数 控指令获得不同的走刀量。改造后整个传动链的传动精度在保证机床刚性的前提下，与滚珠丝杠副的选择和布置结构形式、机床导轨的精度情况等有很大的关系。、设计方案的确定（一）设计任务本设计任务

10、是CA6140型普通车床进行系统数控化改造。利用微机对纵横进 给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为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进给系统的机械改造设计。根据机床的运动精度，改动尽量少，且保证加工 精度的要求，运动的平稳。（二）总体设计方案的确定溜板箱用服电机潦珠丝 杠副速齿轮醯纵向进给万架横向进给考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈，故进给系统尽可能的要减少 中间传动环节。本车床的纵向、横向两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间 传动环节，直接采用了步进电机+减速箱（或联轴器）+滚珠丝杆的传动方案。

11、拆除原来的进给箱、丝杆等，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝 杆螺母副。二、机械部分改造与设计(一)纵向进给系统的设计与计算1、纵向进给系统的设计车床的纵向进给改造设计一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，螺母周 定在溜板箱上，带动刀架台左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。 对车床改造来说，外观不必象产品设计要求那么高， 而从改造方便、实用方面来 考虑，现把步进电机放在纵向丝杠的左端，即进给箱部位。2、纵向进给系统的设计计算已知条件：工作台重量：W=85kgf=850N (根据图纸粗略计算)时间常数：T=25ms滚珠丝杠基本导程： L0=6mm行程：S=1130mm脉冲当量

12、：6 P=0.01mm/step步品E角：a =0.75° /step快速进给速度：Vmax=2m/min(1)切削力计算由实用机床设计手册可知：切削功率：Pc=P” K式中 P电机功率，查机床说明书，P=7.5KW“一主传动系统总效率，一般为 0.750.85取4=0.8K一进给系统功率系数，取 K=0.96。则：P 才=7.5X 0.8X 0.96=5.76KW又因为：Nc=l 6120Nc则:Fz二v式中v一切削线速度，取v=100m/min所以：Fz =352.512(kgf)=3525.12(N)由金属切削原理可知：主切削力 Fz=CFz *XFz fYFz KFz查表得：

13、CFz=188kgf/mm2Xfz=1Yfz=0.75Kfz=1则可计算Fz如表(1)所示:表(1)Fz计算结果ap(mm)222888f(mm)0.20.30.40.20.30.4Fz(N)112515241891168722872837当Fz=1520N时，切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3mm,以此参数做为下面计算的依据。从实用机床设计手册中可知，在一般外圆车削时:Fx = (0.1 0.6) FzFz=(0.150.7) Fz取：Fx=0.5 Fz=0.5X 3525=1762.5NFy=0.6 Fz=0.6X 3525=2115N(2)滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化，因此滚

14、珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的 选择。综合车床导轨丝杠的轴向力：P=KFx+f' (Fz+W)式中 由于使用的是矩形导轨，根据机床设计手册查出K=1.15, f' =0.150.18,取为 0.16。WJ:P=1.15M762.5+0.16 (3525.12+900)=2734.9N强度计算寿命化60nlTi106所以：取工件直径:查表得：所以：n主 f 1000vf n=Lo二DLoD=80 mm,T I=15000h (自动控制机床及机床通常的取值)n1=1000 100 0.33.14 80 6=20r/minLi =60 20 15000106二18最大动负载：Q

15、=3 L1PfwfH运转系数值表运料状态运转系数而无冲击的例潜运转1.0-L2一般运转L2-L5有冲击的运料l.=25查表取：运转系数fw=1.2硬度系数fH = 1贝U:Q=VT8 X 2734.9X 1.2X1=8598.5N根据最大动负载Q的值和原机床参数，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚 珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列，选择型号为FC1B32X65一B的滚珠丝杠，公称直径为4 32mm,导程为6 mm,滚珠列数为5歹1，额定 动载荷是10689N,所以强度够用。效率计算根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 ”为：_ tgvLtg(v)式中： 摩擦角巾二10'

16、螺旋升角丫=30 25'P6cc Ctg= - = -6 =0.0597二 d。3.14 32则：”二 tg3.5=0.96tg(3 2510)刚度验算滚珠丝杠受到工作负载P引起的导程的变化量EF式中：L0=6mm=0.6cmE=20.6X 166N/ cm2。滚珠丝杠截面积：F=(d )2冗=(2.8031 ) 2X 3.1422八,2734.9 0.6-5则: Li=±= ± 1.3X 10 cm62.8031220.6 10 ()3.142滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2很小,可忽略，即：AL=ALio所以：导程变形总误差为 =100 al=100 X1.

17、3X10-5 cm =21.671 m/mL00.6查表知B级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为25仙m/m,故刚度足够。稳定性验算由于机床原丝杠直径为（|）32mm,现选用的滚珠丝杠直径为 小32 mm,支承 方式不变，所以稳定性不存在问题。（3）齿轮及转距的有关计算有关齿轮计算L00.75 6传动比：i= =1.25360、P 360 0.01故取齿轮齿数：Z1=32Z2=40模数： m=2mm b=20mm a =20°分度圆直径： d1=m Z1=2X 32=64mmd2= m Z2=2 x 40=80mm齿顶圆直径： d« 1 =d1 +2ha*=68mmd 2=

18、d2+2ha*=84mm中心距： 同步带轮XL型，设计中心距a =112mm转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量:180 p 2180 0.01 222J1=(六)2W=()2X90=0.526 kg - cm 2=5.26N - cm 2二：3.14 0.75丝杠的转动惯量：Js=7.8X 10-4XD4L1式中：D一丝杠的名义直径，D=3.2cmLi一丝杠两周定端的间距，Li=150cm则：Js=7.8X 10-4X 3.24X 150=12.268 kg cm 2=122.68N - cm齿轮的转动惯量：Js=7.8X10-4X(mz)4X2则：Jz1=7.8X 10-4X6.

19、44X2=2.617 kg - cm 2=26.17 N - cm 2Jz2=7.8X 10-4X 84X2=6.39 kg - cm 2=63.9 N - cm 2电机转动惯量很小可以忽略，因此总的转动惯量：111.252J = (JS+JZ2)+ JZ1+ Ji i(12.268+6.39)+2.617+0.526=15.084 kg - cm 2=150.84N - cm 2所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩：M=M amax+ Mf+M0最大切削负载时所需力矩：M=M at+Mf+M0+Mt快速进给时所需力矩：M= M f+M0式中：Mamax 一空载启动时折算到电机轴上的加速度力

20、矩；Mf 一折算到电机轴上的摩擦力矩；M0 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩;Mat 一切削时折算到电机轴上的加速度力矩；Mt 一折算到电机轴上的切削负载力矩。M a=Jn- X10-4N - m9.6T式中：T为时间常数，T=25 X 10-3S当 n=nmax 时，Mamax =Ma_ vmaxi nmax=L02000 1.256=416.7r/min15.084 416.7-4 ,M amax=>10- =2.619N m=26.19 kg f cm当口=小时 Ma=Mat9.6 0.025111000vn主fi nt= L0L0fi 1000 100 0.3 1

21、.25 ,=24.88r/min3.14 80 615.084 24.88-4, Mat=X104=0.1563N - m=1.563 kg f cm9.6 0.025Mf =F0L02二 if WL02二 i18当q 0=0.8f =0.16 时0.16 90 0.6Mf =1.376 kg f cm2 3.14 0.8 1.25M0 ="(1-42二 i02)当“0=0.9时，预加载荷1Po= Fx32FXL0(1 - 02)Mo=X6二 i176.25 0.6(1 -0.92),=1.066 kg f - cm =10.66N - cm6 3.14 0.8 1.25F0L017

22、6.25 0.6Mt=16.839 kg f - cm =168.39 N - cm2二 i 2 3.14 0.8 1.25所以，快速空载启动时所需力矩：M=M amax+ Mf+M。=26.19+ 1.376+1.066=28.632 kg f - cm=286.32N - cm切削时所需力矩：M=M at+ Mf+ M0+Mt=1.563+ 1.376+ 1.066+ 16.839=20.844 kg f cm=208.44N - cm快速进给时所需力矩：M= Mf+M0=1.376+ 1.066=2.442 6 f - cm=24.42N - cm由以上分析计算可知，所需最大力矩Mmax

23、发生在快速启动时：Mmax=28.632 kg f - cm =286.32 N - cm（二）横向进给系统的设计和计算1、横向进给系统的设计车床的横向进给改造设计比较简单，一般是步进电机经联轴器直接驱动滚珠 丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床 大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。2、横向进给系统的设计和计算由于横向进给系统的设计和计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明, 只计算结果。已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算）时间常数滚珠丝杠基本导程行程脉冲当量步距角快速进给速度W=40 kg f=400NT=25msLo=4mm左旋S=330mm6

24、 p=0.005mm/stepa =0.75° / stepvmax=1m/min1/2:（1）切削力计算横向进给量为纵向的1/21/3,取1/2,则切削力约为纵向的Fz=0.5X 352.5=176.25 kg f=1762.5N在切断工件时：Fy=0.5 Fz=0.5X 176.25=88.125 kg f=881.25N对于燕尾型导轨：P=KFy+f' (Fz+W)取：K=1.4 f' =0.2则：P=1.4X 88.125+ 0.2(176.25+ 40)=166.625 kg f=1666.25N取工件直彳D=80 mm 走刀量：f=0.3mmn主 f 10

25、00vf1000M100M0.3贝(J：n1=30r/minLo二DLo 3.14 80 4寿命化Li二60n1T160 3027最大动负载：Q=3 L1 fW fH P=3/27 M 1.2M1M 166.625 =599.85 kg f=5998.5N根据最大动负载Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠公称直径为 小20 mm,型号为Fc1 B20 X45E2左，其额定动负载为8393N,所以强度足够用。效率计算螺旋升角：丫=3° 38' 摩擦角：巾二10'则传动效率："二

26、 tg二tg3 口38=0.956tg( ) tg(3 3810 )®刚度验算滚珠丝杠截面积：F=(q)2 九二(L6031) 2X3.14=2.017cm222滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量： L1二 士-6=1.604X 10 cmPL。,166.625 0.4二±6EF 20.6 106 2.017滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2很小，可忽H&,即： L=L1,所 以导程变形总误差为： = - L -100 1.604 10-6 =4.01mL00.4查表知E级精度丝杠允许的螺旋误差(1m长)为15仙m/m,故刚度足够稳定性验算由于选用滚珠丝杠的直

27、径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。(3)转矩有关计算传动惯量计算由于联轴器转动惯量很小，可以忽略，此不进行计算。工作台质量折算到电机轴上的转动惯量:180、p 2180 0.005 2,2Ji = (-) W =()父 40 = 0.058 kg - cm二：3.14 0.75丝杠的转动惯量：Js=7.8X10-4X D4Li=7.8X 10-4X 24X50=0.624 kg cm 2由于电机转动惯量很小，可以忽略，此不进行计算。因此，总的转动惯量:_ _ _ .2J=JS +J1 =0.624+0.058=0.68

28、2 kg - cm®所需转动力矩计算vmaxinmax=L01000 1二 250r / min4Jnmax _0.682 250 ,一M amax=10工=-m10"=0.071N - m=0.71 kg f cm9.6T9.6 0.025n主 fi 1000vfi 1000M100x0.3x1 ” , nt=29r/minL0-DLo3.14 80 40.682 29 Mat=父10 =0.0076 N - m=0.076 kg f cm9.6 0.025当 “ 0=0.8f' =0.2 时：FoLo fWL00.2 40 0.4Mf=0.637 kg f cm

29、 =6.37 N - m2二 i 2二 i 2 3.14 0.8 1当 y 0=0.9 时：Mo= FYL0 0 _n2) = 88.125 01(1 _0.92) =0.44 kg f - cm =4.4 N - m6二 i6 3.14 0.8 1一FyLo88.125 0.4Mt= 7.02 kg f - cm =70.2 N - m2二 i 2 3.14 0.8 1所以，快速空载启动时所需转矩：M=M amax+ M f + M 0=0.71 + 0.637+0.44=1.787 kg f - cm=17.87N - cm切削时所需力矩：M=M at+ Mf+Mo+Mt=0.076+ 0

30、.637+ 0.44+ 7.02=8.173 kg f - cm=81.73N - cm快速进给时所需力矩：M= Mf+M0=0.637+ 0.44=1.077 kg f - cm =10.77 N - cm从以上计算可知，最大转矩发生切削时：Mmax=8.173 kg f - cm=81.73N - cm三、步进电机的选择（一）步进电机的选择的基本原则合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工 作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：1、步距角a步距角应满足：a23式中 i传动比a min系统对步进电机所驱动部件的最小转角。2、精度步进

31、电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位 置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值。 用积累误差 衡量精度比较实用。所以选用步进电机应满足 Q<iA 9 s式中4Q步进电机的积累误差； 9 s系统对步进电机驱动部件允许的角度误差。3、转矩为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速的要 求，必须考虑：（1）启动力矩一般启动力矩选取为：Mq>L0式中 Mq电动机启动力矩；ML0电动机静负载力矩。根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表（2）所示。Mjm为步进电 机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的。表（2）步进电机相数

32、、拍数、启动力矩表运行 方式相数33445566拍数3648510612Mg /Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866（2）在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力力矩与 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机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：ftfcpm式中ft极限启动频率;fcpm要求步进电机最高启动频率。（二）步进电机的选择1、纵向进给系统步进电机的确定Mq =M 口 _ 286.320.40.4715.8N - cm为满足最小步矩

33、要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知:Mq/Mjm=0.866所以步进电机最大静转矩 Mjm为:一 Mq 715.8Mjm=826.56N , cm0.866 0.866步进电机最高工作频率fmax=vmax60200060 0.01=3333.3 Hz综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求2、横向进给系统步进电机的确定Mq -ML0 =8173 =204.325 N cm0.40.4电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以，步进电机最大静转矩Mjm为：M q 204 325Mjm=q_ = 204.325 =235.94N - cm0.

34、8660.866步进电机最高工作频率vmax 1000fmax= -ma =3333.3 Hz60、“60 0.005p为了便于设计和采购，仍选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。四、机床导轨改造卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床导轨面运动的。导轨 就是支承和导向，即支承运动部件并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着 一定的方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机 床的加工精度、承载能力和使用性能。数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦 系数接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象。精度高，但价格 贵。

35、经济型数控一般不使用滚动导轨，尤其是数控改造，若使用滚动导轨，将太 大增加机床床身的改造工作量和改造成本。因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。滑动导轨具有结构简单，刚性好，抗振性强等优点。普通机床的导轨一般是 铸铁或铸铁一淬火钢导轨。这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速 度的变化而变化，低速时易产生爬行现象，影响行动平稳性和定位精度，为克服 滑动导轨的上述缺点，数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为 贴塑导轨。贴塑导轨摩擦系数小，且动静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨 性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定，且有良好的自润滑性和抗振性，加工简单，成本低。目前应用较多的聚四氟乙稀（PTEE）贴塑软