CA6140车床纵向进给数控化改造

目录

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设计内容与要求 设计参数

一、浅谈数控改造的目的与意义 二、总体方案的设计

三、进给伺服系统机械部分设计与计算

3.1 进给系统机械结构改造设计

3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 3.2.1 确定系统的脉冲当量

3.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号择雨核步骤 3.2.3 纵向滚珠丝杠的校核 3.3 齿轮的有关计算

3.4 绘制进给伺服系统的机械装配图 四、步进电动机的计算与选择 4.1 步进电动机选用的基本原则 4.2 步进电动机的 五、结论与发展

设计内容与要求

具体设计内容：

一、浅谈数控改造的目的与意义 二、总体方案的设计

（一） 伺服系统的拟定：1、伺服系统的选择

2、纵向进给机构的改造

（二）总体方案的确定（附总体方法装配图）

三、纵向进给伺服系统机械部分设计计算------计算纵向进给伺服系统 1、确定系统的脉冲当量 2、计算切削力

3、进行滚珠丝杠螺母副设计，计算，选型。 4、齿轮的传动计算

5、步进电动机的计算与选用

设计参数：

主轴电动机功率7.5KW

主轴最高转数1400r/min最低转数10r/min 纵向进给量0.028~1.68mm/r 快速移动速度4.2m/min 加工最大长度1400mm 刀架最大纵向行程1500mm

大托板 小托板及刀架总重量155KG=1550N 纵向定位精度±0.015 重复定位精度±0.01 丝杠导程10mm

一、浅谈数控改造的目的与意义

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。较好的解决形状复杂、精密。小批量及形状多变零件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，歌企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替代更换基本不可能，而且替代下的机床往往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；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。

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，使器具有一定的自动化能力，以现实额定的加工工艺目标。这一工作早就在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。目前国外已经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，其中小企业则达74%。在美国也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化和精密设备更新现有机床，无论是资金还是中国机床制造厂的能力都办不到的，因此，普通机床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，已经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，可以提高固有资产的使用效率；（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）数控改造经费低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可以满足生产急需。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。

对数控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、能独立运行的进给伺服系统；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，切削次序和道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，也能适应小批量多种复杂零件的加工。

二、总体方案的设计

总体方法设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。 （1） 普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要

求能够暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。

（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结构、

降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电动机开环控制系统。

（3） 根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，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，可选MCS-51系列单片机扩展系统。

（4） 根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还有包括扩展程序存储器，扩

展数据储存器、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的信息的显示器，包括电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应有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、丝杠螺母副组成，

其传动比应满足机床所要求的分辨率。

（7） 为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，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，齿轮副也应有消除齿侧间的机构。

（8） 采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。

总体方案设计图

进给伺服系统总体方案方框图

三、进给伺服系统机械部分设计与计算

3.1进给系统机械结构改造设计

进给箱部分：全部拆除，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，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车尾座端原来装轴承座的部分。

3.2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。

3.2.1确定系统的脉冲当量

脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此，脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step，在CA6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。横向脉冲当量fp为0.005mm/step。

3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤 （1）最大工作荷载计算

滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副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到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Fm=KFL+F`(Fv+G)计算工作载荷的大小。

1） 车削抗力分析

最大切削功率Pq=7.5×0.8=6KW

主运动系统总效率一般为0.7~0.85取0.8

切削功率应在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或转矩）和最大切削速度来计算。即P

主切削力fc=Pq×10^(-3)/v=3600N

最大切削速度，按用硬质合金刀具半精车刚体的速度V=100m/min 在一般外圆车削时Fz=（0.1~0.55）Fc，Fx=(0.15~0.65)Fc 取Fz---纵向切削分力 Fx---横向切削分力

因此，最大工作载荷Fm=KFz+f`(Fz+G)=1.15×2088+0.16×（1728+900）=2821.7N 取f`=0.16，W---移动部件的重量N

2） 滚珠丝杠平均转速的计算

最大切削力下的进给速度Vs（r/min）可取最高进给速度的1/2~1/3取1/2，纵向最大进给速度为0.6m/min，丝杠导程Pn=10mm，则滚珠钢丝平均转速N=1000VS/Pn=30r/min 3) 计算载荷Fc的计算

Fc=Kf*Kh*Ka*Fm=1.2×1×1×2821.7=3386.04N

Kf---载荷系数 Kh---硬质系数 Ka---精度系数 Fc---计算载荷

载荷系数

载荷性质 Kf

无冲击平稳运转

1.0-2.0

一般运转 1.2-1.5

有冲击和振动运转

1.5-2.5

硬质系数

滑到实HRC际硬≥58

55

50

45