【CA6140车床改造设计14000字（论文）】

CA6140车床改造设计TOC\o"1-3"\h\u270881绪论 1307271.1课题研究背景与意义 1222181.2数控机床的发展及国内外研究现状 119121.2.1数控技术及其发展 148581.2.2机床数控化改造的国内外研究现状 2190691.3CA6140车床数控化改造经济性评价 3158171.4课题研究的主要内容 4242182数控化改造设计的方法论证 4295662.1数控改造的性能要求 4226522.2数控改造的方法选择 5249422.2.1改造方法的设定 5302122.2.2改造方法的比较与选择 8257102.3本章小结 995653机械部分的改造 9194553.1对车床进行精度恢复 9127933.1.1导轨的修磨 9286353.1.2主轴箱和拖板箱的改造 10118983.2主传动系统的改造 10293713.2.1主传动系统改造 10109543.2.2主轴箱改造 1193703.3纵向（Z向）进给系统的改造设计 13327423.3.1Z向进给系统的组成 13183663.3.2切削力的计算 1418443.3.3Z向滚珠丝杠计算与选型 16223433.3.4伺服电机选型与计算 193473.4横向(X向)进给系统的改造设计 2289963.4.1X向进给系统的组成 22207183.4.2切削力计算 22298353.4.3X向滚珠丝杠的计算与选型 2339553.4.4横向交流伺服电机的选择计算 26182893.5刀架与导轨的改造设计 28305953.5.1刀架的性能要求 28185873.5.2LD4-CA6140刀架 29135953.6安全保护 3013293.7本章小结 3030046结论 316469参考文献 331绪论1.1课题研究背景与意义经济水平提升和工业化的推进，促进了我国科技水平的大幅提升。在数字化控制方面，技术也日益成熟，拥有了更为广阔的市场，为很多企业带来了非常高的的经济收益，数控加工能够缩短零件加工周期，降低劳动者的劳动强度，在降低生产成本的同事还能保证零件的加工精度处于高水平[1]。中国的机床生产量和拥有量都居于世界前列，但是大部分的机床已超过使用年限，陈旧老化，难以满足市场需要。然而，若想在短时期内大量地实现现有设备的更新，无论是从资金消耗还是从国内机床制造厂的生产能力而言，都很难完成[2]。为了解决这一难题，需要社会各界的帮助。实现车床控制数字化，可以加工出传统机床难以加工出的复杂零件外形，并且能够提高加工的自动化程度以及柔性，从而提高零件的加工效率，降低了工人的劳动力强度。机床数控化改造在发达国家正处于黄金发展期。由于计算机技术的不断发展，对机床的数控化程度也在不断进步，机床的数控化改造将会是一个经久不衰的课题[3]。1.2数控机床的发展及国内外研究现状1.2.1数控技术及其发展数控技术(NCNumericalControl)是指用数控信号构成的控制程序对某一对象进行控制的一门技术[4]。数控机床是现代数控设备的典型代表，它具有加工精度高、自动化程度高以及柔性高等优点，数控机床的使用，使得零件的加工质量趋于稳定，便于生产管理实现现代化。数控技术的广泛应用是大势所趋。第一台电子计算机诞生于1946年，具有划时代的意义，这拉开了解放人类劳动的帷幕。随即在六年后，第一台数控机床也应势而生。由此揭开了传统机床新的篇章。从1970年开始，通用小型计算机的出现与逐步批量生产，使得将其移植过来作为数控系统的控制核心成为了可能[5]，1974年微处理器被应用到数控系统中，从此便步入了计算机数控时代。1.2.2机床数控化改造的国内外研究现状我国对数控机床的研制始于1958年，当时的主要工作为学习国外数控机床的技术，由于电子元件质量以及制造工艺水平相对较差，致使国产数控机床的工作稳定性、可靠性不高，因而在当时未能得到有效地推广[6]。80年代，随着科技水平和制造工艺的提升，我国重新展开了数控机床的研制与生产工作，此后，本土数控设备逐渐发展成批量生产，先后成立了多家工厂，如北京机床研究所，以及多家数控系统制造商，如武汉华中数控有限公司。大型和经济型是国产数控系统未来的发展趋势，以此来适应我国当前国情[8]。随着电子技术的发展，机械工程行业进入数字化制造时代，数控机床就是这一时代的显著标志[9]。特别是在2011年到2015年期间，国内的制造业突飞猛进，吸引了越来越多的外商投资，对机床的需求依旧十分旺盛。然而，我国目前拥有的机床很多都是普通机床，而且大多数服役年龄较长，其中数控机床总数只有11.34万台，机床数字化控制率极地。近10年来，我国数控机床年产量在7000台左右，数控车床是主要的生产产品，数控率超过了百分之五。改革开放以来，许多企业从国外引进先进技术，对设备和生产线进行改造[10]。但是，也有一些改造项目，由于部分设备、制造工艺和对技术的消化吸收能力差，并且维护不当，致使设备无法正常运行，生产线断链，给公司造成巨大损失。国外的机床改造行业起步早，经验多，特别是在工业方面非常发达的国家，已形成了一套完整的生产体系，行业建设已初具规模。在这一个方面，国内还处于起步阶段，有些企业敢于尝试，取得了不小的成就，但是也有部分企业由于经验不足，经营失败。比如我国的常柴有限公司改装仿形镜床时，只花费了不到五十万的成本，节约了五倍的投资。后续数据统计显示，新增产值接近四千万人民币，经济效益大幅提升。再举一个失败的例子，航空航天部国营507厂曾在牡丹江工厂改装一台常规C620-1车床，由于受制于当时的理论限制和系统稳定性，最终导致了改造的失败[11]。尽管近年来我国数控机床在产品数量、技术水平、生产数量和质量以及多项关键技术方面取得了明显进步，但仍低于世界先进水平[12]。在日本、德国、美国、英国等国家，数控机床的年产量非常高，达到了世界总产量的47%，一些发达国家的机床厂甚至只生产数控机床，普通机床逐步转移到第三世界的国家生产[13]，发达国家的数控机床占有率比我国还要高出很多。在国外一些发达国家，将机床改造业作为新的经济增长行业，已形成了机床与生产线联合数控化改造的新兴行业。世界著名的行业先锋有美国的Bertsche工程公司、Ayton机床公司等[14]。日本的大限工程集团、岗三机械公司等[15]。作为以精密的制造业而出名的德国，可以将改造后普通车床的质量与性能做得和新车床相差无二也不足为奇了，而且，即使是二手车，服务并没有降级[16]，在德国具有代表性机床改造公司——Schiiess公司曾于1981年将一台最大加工直径为19m的超重型立式车床改造成了数控机床，这台机床的整体改造费用仅为相同规格新机床价格的29%[17]。可见，对现有普通机床的数控化改造无论在降低设备更新成本还是在旧机床资源合理利用等方面都具有十分明显的优势，从当前完成改造的机床设备运行情形来看，改造后的机床完全能够满足现代生产加工的需求。1.3CA6140车床数控化改造经济性评价经过市场调研，每台CA6140数控车床市场价格大约为8.6万元，而使用了五十年左右的旧CA6140普通车床均价为5000元，而改造成本却是售价的4倍，由此可得，使用数控技术可以提升一半的生产率[18]，依照当前的数控化改造技术，改造后车床寿命可达到五年及以上。常规的数控改造是指应用数控技术和改装经验，在保留基本框架的基础上，使其达到先进的数控化水平。数控车床要求加工灵活，灵活性强，能经常适应产品规格。加工质量较稳定，生产效率高，工人劳动强度较低等优点，在制造业中发挥着举足轻重的作用[19]。对制造业而言，机床数控化的改造是设备更新的一种方法，与其相似的设备改装方法还有其他选择，例如可以继续对旧机床进行利用，对旧机床进行修整，以及购买全新的机床等。那么哪种方法更好呢？这要对使用设备进行经济评价，主要任务就是在上述各种方法中选取投资成本最低，并且可以获得最佳经济收益的方法。1.4课题研究的主要内容数控加工的应用越来越广泛，先进制造技术发展也越来越成熟，数控加工在我国已进入普及时期。车床的数控改造，是指在原有车床上配备所要求的数控加工系统，并针对数控加工系统，对车床的某些结构，如机械部分、控制部分等结构域做出一定的改造，使改装后的车床具备数控加工能力[20]。本次毕业设计主要是对普通车床CA6140进行研究，并完成对其的数控化改造，使CA6140车床具备数控加工的能力，能够继续适应现代生产加工的需求，如此一来，不仅降低了资本的投入也提高了产品的生产效率。本次改造设计主要研究的内容包含以下几个方面：（1）根据的车床的数控化改造的基本要求，综合地去考虑机床性能和应有的经济性价值，对具备可行性的改造方法进行综合评估，从而选择出最优的经济收益和最低的投入费用的方法，从而对车床进行最有效的数控化改造。（2）对车床的机械部分进行改造，主要研究内容如下：1）对车床的主传动系统进行精度的恢复。对存在老化缺陷的零部件进行修复或者更换，以保证车床的数控化改造能够顺利地进行；2）对车床的进给系统进行设计和改造。经过设计校核计算，对滚珠丝杠、轴承、联轴器以及电机的型号进行选型，并根据原有车床选择相应的支承方式以及连接方式，以保证改造后车床的承载能力和加工精度；3）对床头箱、刀架、导轨等关键部分进行改造。为了适应数控化改造的要求，对床头箱结构进行相应的调整，选择合适的自动回转刀架，并对导轨进行修磨，以提高定位精度。2数控化改造设计的方法论证2.1数控改造的性能要求完成对普通卧式车床CA6140的数控化的改造，自动化是最基本的要求，比如自动换刀，自动润滑等。假设现有的加工项目在改装后能够完成，其尺寸加工误差应≤50μm，机床加工质量，生产效率以及加工安全性可以达到甚至超过同一水平。2.2数控改造的方法选择2.2.1改造方法的设定经过对拥有大量普通旧车床生产企业所进行的市场调查，大致确定了车床数控化改造所涉及的基本方面，主要包括整体方法所牵连的各种技术，零件的生产和使用性能的评估，以及需要遵守的相关技术规定，数控系统和各种零部件的型号选择，以估算进行各部分改造所需投入的费用，从而整个项目所需要的成本，初步拟定以下两种方法：方法一：（1）机床的主要配置。车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床，在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。车床技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用。车床通常由以下几部分主要部件组成:主轴箱、交换齿轮箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠、床身、床脚和冷却装置。（2）数控改造的重点拆除旧车床上的轴箱、进给箱、轮架、原工具箱和标准车削滑块，为了节约成本，可以将损坏程度较低的的导轨存放起来再利用。原本的车床尾座结构也可以保存下来。还可以基于需求量，结合制造条件，设计所需的转速调节装置。对车床的进给轴进行改造，采用半闭环伺服控制[22]。位置检测元件决定安装在伺服电机末端，工作台的位移量主要通过检测电机和丝杠的旋转角度而间接检测，由于半闭环控制环路内只包括较少的机械环节，因此可以使机床获得更为稳定的控制性能。另外，由于工作温度的变化、机械原点的漂移以及滚珠丝杠的热变形等也是引起加工误差的主要因素，设计改造时都需要加以注意。（3）数控改造的难点由于车床对于主轴箱等部分要求较高，其相关的设计改造具有较高的难度，技术实力较低的企业难以完成；X向、Z向的丝杠两端支撑以及联接件需要铸造之后再加工，进给系统对于改造之后的加工精度影响非常大，所以需要进行全面的设计、改造，并选择合适的型号，力求在有限的费用和技术条件范围内，能够达到较为理想的效果；另外，导轨与溜板之间的间隙调整技术也有较高的要求。（4）改造费用核算。在对车床的数控化改造中，改造费用的核算是一个重要的评估标准[23]。因为现实生产当中，数控化改造的过程，需要综合每一个方面的影响因素。厂家追求利益最大化的目的，一般都会把费用核算放在第一位。因此，合理的控制投入的总费用，得到较好的性价比，应该是车床数控化改造的直接目的。当然，如果数控化方法选择不当，即使是高质量的车床，也容易陷入成本危机，过高的成本会影响企业的短期利润。对于中小企业来说，更不利于其在市场竞争中站稳跟脚。因此，改造费用的核算非常有必要，方法一的改造费用核算结果如表2-1所示。表2-1方法一费用列表编号改造部分名称数量成本(元)备注1数控系统114000订购2主轴变频器18200订购3主轴电机(伺服电机)23400订购4滚珠丝杠22400订购5刀架12700订购6编码器1600订购7主轴与主轴箱18100外协加工8配电柜1800外协加工9防护罩11700外协加工10非标准附属零件1800外协加工11电器配件以及标准件1200订购12导轨磨削330013其它费用280014合计50900方法二：（1）机床的主要配置采用GSK928-TE的数控系统，其中主轴箱的传动方式按照原来CA6140的传动方式保持不变，即保留原有车床的有级变速；Z向、X向也采用伺服电机对工作台进行驱动，选用滚珠丝杠作为进给结构；采用联轴器连接的方式，降低丝杠工作台在系统中所占的比重，提高进给系统的快速性，并可利用伺服电机高速底转矩的特性，在开环系统中还起到机械和电器的匹配作用；把原有刀架改为电动刀架，使得改装完毕后，机床能实现自动换刀；选用DEEGS主轴编码器检测车床主轴的转速；床身安装半防护罩，操作安全，外形比较美观。（2）数控改造的重点拆掉原来CA6140车床上的挂轮架、刀架、进给箱以及溜板箱，保留主轴箱的传动系统，对主轴箱进行修整，对导轨进行修磨，对车床零部件进行修整或更换；方法二的进给轴采用开环伺服系统，开环伺服系统由于没有位置测量反馈装置，信号流是单向的，因此系统稳定性好，但其精度则由伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度所决定。Z向丝杠由电机支撑座和轴承座支撑，X向丝杠仅由电机支撑箱支撑，电机支撑座和轴承座要重新设计改造，同样的，丝杠屉也需要重新设计改造，对于车床防护罩、电气柜等部分，需要在考虑工作安全与车床性能的前提下，重新进行改造，最后再把各部件装配起来进行调试。（3）数控改造的难点X向、Z向的丝杠两端支撑以及联接件需要铸造之后再加工，进给系统对于改造之后的加工精度影响非常大，所以需要进行全面的设计、改造，并选择合适的型号，力求在有限的费用和技术条件范围内，能够达到较为理想的效果；另外，导轨与溜板之间的间隙调整技术也有较高的要求。（4）改造费用核算。方法二的改造费用核算结果如表2-2所示。表2-2方法二费用列表编号改造部分名称数量费用(元)备注1数控系统19000订购2主轴电机(伺服电机)23600订购3滚珠丝杠23100订购4刀架12100订购5编码器(主轴编码器)1800订购6配电柜1600外协加工7防护罩1800外协加工8非标准附属零件1200外协加工9电器配件以及标准件600外协加工10导轨修磨320011其它费用50012总计245002.2.2改造方法的比较与选择（1）方法比较对两种方法进行比较，将其项目的对比综合与表2-3中：表2-3两个候选方法的对比编号改造内容方法一方法二1变速方式无级变速有级变速2X向、Z向主轴电机伺服电机伺服电机3操作难易度容易较为容易4车床防护整机半防护床身半防护5执行难易程度困难相对简单6改造消耗时长较长较短7投入费用预算50900元24500元通过表2-3的比较，我们可以看出，相对比方法一而言，方法二改造周期短，执行难度低，并且投入成本也较低，而且由于CA6140车床属于中小型车床，控制系统宜采用半闭环控制，因此，为了提高车床精度以及更加节约成本，方法二更加适合改造要求。2.3本章小结本章在认真分析了CA6140车床数控化改造基本要求的基础上，提出了两种较为全面的并且具有可行性的数控化改造方案，并且针对这两种改造方案，从驱动方式、操作难易程度、改造周期时长以及投入的改造费用等各个方面进行了详尽的比较。最后，综合考虑成本和改造后的车床加工精度，选取方法二作为本文对CA6140普通车床进行数控化改造的方法指南，为下一步进行CA6140车床的数控化改造奠定了方法基础。3机械部分的改造3.1对车床进行精度恢复使用年限过长，车床难免会出现一些问题，不适应新的加工要求。根据磨损程度更换主轴的齿轮和轴承。根据当前国内外成品数控车床的导轨采用淬硬的合金钢材料更换导轨，其耐磨性能够比普通铸铁导轨高5至10倍[24]。3.1.1导轨的修磨在CA6140标准车床的数控化改造过程中，由于车床本身已被多次反复使用，有些零件可能会脱落或松动，导轨与托板之间出现较大的偏差的情况是比较常见的。导轨表面受到损害后会变得凹凸不平，形成爬行现象[24]。而爬行现象会导致车床在移动过程中滑动，对定位精准度造成影响，从而降低了车床的加工精度。所以有必要在改造前修整原有的导轨，并调整压板镶条。经过导轨修磨之后，需要使车床导轨水平面内的导轨直线度至少能达到0.03mm/1000mm，垂直面内的直线至少能达到0.04mm/1000mm，平行度达到0.03mm，如此才能满足改造要求，CA6140车床导轨如图2-1所示。图2-12车床导轨示意图3.1.2主轴箱和拖板箱的改造由于数控机床的需要，在这里我们拆掉原有的拖板箱，并在此位置上安装新的拖板箱。在主轴箱的第二轴上安装17位位置编码器，将原来CA6140车床上的主轴正反离合器手动刹车装置拆除，并在主轴伺服电机上安装自动的刹车离合器装置，利用电器系统控制电机的正反转。另外，还需要将原来车床上的操纵杆，变向杠、立轴等杠杆等零件拆除。3.2主传动系统的改造3.2.1主传动系统改造在对普通车床CA6140的数控化改造中，按照方法二的要求，应该保留原有车床比较成熟的主传动系统，但是，在车床改造前，应该首先对主轴的径向跳动量、轴向窜动量以及噪音分贝进行测量，并验证其换挡是否灵活；一般而言，与新车床相比，数字控制的旧操作系统相较于新的操作系统，精度下降在所难免。这种情况下，修理主操作系统的必要性就显现出来了。并且要调整几个关键的部件，如果修整难度较大，可以放弃修整，直接更换一个新的部件。除此之外，增加主轴脉冲编码器和齿轮附件。3.2.2主轴箱改造根据方法二，保留主体部分，如图2-1所示，改造过程如下所示：（1）如图2-1所示，更换箱内III轴和VI轴上的圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承，型号分别为32907和NU2215E，更换原有轴承，使得车床的噪声平均水平低于70分贝，提高了车床的加工性能。并能够提高主轴的径向跳动量和轴向窜动量，从而满足数控车床的加工技术指标；（2）更换箱盖上的老化密封圈，避免旧车床在运转时出现向外泄油的情况。而且，降低泄油，还能办证主轴转动时，使主轴箱内的齿轮以及轴承等零部件得到更为充分的润滑；图2-1CA6140主轴箱装配图（3）更换拨叉和内部拉杆上的元宝销，从而使改造后的车床选档更加方便灵活；（4）安装主轴编码器，使得主轴的实际转速能够实时测量，及时反馈，安装位置如图2-2所示。1—编码器2—编码器支架3—附加齿轮4—轴承套5—箱体6—X轴7—齿轮8—轴承图2-2编码器安装位置图3.3纵向（Z向）进给系统的改造设计数控车床的主要组成部分就是进给传动系统，它能够将主轴电机的旋转运动转化为刀架的直线进给，按照方法二的要求，本次改造采用滚珠丝杠作为传动机构，从而可以有效地提高进给系统的灵敏度与定位精度，而且可以有效的防止爬行[26]。改造后的车床的进给系统精度、灵敏度和稳定性，将会直接影响到零件加工的精度，因此，进给传动系统必须满足以下要求。（1）能够提高机床的传动精度以及刚度，能够有效消除传动间隙。（2）能够减小传动的摩擦阻力。（3）能够有效降低运动部件转动惯量。（4）能够对系统添加适度阻尼，从而减轻振动影响。3.3.1Z向进给系统的组成机床传动主要由以下五部分组成：主传动和X、Y、Z、W轴的四向进给运动。主传动系统位于主轴箱后上部的空腔内，通过花键轴与方滑枕内的主齿轮联接。主传动由交流伺服主轴电机驱动，首先通过联轴器将动力传到Ⅰ轴的齿轮轴上，然后通过齿轮啮合，再传到Ⅱ或Ⅲ轴的滑移齿轮上，通过滑移齿轮移动到左端、中间（三档结构）和右端，来实现Ⅰ档、Ⅱ档和Ⅲ档（三档结构）的从低到高的速度档位转换，最后再通过齿轮啮合将动力传到Ⅶ轴（铣轴）的主齿轮上，从而驱动铣轴和镗轴一起回转，其中Ⅴ轴中的花键轴固定在滑枕的上端，并随滑枕左右移动，同时还在Ⅴ轴右端的花键齿轮内左右滑移。这样主传动系统经电气无级调速，在档位内可实现主轴无级变速。其机械换挡由油缸带动拨叉推动滑移齿轮来实现，并由检测开关检测滑移齿轮的位置，来反馈主传动的档位状态。如图2-3所示。图2-3进给系统示意图3.3.2切削力的计算(1)——主轴切削功率(2-1)式中：——切削功率(KW)；一一切削力(N)；一一速度(m/s)。(2)——主轴电机功率(2-2)式中：——电机的传动效率，通常取＝0.75~0.85；(3)——主切削力(2-3)(4)——进给力(2-5)(5)——背向力(2-6)式中：——背吃刀量(mm)；一一切削进给量(mm/r)；一一速度(m/min)。图2-4切削力示意图本次车床数控化改造用Q235钢作为实验材料，车床刀具选用材料为YT15的焊接式硬质合金车刀进行切削试验，由常识可知，粗车比精车时车刀所受的各种切削力要大。因此，在改造过程中的其它部件都依据粗车时的切削参数进行设计计算。选定进给量f=0.35~0.65mm/r，背吃刀量=3.5mm，切削速度＝6075m/min。通过查阅《机械工程手册》可得：＝2650，=1，=0.75，=0.15，=1，=2880，=1，=0.5，=0.4，=1。取切削直径d=300mm，切削速度=75m/min，计算出主轴转速n为：(2-7)对比CA6140车床主轴转速表，在本次改造设计中，实际转速n定为83r/min。(1)——主切削力(2-8)(2)——进给力(2-9)(2)——背向力(2-10)(4)——切削功率(2-11)(5)——主轴电机功率(＝0.75)(2-12)3.3.3Z向滚珠丝杠计算与选型（1）参数计算1）Q——Z向滚珠丝杠轴向力(2-13)式中：K一一力矩影响系数，K=1.11~1.16；——当量摩擦系数，=0.14~0.19。(2-14)2）——主轴寿命系数(2-15)式中：——滚动螺旋副的寿命，=15000h。3）——主轴转速系数(2-16)4）——基本额定载荷(2-17)式中：——硬度系数；——载荷系数；——短行程系数。（2）滚珠丝杠的选型改造后车床滚珠丝杠的基本额定载荷要求为，通过查阅《机械传动设计手册》可得，选用的滚珠丝杠型号应为FD4006-3-P4950/880，即浮动式双螺母预紧内循环式滚珠丝杠，其公称直径=40mm，公称导程=6mm，精度等级为4级，负荷钢球圈数为3圈，额定动载荷约为15.1KN。详细参数见表2-4所示。表2-4纵向滚珠丝杠参数表公称直径基本导程钢球直径丝杠外径d螺纹底径动载荷静载荷刚度(N/mm)4063.96939.535.915.143.81017螺母安装连接尺寸DBhMAC7111090159159M637421141）——螺旋角(2-18)2）——滚道半径(2-19)3）e——偏心距(2-20)（3）强度校核在进行切削加工时，滚珠丝杠主要承受的力为轴向力Q和转矩T，但是作用在滚珠丝杠上的弯矩反而较小。根据第三强度理论：(2-21)而，由于，即滚珠丝杠满足改造设计的强度要求。（4）刚度校核1）——滚珠丝杠受到轴向力Q后，引起导程的变形量(2-22)式中：A——丝杠的横截面积()。=6mm，E=200GPa滚珠丝杠横截面积：(2-23)则，。2）——滚珠丝杠受到转矩T后，引起导程的变形量(2-24)式中：一一极惯性矩()；G一一切变模量(GPa)；T一一转矩()；(2-25)式中：一一丝杠的当量摩擦角(°)；，即(2-26)3）——滚珠与轨道产生的轴向变形(2-27)式中：一一载荷分布不均与系数，取=1.2~1.3；一一螺母预紧力，通常取。4）——滚珠丝杠导程的总变形量(2-28)5）——纵向滚珠丝杠刚度(2-29)综上可以看出，滚珠丝杠的刚度满足改造设计要求。（5）稳定性校核按照方法二的要求，滚珠丝杠通过联轴器与主轴电机相连，其总长度为l525mm，采用一端固定，另一端铰支的结构。1）——滚珠丝杠柔度(2-30)2）——临界载荷(2-31)由于，可见，滚珠丝杠稳定性满足数控化改造设计的要求。综上，可以看出本次设计所选用的FD4006-3-P4950/880滚珠丝杠的各项指标均满足设计要求，型号选择较为合理。3.3.4伺服电机选型与计算交流伺服电机比直流伺服电机具有更加优越的特性，在现代生产使用中，得到越来越多的应用。在机床数控化改造中选择主轴电机需要注意以下几个要求，以便交流伺服电机能够充分发挥其工作性能。（1）伺服电机型号的确定1）电机轴上的等效转动惯量在进行计算时，应该选取最不利于车床启动时的速度，这里选用快速定位速度。，，则，丝杠的转动惯量为：(2-32)电机转子的转动惯量取为，则等效到电机轴上的转动惯量为：(2-33)2）丝杠的摩擦阻力矩因为丝杠需要承受轴向载荷，而且在改造设计过程中采用了一定的预紧措施，因而滚珠丝杠也会产生一定的摩擦阻力矩，但是滚珠丝杠的效率很高，其摩擦阻力矩相对于负载力矩要小的多，因此，在本次改造设计中不予考虑。3）——等效负载转矩(2-34)4）T——机床启动惯性阻力矩在进行计算时，应该选取最不利于车床启动时的速度，这里选用快速定位速度，并取机床制动时间=0.3s，电机转速，取加速度曲线为等加(减)速曲线，故角加速度为：(2-35)(2-36)(2-37)(2-37)5）输出轴上的总负载转矩(2-38)由于上述计算均没有考虑道机械系统的传动效率，并且在车床进行加工时，由于材料的不均匀性等的影响，有时还会引起负载转矩突然增大的情况，为了避免这些情况，在本次设计改造中选用了一个适当的安全系数，安全系数一般在1.2到2之间选取，本次将安全系数取为K=1.5，而机械传动总效率取为。(2-39)经过计算，Z向主轴电机选择三菱公司生产的HC-UFS系列交流伺服电机152(BG)型号(与之相配的伺服放大器型号MR-J2S-40A/B)其额定转矩为1.3，刚好大于，所以满足改造设计的要求。（2）最高转速校核为了运行安全以及电机的寿命，快速行程的电机转速必须严格限制在电机的最高转速之内。(2-40)式中：——电机最高转速(r/min)，根据电机型号取；N——快速行程中电机转速(r/min)；——工作台快速行程速度(m/min)，这里取；i——系统传动比,根据本次改造设计，取P——丝杠螺距(mm)，根据丝杠型号，选择。由于，所以最高转速满足改造要求。（3）负载惯量校核转换到电机轴上的负载惯量应该限制在2.5倍电机惯量之内，Z向HC-UFS系列交流伺服电机152(BG)型号的转动惯量为，则等效到电机轴上的转动惯量为：。由于，因此所选交流伺服电机的满足设计要求。改造后车床Z向的最终装配如图2-5所示。3.4横向(X向)进给系统的改造设计3.4.1X向进给系统的组成X向进给系统有电机支撑座、主轴电机、联轴器、丝杠轴承、齿轮等零部件组成。丝杠通过螺母屉与横向托板相连，经驱动器控制后，主轴电机带动丝杠转动，从而带动横向托板进行前后移动。X向和Z向进给机构的设计步骤与内容是基本相似的，因此，在这里不再赘述相同的公式。在本次改造设计中，设定横向托板以及刀架的总重量为W=490N。3.4.2切削力计算在本次设计计算中，切削力计算所选择工况为切断或者切槽加工，根据《机械工程于册》可以查得：＝3600，=0.72，=0.8，=0，=1390，=0.73，=0.67，=0，=1。图2-5Z向装配图（1）一一切削力(2-41)（2）——进给力(2-42)（3）——背向力(2-43)3.4.3X向滚珠丝杠的计算与选型（1）参数计算1）Q——X向滚珠丝杠轴向力(2-44)在本次改造设计中，选取K=1.15，=0.18，则：(2-45)2）——基本额定载荷(2-46)（2）滚珠丝杠的选型改造后车床滚珠丝杠的基本额定载荷要求为，通过查阅《机械传动设计手册》可得，选用的滚珠丝杠型号为FW2004-3-P4410/330，即浮动式双螺母预紧内循环式滚珠丝杠，其公称直径=20mm，公称导程=4mm，负荷钢球圈数为3圈，精度等级为4级，额定动载荷为7.3KN。详细参数见表2-5所示。表2-5横向滚珠丝杠参数表公称直径基本导程钢球直径丝杠外径d螺纹底径动载荷静载荷刚度(N/mm)2042.3813619.37.315.4259螺母安装连接尺寸DBhML6248115.8156M6381）——螺旋角(2-47)2）——滚道半径(2-48)3）e——偏心距(2-49)（3）强度校核在进行切削加工时，滚珠丝杠主要承受的力为轴向力Q和转矩T，但是作用在滚珠丝杠上的弯矩反而较小。根据第三强度理论：(2-50)而，由于，即滚珠丝杠满足改造设计的强度要求。（4）刚度校核1）——滚珠丝杠受到轴向力Q后，会引起螺旋面的变形量(2-51)其中，=4mm，E=200GPa滚珠丝杠横截面积：(2-52)则：(2-53)2）——滚珠丝杠受到转矩T后，引起导程的变形量(2-54)式中：一一丝杠的极惯性矩()；G一一钢的切变模量(GPa)；T一一转矩()；(2-55)式中：一一当量摩擦角(°)；，即(2-56)3）——滚珠丝杠导程的总变形量(2-57)4）——Z向滚珠丝杠刚度(2-58)综上可以看出，滚珠丝杠的刚度满足改造设计要求。（5）稳定性校核按照方法二的要求，滚珠丝杠通过联轴器与主轴电机相连，其总长度为600mm，采用一端固定，另一端浮动的结构。1）——滚珠丝杠柔度(2-59)2）——临界载荷(2-60)由于，可见，滚珠丝杠稳定性满足数控化改造设计的要求。综上，可以看出本次设计所选用的FW2004-3-P4410/330滚珠丝杠的各项指标均满足设计要求，型号选择较为合理。3.4.4横向交流伺服电机的选择计算交流伺服电机比直流伺服电机具有更加优越的特性，在现代生产使用中，得到越来越多的应用。在机床数控化改造中选择主轴电机需要注意以下几个要求，以便交流伺服电机能够充分发挥其工作性能。（1）伺服电机型号的确定1）电机轴上的等效转动惯量在进行计算时，应该选取最不利于车床启动时的速度，这里选用快速定位速度。，，则，丝杠的转动惯量为：(2-61)电机转子的转动惯量取为，则等效到电机轴上的转动惯量为：(2-62)2）丝杠的摩擦阻力矩因为丝杠需要承受轴向载荷，而且在改造设计过程中采用了一定的预紧措施，因而滚珠丝杠也会产生一定的摩擦阻力矩，但是滚珠丝杠的效率很高，其摩擦阻力矩相对于负载力矩要小的多，因此，在本次改造设计中不予考虑。3）——等效负载转矩(2-63)4）T——机床启动惯性阻力矩在进行计算时，应该选取最不利于车床启动时的速度，这里选用快速定位速度，并取机床制动时间=0.3s，电机转速，取加速度曲线为等加(减)速曲线，故角加速度为：(2-64)(2-65)(2-66)(2-67)5）输出轴上的总负载转矩(2-68)由于上述计算均没有考虑道机械系统的传动效率，并且在车床进行加工时，由于材料的不均匀性等的影响，有时还会引起负载转矩突然增大的情况，为了避免这些情况，在本次设计改造中选用了一个适当的安全系数，安全系数一般在1.2到2之间选取，本次将安全系数取为K=1.5，而机械传动总效率取为。(2-69)经过计算，Z向主轴电机选择三菱公司生产的HC-KFS系列交流伺服电机43(BG)型号(与之相配的伺服放大器型号MR-J2S-40A/B)其额定转矩为1.3，大于，所以满足改造设计的要求。（2）最高转速校核为了运行安全以及电机的寿命，快速行程的电机转速必须严格限制在电机的最高转速之内。(2-70)式中：——电机最高转速(r/min)，根据电机型号取；N——快速行程中电机转速(r/min)；——工作台快速行程速度(m/min)，这里取；i——系统传动比,根据本次改造设计，取P——丝杠螺距(mm)，根据丝杠型号，选择。图2-6X向装配图由于，所以最高转速满足改造要求。（3）负载惯量校核转换到电机轴上的负载惯量应该限制在2.5倍电机惯量之内，Z向HC-UFS系列交流伺服电机152(BG)型号的转动惯量为，则等效到电机轴上的转动惯量为：。由于，因此所选交流伺服电机的满足设计要求。横向进给系统的最终装配如图2-6所示。3.5刀架与导轨的改造设计3.5.1刀架的性能要求刀架是车床不可或缺的一部分，而数控车床需要使用回转刀架，用来紧固刀具和旋转刀具[27]。基于数字化控制的相关改造标准。自动回转刀架的性能和结构必须满足以下要求：(1)转位精度要准确，并且换刀过程需要平稳；(2)刀架转位的路线应该尽量短，锁紧时间要快；(3)结构需要尽量合理，强度应该足够大；(4)其密封性要好，能够防冷却液、防加工碎屑等。3.5.2LD4-CA6140刀架根据原有CA6140车床的结构和数控车床刀架的基本要求，在本次改造设计中选用常州宏达数控车床有限公司生产的立式数控刀架，其型号系列选择为：LD4-CA6140。该刀架的具体技术参数如表2-13所示。表2-13LD4-CA6140系列刀架技术参数表型号系列功率(W)电机转速(r/min)夹紧力(N)重复定位精度(mm)寿命(次)换刀时间(S)90。180。270°LD4-CA06256014000.6<0.005>3000002.533.5LD4-CA61256014000.6<0.005>3000002.533.5LD4-CA61329014001.2<0.005>3000002.533.5LD4-CA61409014001.2<0.005>3000002.533.5LD4-CA61409014001.2<0.005>3000002.533.5LD4-CA6140刀架是经济型数控车床上经常采用的一种刀架，四工位回转，结构紧凑，外表美观。该类型刀架主要能够用于加工盘类、轴类等零件的内外表面以及圆弧、锥面、螺纹等的加工。LD4-CA6140保证较高回转定位精度进行换刀，而且在切削时能够保证较好的刚度，其运动主要是采用涡轮蜗杆传动，上、下齿盘啮合，螺杆夹紧等工作原理，该电动刀架的控制部分由发讯盘、磁钢、信号线组成，发讯盘应用霍尔效应原理，主要由盘体、置于盘体内的线路板和固定在线路板上的霍尔元件组成。LD4-CA6140刀架的主要换刀过程为：当数控系统发出换刀信号时，控制刀库转动的刀具动作，继电器带动电动机转动，从而带动涡轮机构的转动。涡轮转动可以带动自动刀架向上移动。当刀架移动到指定位置时，当到达该位置时，离合器转盘将被压转，刀架随之转动。当设备支架旋转成直角时，发射极板和霍尔元件的磁钢将依次排列，发射极板将响应低或高电平将反馈信号与控制信号进行比较并进行比较，并作出反馈。比较结果作为数字控制系统识别和验证的依据。如果两个标记的比例相同，则表明系统中指定的刀架位置发生了偏移。通过使移动销在转盘上返回来旋转框架电机以完成原始位置。同时，螺钉也将刀架向下推。当上、下齿盘锁紧后，就完成了正确定位。在此期间，电机电源被切断，电机停止转动，完成换刀。3.6安全保护改造后的车床能够高效运转必须要以安全为前提。在数控化改造中要根据车床的实际情况积极采取措施，决不容忽视。要在纵向丝杠上加整体铁板防护罩，滚珠丝杠是一种较为精密的传动元件，因此，在工作过程中，要谨防灰尘特别是切屑进入滚道。拖板与滑动导轨的接触两端面也需要密封好，谨防硬质异物进入滑动面而导致导轨损伤。滚珠丝杠在使用过程中，还要防止螺母脱离丝杠表面，这会造成滚珠丝杠无法正常工作，严重时会甚至会引起事故，因此在车床上必须安装防止螺母脱出的超程保护装置，为了保障车床的运行安全，在车床的X向和Z向运动分别设置软限位和硬限位，软限位由所选择的数控系统参数进行设定限位，而硬限位则是在X向和Z向分别装一对行程开关。3.7本章小结本章根据第二章中所选择出来的方法二的改造要求，基于原来CA6140车床的主轴传动系统，加装了脉冲编码器和主轴制动器；对一些老旧的零件进行更换和系统重装；为了进行精度恢复还对导轨进行了修磨，提高了原来机床的传动精度，从而完成机械的自动化改造，达到普通车床的数字化控制改造。结论本次毕业设计主要是对普通车床CA6140进行研究，并完成对其的数控化改造，使CA6140车床具备数控加工的能力，能够继续适应现代生产加工的需求，如此一来，不仅降低了资本的投入也提高了产品的生产效率。本次改造设计完成的主要包含以下几个方面：（1）根据的车床的数控化改造的基本要求，综合考虑机床性能和价值，对具备可行性的改造方法进行综合