【精品】CA6140车床进给系统的数控化改造

1、CA6140车床进给系统的数控化改造序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 定经济性、实用性和稳定

2、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，适合在生产第一线大面积推广。资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除2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、加装数资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除3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。

3、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

4、）-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。资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除4一、设计方案的确定(-)设计任务本设计任务是 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

5、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。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。(-)总体设计方案的确定资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除5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。拆除原来的进给箱、丝杆等，増加少量的机械附件，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

6、（-）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，螺母固 定在溜板箱上，溜板箱纵向进给刀架橫侖进给资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除6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=90kgf=900N （根据图纸粗略计算）时间常数： T=25ms滚珠丝杠基本导程：L（）=

7、6inin行程：S=1130mm脉冲当量：dp=0.01mm/step步距角： a=0.75o/step资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除7快速进给速度：Vma 讦 2m/min(1)切削力计算由实用机床设计手册可知：切削功率： Nc=Nr)K式中 N电机功率，查机床说明书，N=7.5KWr|主传动系统总效率，一般为 0.75 0.85取卩 0.8K进给系统功率系数，取 K=0.96o贝 IJ :Nc=7.5xO.8xO.96=5.76KW则：V式中 V切削线速度，取 v=100m/min所以：Fz =352.512(k

8、gf)=3525.12(N)由金属切削原理可知：主切削力FZ=CFZapxFzfYFzKFZ查表得：CFz=188kgf/mnr XFz=l YFz=0.75 KFz=l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。又因为：Nc=o资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除8从实用机床设计手册中可知，在

9、一般外圆车削时:Fx =(0.1 -0.6) FzFz=(0.150.7)Fz取：Fx=0.5 Fz=0.5x3525=1762.5NFY=0.6Fz=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 二 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岀K=1.15, f =0.15 - 0& 取为 0.16o贝 IJ : P=1.15x 1762.5+0.16x(3525.12+900)=2734.9N1强度计算寿命值：L 厂1106所以：主 / 1000 V/

10、-n 1 =- =-Lu加儿)取工件直径：D=80 mm,查表得：Ti=15000h (自动控制机床及机床通常的取值)所以：1000 x100 x0.3.ni=-=20r/min3.14x80 x6T60 x20 x15000Lj=- - = 1 o106最大动负载：资料内容仅供您学习参考.如有不当之处请联系改正或者删除运转系数值表运转状态迄转系数fw无冲击的風滑运转1.0-1.2一般运转L2-L5有冲击的运转1.5-25查表取：运转系数 fw=1.2硬度系数 fH=l贝 IJ :Q=V18 x2734.9x 1,2x 1=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

11、。例如，滚 珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 FGB系列， 选择型号为 FGB32X65 B的滚珠丝杠， 公称直径为 （p32m导程为 6 mm?滚珠列数为 5 列，额定动载荷是 10689N,所以强度够用。2效率计算则：n=炉 25，=0%/g(325 + 10)3刚度验算滚珠丝杠受到工作负载 P引起的导程的变化量式中：Lo=6mm=0 6cm E=20.6x 166N/ cm2o资料内容仅供您学习参考.如有不当之处.请联系改正根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 rj为：式中：摩擦角螺旋升角尸 3。25Li二士资料内容仅供您学习参考.如有不当之处请联系改正或者删除EF资料内容仅供您学

12、习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除11滚珠丝杠截面积：）卄（警）2则：A T2734.9x0.6气 Li 二土- - -= 1.3xiocm20.6X106X()2X3.I42滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 AL?很小,可忽略，即：AL 二L】。所以：导程变形总误差为 = AL = x 1.3 x 1 O5cm=21.67|jni/mS 0.6查表知 B级精度丝杠允许的螺距误差（lm长）为 25口 m/m,故刚度足够。4稳定性验算由于机床原丝杠直径为（p32mm,现选用的滚珠丝杠直径为（p32 mm?支承 方式不变，所以稳定性不存在问题

13、。（3）齿轮及转距的有关计算1有关齿轮计算故取齿轮齿数：Zi=32 Z2=40模数:m=2mm b=20mm a=20分度圆直径：di=m Zi=2x32=64mmd2= m Z2=2 x40=80mm齿顶圆直径:doi =di +2ha*=68mmdtt2=d2+2ha*=84mm中心距：同步带轮 XL型，设计中心距 a= 112mm2转动惯量计算传动比:i=3600.75x6360 x0.01= 1.25资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除12工作台质量折算到电机轴上的转动惯量:Jl=(180外7Kp*曲3.14x0.

14、75)2x90=0.526 kg cm2=5.26N.cm2资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除13丝杠的转动惯量:JS=7.8X10XD4LI式中：D丝杠的名义直径，D=3.2cmLi 一丝杠两固定端的间距，Li=150cm则：Js=7.8x150=12.268 kgcm2=122.68N-cm2齿轮的转动惯量：Js=7.8xl0-4x(mz)4x2贝 IJ : Jzi=7.8x10-4X6.44X2=2.617kgcm2=267N cm2JZ2=7.8X104X84X2=6.39kg cm2=63.9 N cm2电机转

15、动惯量很小可以忽略，因此总的转动惯量：J=7T (Js+Jz2)+ Jzi+ Jl=-(12.268+6.39)+2.617+0.5261.252=15.084 kg cm2=150.84N cm23所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩：M=Mamax + M,-+Mo最大切削负载时所需力矩：M=Mal+ Mf+ Mo + Mt快速进给时所需力矩：M= Mr + Mo式中：Mamax空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩;折算到电机轴上的摩擦力矩;资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除14Imp 2m i当 no=0.8 f

16、=0.16 时0.16x90 x0.62x3.14x0.8x1.25Mo=（i-no2）27nji当 r|o=0.9 时，预加载荷PO=FXJa Fo（l o）176.25 x0.6（l-0.92） 丨r“Mo= - - =-= 1.066 kg f cm= 10.66N-cm6 加”6x3.14x0.8x1.25阶鈴二缶船苛*93阳 9N5所以快速空载启动时所需力矩:Mo由于丝杠预紧所引起.折算到电机轴上的附加摩擦力矩；Matt/J削时折算到电机轴上的加速度力矩；Mi折算到电机轴上的切削负载力矩。Ma=-xlO-4Nm9.6T式中:T为时间常数,T=25xlO3S当 n二 Ilmax 时,M

17、amax=Ma呪 X-=2000 xl.25=4167r/n.n615.084x416.79.6x0.02510=：2 61921：=26 191 fem当 n=n（时 Ma=MatlOOOv7rD1000 x100 x0.3x1.253.14x80 x6=24.88r/minMal=15.084x24.889.6x0.025x 1 OO. 1563N- m= 1.563 kg f cm=1.376 kg f cmMamax=资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除15M=Mamax + Mf + M()=26.19+1.37

18、6 + 1.066=28.632 kg f-cm=286.32N-cm切削时所需力矩：M=Mat + Mf + Mo + Mt=1.563+ 1.376+ 1.066+ 16.839=20.844 kgfcm=20&44N cm快速进给时所需力矩：M= Mr + Mo=1.376 + 1.066=2.442 kg f cm=24.42N5由以上分析计算可知，所需最大力矩 Mn 和发生在快速启动时：Mmax=28.632 kg fcm=286.32 N-cm(-)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

19、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资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除16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:资料内容仅供您学习参考.如有不当之处请联系改正或者删除=27106资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除17工作台重(根据图纸粗略计算)W=40 kg f=400N时间常数T=25ms滚珠丝杠基本导程Lo=4mm 左旋行程S=330mm脉冲当量6

20、p=0.005m m/step步距角a=0.757 step快速进给速度Vmax=lm/min(1) 切削力计算横向进给量为纵向的 1/2 1/3,取 1/2,则切削力约为纵向的 1/2 :Fz=0.5x352.5=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(2) 滚珠丝杠设计计算1强度计算对于燕尾型导轨：P=KFy+ f(Fz+ W)取：K=1.4 f=0.2贝 IJ ： P= 1.4x 88.125 + 0.2( 176.25 + 40)=166.625 kgf=1666.25N取工件直径：D=80

21、 mm 走刀量：f=0.3mm1000 x100 x0.3 “ -=30r/nnn3.14x80 x460 x30 x15000最大动负载：Q=讥 7九齐 P= V27 x 1.2x1x166.625 =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，滚珠丝杠参照汉牡/ 1000m=- =- 厶o加)厶资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除18江机床厂的产品样本选取 FciB系列，滚珠丝杠公称直径为 0)2011711,型号为FCIB20X45E2左，其额定动负载为 8393N,所以

22、强度足够用。2效率计算螺旋升角：尸 3。3&摩擦角：哄 I(y则传动效率“厲3刚度验算滚珠丝杠截面积：F=(-)2TT=(黑巴)2x3.14=2.O17cm22 2滚珠丝杠受工作负载 P引起的导程的变化量：ATP 厶166.625x0.4 一in6ALi=- =- -=1.604xl06cmEF20.6X106X2.017滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 AL2 很小，可忽略，即：AL 二 ALi,所 以导程变形总误差为：A = -AL = -x 1.604 xlO6=4.01/27/? 厶) 0.4H查表知 E级精度丝杠允许的螺旋误差(lm长)为 15um/m,故刚度足够。4稳定性验算

23、由于选用滚珠丝杠的直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，所以稳定性増强，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：Ji=(竺些)2 w = (18x 0,005)2x 40 = 0.058 kgcm27ap3.14x0.75资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除19丝杠的转动惯量：JS=7.8X10-4XD4LI=7.8X104X24X50=0.624 kgcm2由于电机转动惯量很小，可以忽略

24、，此不进行计算。 因此，总的转动惯量：J=Js+ 人=0.624+0.058=0.682 kgcm24所需转动力矩计算n一maJ -max=4 “曲Mamax= xl0_4=xlQ-4= Q Q?jN.m=0.71 kg f-CTTl9.6T9.6x0.025nJ1000 叨 1000 xl00 x0.3xl.nt=，、=- =- =29r/min厶兀DLQ3.14X80X4xl0-0.0076N.m=0.076kgf.on当 r)o=0.8 f=0.2 Bj-:2力”2m i=O-2X4OX-4=0.637kg fan=6.37N. 2x3.14x0.8x1当 ro=0.9 时：Mo=(1

25、一A( 一0 92)= 0.44 kg f cm=4 4 N-m67；/6x3.14x0.8x1呻鈴=2兀：爲:戶.(Wf吩 70.2Nn所以，快速空载启动时所需转矩：M=Mamax + Mf + M()=0.71 + 0.637 + 0.44=1.787 kg f-cm=17.87N-cm切削时所需力矩：Mat=资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除20M=Mat + Mf + Mo + Mt=0.076 + 0.637 + 0.44 + 7.02=8.173 kg f-cm=81.73N.cm快速进给时所需力矩：M= M

26、r + Mo=0.637 + 0.44=1.077 kg fcm= 10.77 N cm从以上计算可知，最大转矩发生切削时：Mmax=8.173 kg fcm=81 73N cm三、步进电机的选择(-)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 C(步距角应满足：(XW 弘I式中 i-传动比Wmin系统对步进电机所驱动部件的最小转角。2、精度步进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

27、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AQiA0s式中步进电机的积累误差； 0s系统对步进电机驱动部件允许的角度误差。资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除213、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：0.3 0.5式中 M电动机启动力矩；Mui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、拍数、启动力矩表运行方式相数3

28、3445566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増大而降低，因此相 应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足:f& fcpjm式中 ft极限启动频率；fcp m- 要求步进电机最咼启动频率。(-)步进电机的选择1、纵向进给系统步进电机的确定7=286,32- 715.8N.cm0.4为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查

29、表知:资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除22Mq/Mjm=0.866所以步进电机最大静转矩 Mjm为：Mim=i = = 826.56N.cm0.866 0.866步进电机最高工作频率Vr max _Amax -60巧=2000-3333.3 Hz60 x0.01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二些竺虫= 204.325 N cm0.40.4电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mim=0.866所以，步进电机最大静转矩“何为:Mjm-:_2O4

30、.325 Rs 舛曲0.866步进电机最高工作频率V1000CmaxImax60耳=3333.3 Hz60 x 0.005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

31、价格贵。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。资料内容仅供您学习参考.如有不当之处诘联系改正或者删除资料内容仅供您学习参考.如有不当之处话联系改正或者删除23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） 贴塑软带， 如美国生产的 TwrciteB和我国生产的 TSF软带材料，次、此种软带厚度为 0.8mm、1.6mm、3.2irm等几 种规格。考虑承载变形，宜厚度小的规格，如果考虑到加工余量，选用厚度为 1.6 mm为宜。贴塑软带粘贴工艺非常简单，可直接粘结在原有的滑动导轨面上，不受导 轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。粘结前按导轨精度要求对 金属导轨面进行加工修理。根据导轨尺寸长度放大 34価，切下