CA6140普通车床的数控化改造设计.docx

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CA6140普通车床的数控化改造设计

CA6140普通车床的数控化改造设计

摘　要

数控机床的优点：

具有高度柔性，加工精度高，产品质量稳定、可靠，生产效率高，可加工形状复杂的零件，改善劳动条件，有利于生产管理和机械加工自动化的发展。

普通机床的缺点：

普通机床靠齿轮和普通丝杠螺母传动。

由于各运动副间存在间隙，加上手工操作不准确，因此重复精度较低。

普通机床测量时需停车后手工测量，测量误差较大，而且效率低下。

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，因此工资水平高。

在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。

因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合。

也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。

目前机床数控化改造的市场在我国有很大发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。

用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。

本文以车床的数控改造为例，介绍了机床数控改造的方法，包括其结构的改造设计，性能与精度的选择以及最后改造方案的确定。

关键字：

机床；数控化；改造；意义

Abstract

Numerically-controlledmachinetool'sadvantage:

highlyflexible,highmachiningaccuracy,theproductqualityisstable,reliable,highproductionefficiency,complexshapeofpartsprocessing,improveworkingconditions,behelpfulforproductionmanagementandmechanicalprocessingautomationdevelopment.

Ordinarymachinefaults:

ordinaryongearandordinarymachinescrewnuttransmission.Becauseeachmovementbetweenclearance,plusvicemanualinaccuraterepeatprecision,solow.Whenmeasuringtheconventionalmachinetoolstostop,andthemeasurementerrorofthemanualmeasuringafterbigger,andlowefficiency.Suitableformassislesser,precisiondemandisnothigh,ajobkindparts.Itislow,butinvestmenttoworkersnumericalcontroltheoperationskillistaller,accordinglywagelevelishigh.

Onthemachineprocessingparts,mainlydependsontheprocessingprocedure,itisdifferent,notwithordinarymachinemanufacture,thereplacementofmanytools,fixtures,neednotchangeoftenmachinetools.Therefore,CNCmachineissuitableforpartsfrequentchangeoccasion.Alsoissuitableforsinglepieceandsmallbatchproductionanddevelopmentofnewproductsandshortentheproductionpreparationperiod,savealotofprocessequipmentcosts.

Atpresentnumericalcontrolmachinetoolinourcountryaretransformationofthemarketdevelopmentspace,nowChina'sgreatnumericalcontrolmachinerateoflessthan3percent.Useordinarymachiningoutofpoorquality,productwidespreadfewvarieties,lowclass,thehighcost,delivery,therebyinlongtheinternationalanddomesticmarkets,lackofcompetitivenessofanenterprisedirectlyaffectproduct,market,benefitsandaffecttheenterprisesurvivalanddevelopment,sowemustmakegreateffortstoimprovetherateofncmachinetools.Basedonthenumericalcontrollathetransformationasexample,thepaperintroducesthemethodofmachinetoolCNCreconstruction,includingitsstructure,performanceandaccuracyretrofitdesignofthechoiceandfinalreformschemedetermination.

Keywords:

machine；numericalcontrol；modification；meaning

3.3.2车螺纹进给传动系统……..………………………………………………………10

3.3.3纵向、横向进给系统……..………………………………………………………10

3.3.4刀架的快速移动…………………………………………………………………..10

4.1.4滚珠丝杆的安装…………………………………………………………………12

4.1.5滚珠丝杠的承载能力的计算…………………………………………………….12

4.1.6减速齿轮的设计…………………………………………………………………14

4.1.7步进电动机的设计………………………………………………………………14

4.2横向进给系统的设计…………………………………………………………………….15

4.2.1切削力的计算……………………………………………………………………..16

4.2.2滚珠丝杠副的设计及选型………………………………………………………..16

4.2.3减速齿轮的设计…………………………………………………………………..18

4.2.4步进电动机的选择………………………………………………………………18

5.1.2螺纹加工过程中编码器的作用………………………………………………….20

5.1.3编码器的选择……………………………………………………………………..21

5.1.4安装步骤…………………………………………………………………………..21

5.2改进刀架………………………………………………………………………………….21

5.2.1改造刀架的目的………………………………………………………………...21

5.2.2刀架的选择……………………………………………………………………….21

5.2.3刀架的工作原理…………………………………………………………………..21

5.2.4安装步骤…………………………………………………………………………..21

5.3改进机床导轨…………………………………………………………………………….22

5.4坐标系的建立X、Z轴的限位和参考返回电路……………………………………….22

5.4.1机床坐标系是机床固有的坐标系……………………………………………….22

5.4.2机床坐标系是机床固有的坐标系………………………………………………..23

5.5配置用键和变频器的安装……………………………………………………………….24

5.5.1配置用键…………………………………………………………………………..24

5.5.2变频器的安装……………………………………………………………………..24

5.6机床的安装、调试、精度检验…………………………………………………………..24

第1章数控化改造的好处

一、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。

二、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。

三、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。

四、有利于企业生产的扩大

在现代机械制造工业中,中小批量甚至单件生产,个性化的产品占有相当大的比重,尤其是我国加入世贸组织后,成为世界性的加工基地,产品出口的增长迅速,从低附加值、劳动密集型产品逐步过度到高附加值的精密型零件的出口，高精度的数控机床起了重要的作用。

数控机床是最能适应这种生产需要的。

五、有利于企业的工业化水平的提高

以数控机床为代表的现代基础机械是制造实现生产现代化的重要设备，数控技术水平的高低和机床的数控化率，数控设备的拥有量已成为衡量一个国家现代工业化水平的重要标志。

六、有利于企业的多方面发展

数控技术用于机床的改造是建立在微电子技术与传统技术相结合的基础上，具有高可靠性、柔性强，易于实现机电一体化、经济性可观等特点。

为此，在旧机床上进行数控化改造可以提高机床的使用性能、降低生产成本、用较少的资金投入而得到较大的经济效益。

第2章数控化改造方案

一、改造的内容

普通车床的数控化改造主要有4个内容：

（1）车床的主轴的正、反向转数控制和实现其不同切削速度的主轴变速。

（2）车床纵横两个方向的走刀量控制。

由计算机控制电动机直接带动传动丝杠来实现。

（3）自动换刀的控制。

是通过计算机控制的电动机来达到转角的目的。

（4）在加工螺纹时，应保证主轴转一转、刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。

二、改造原则

确定具体改造方案的基本原则是：

在满足使用要求的前提下对机床的改动尽可能少，以降低成本、增强抗干扰性。

三、改造方案

采用SINUMERIK802D数控系统，由I/O接口输出步进脉冲，步进电机经减速齿轮减速后带动丝杠转动，利用滚珠丝杠螺母副从而实现纵向、横向的进给运动。

使用四方刀架进行自动换刀。

此外，为了保证车床加工螺纹的功能和防止意外事故的发生，增加光电编码器和电路中设置了保护电路。

四、进给系统改造的要求

具有较高的定位精度、有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要好、稳定性要好，为了确保数控机床进给的传动精度和工作稳定性。

要求进给系统达到无间隙、低惯量、高刚度和高谐频率以及适应的阻尼等。

第3章介绍CA6140普通车床

3.1简单介绍

1．机床的组成

CA6140车床的主要组成部件如图所示。

2．CA6140车床的主要技术参数，如表1

.

表1CA6140车床的主要技术参数

床身上最大工件回转直径

400mm

刀架上最大工件回转直径

210mm

最大工件长度

750、1000、1500mm

主轴中心至床身平面导轨距离

205mm

最大车削长度

650、900、1400mm

主轴孔径

48mm

主轴转速

正转（24级）

10～1400r/min

反转（12级）

14～1580r/min

刀架纵向及横向进给量

各64种

纵向

一般进给量

0.08～1.59mm

小进给量

0.028～0.054mm

加大进给量

1.71～6.33mm

横向

一般进给量

0.04～0.79mm

小进给量

0.014～0.027mm

加大进给量

0.86～3.16mm

刀架纵向快速移动速度

4m/min

车削螺纹范围

米制螺纹（44种）

1～192mm

英制螺纹（20种）

2～24牙/in

模数螺纹（39种）

0.25～48mm

经节螺纹（37种）

1～96牙/in

主电动机

功率

7.5kw

转速

1450r/min

快速电动机

功率

250kw

转速

2800r/min

3.2加工范围及特点

3.2.1加工范围

CA6140车床的工艺范围很广，它能完成车削内外圆柱面、圆锥面、车削端面、各种螺纹、成形回转面和环形槽等多种多样的加工工序。

也可以进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹和滚花等工作。

CA6140车床主运动由工件随主轴旋转来实现，而进给运动由刀架的横向动来完成。

由于机械产品中回转表面的零件很多。

车床的工艺范围又较广泛，因此CA6140车床使用十分广泛。

3.2.2CA6140车床的加工特点

1.加工范围较大。

2.加工时，主运动是工件和旋转运动，进给运动是刀具的纵向和横向移动。

3.正常情况下，在车削加工过程中，切削力比较稳定，加工比较平稳。

4.在车削加工过程中切屑和刀具之间的剧烈挤压和摩擦，以及刀具与工件之间的摩擦，产生了大量的切削热，但大部分热量被切屑带走，所以CA6140在加工过程中一般可以不使用切削液。

5.在一般情况下，这种机床多用于粗加工和半精加工。

3.3传动系统的介绍

CA6140车床的传动系统，由主运动传动系统、车螺纹进给传动系统组成，如图。

3.3.1主运动传动系统

传动路线表达式写传动路线表达式的方法是“抓两头带中间”，即将首件通过中间传动件将末端件联系起来，对于CA6140型卧式车床主运动传动链来说，即从主电动机经Φ130mm带轮带动Φ230mm带轮，从而带动Ⅰ轴，Ⅰ轴上有双摩擦离合器M1，M1向左结合，左边的z51、z56双联齿轮与Ⅰ轴一起转动，通过两对传动副，传动Ⅱ轴实现主轴正转。

M向右结合，由z50与Ⅰ轴一起转动，z50通过Ⅶ轴z34传动Ⅱ轴上的z30实现主轴反转。

M1处于中间，则Ⅰ轴空转，即不传动左边的z51和z56，也不传动右边的z50，Ⅱ轴的运动通过Ⅱ——Ⅲ轴之前的三对传动副，传动Ⅲ轴，Ⅲ轴有两条路线可传动主轴，即通过Ⅵ轴上的M，M向左滑移至z63与z50啮合，使得Ⅲ轴通过，直接传动主轴Ⅵ轴，实现主轴高速转动，即为450～1400r/min;若M向右结合，Ⅲ轴通过，传动Ⅳ轴，Ⅳ轴通过，传动Ⅴ轴，Ⅴ轴通过传动Ⅵ轴（主轴）。

3.3.2车螺纹进给传动系统

CA6140型卧式车床的螺纹进给传动系统可车削米制，模数制，英制和径节制4种标准螺纹，另外还可以加工大导程螺纹，非标准螺纹及较精密螺纹以及右旋，左旋螺纹。

车制螺纹时，刀架通过车螺纹传动链得到运动，两端件——主轴，刀架之间必须保持严格的运动关系，即主轴每转一周，刀具移动一个被加工螺纹的导程L。

3.3.3纵向、横向进给机构

车削内、外圆柱表面时，可使用机动的纵向进给车削端面时，可使用机动的横向进给。

为了减少丝杠的摩孙和便于操作，保证螺纹传动链的精度，机动进给传动链不用丝杠及开合螺母传动。

机动进给是由光杠XIX经溜板箱传动。

从主轴VI至进给箱轴XVII上滑移齿轮Z28处于左位，使脱开，从而切断进给箱与丝杠的联系。

运动由齿轮副及联轴节传至光杠XIX，再由光杠通过溜板箱中的传动机构，分别传至齿轮齿条机构或横向进给丝杠XXVII，使刀架做纵向或横向机动进给。

溜板箱内的双向齿式离合器及分别用于纵、横向机动进给运动的接通、断开及控制进给方向。

CA6140型卧式车床可以通过4种不同的传动路线来实现机动进给运动，从而获得纵向和横向进给量各64种。

以同样传动路线传动时，横向进给量为纵向进给量的一半。

3.3.4刀架的快速移动

在CA6140车床上加工零件时，为了缩短辅助时间，提高生产效率：

刀架可实现机动纵向、横向快速移动。

按下快速移动按钮（点动控制），快速电机（0.25kw，2800rpm）经齿轮副13/29使轴XX高速转动，再经蜗杆副4/29及溜板箱内的转换机构，使刀架实现纵向或横向的快速移动，快速移动的方向由溜板箱内的双向离合器M8及M9控制。

第4章设计进给系统

4.1设计纵向进给系统

纵向进给系统主要分为切削力的计算、滚珠丝杠副的选择、减速齿轮的设计、步进电机的确定等。

操作步骤为：

拆除原CA6140车床的传动机构（进给箱、溜板箱、传动丝杠、光杠、操作丝杠），利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔，安装步进电机减速箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端仍采用原固定方式（一端固定、一端浮动）。

由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，所以纵向进给机构整体刚性优于从前，所以采用一级齿轮减速装置。

4.1.1切削力的计算

车床的主电动机最大切削功率P=PηK

式中P——主电动机功率，CA6140车床P=7.5KW

η——主传动系统效率，一般为0.6～0.7，取η=0.65

K——进给系统功率总效率取K=0.96

∴P=7.5×0.65×0.96=4.68KW

又∵切削力P=FV

式中F——主切削力（N），V——最大切削速度（m/min）。

按用硬质合金刀具半精车刚件的速度V=100m/min

在外圆车削中：

F=（0.15～0.7）F=2808×0.6=1684.8N。

F=（0.1～0.6）F=2808×0.5=1404N

4.1.2滚珠丝杠副的设计及选型

滚珠丝杠副的工作原理及特点:

在数控机床进给系统中一般采用滚珠丝杠副来改善摩擦特性。

滚珠丝杠副是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副，为防止滚珠在工作过程中从螺母两端掉出，在螺母的螺纹滚道上装有挡滚珠器（又叫回珠器或反向器）。

（1）滚珠丝杠副具有如下优点：

①传动效率高滚珠摩擦的摩擦损失小，传动效率η=0.92～0.94，是普通滑动丝杠的34倍（η=0.20～0.40）。

②摩擦力小因静、动摩擦因数小，因而传动灵敏、运动平稳、低速不易爬行、随动精度和定位精度高。

③可预紧经预紧后可消除轴向间隙。

有助于定位精度和刚度提高，既使反向也没有空行程，反向定位精度高，且传动平稳。

④有可逆性因摩擦因数小，所以不仅可将旋转成直线运动，也可将直线运动转换为旋转运动，丝杠可螺母既可作为主动件，也可作为从动件。

⑤使用寿命长滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，去滚道表面淬火硬度达60-60HRC，表面粗糙度值小，而且是滚动摩擦，故磨损很小、使用寿命长。

因为滚珠丝杠副具有这些优点，所以进给系统我选择滚珠丝杠副。

（2）滚珠丝杠副的缺点是：

①制造工艺复杂，成本高滚珠丝杠、螺母、反向器等零件的加工精度和表面粗糙要求高，故制造成本高。

如丝杠螺母上的螺旋槽滚道一般都要求削成形表面，工艺复杂。

②不能实现自锁由于起摩擦因数小而不能自锁，特别是垂直（立式）丝杠，由于自重和惯性或因突然停断电而容易造成主轴箱等下滑，所以需要添加制动装置。

4.1.3滚珠丝杠副的循环方式

常用的循环方式有外循环和内循环两大类，滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环：

始终与丝杠保持接触的称为内循环。

4.1.4滚珠丝杠的安装

为提高传动刚度，选择合理的支承结构并正确安装很重要。

滚珠丝杠主要承受向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重，因此滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。

在安装时，应注意调整丝杠间隙，可用百分表测出具体的间隙所在。

珠丝杠副的选用滚珠丝杠副的选择主要是工件负载必小于滚珠丝杠的额定动负载Cm（N）即必须满足C

4.1.5滚珠丝杠的承载能力的计算

选择纵向进给为综合导轨，计算丝杠的最大轴向进给切削。

又因为Fm=KFf+f’（Fc+w）

式中Ff、Fp、Fc——切削分力（N）

K——颠覆里矩影响取K=1.15

F’——导轨上的摩擦因数取f’=0.16

W——移动部件的重量（N）

代入式中：

Fm=kFf+f’（fc+w）=1.15×1684.8+0.16×（2808+800）=2514.8N

（1）寿命L最大切削里F的进给速度Vs可取最高进给速度的1/2——1/5（取为1/2），纵向最大进给速度为0.6m/min,丝杠导程Lo=6mm，则丝杠转速为：

0.3

丝杠使用寿命时间一般为15000h，则丝杠的计算寿命L为L=300000h

（2）载荷Cm当量动载荷Cm选用滚珠丝杠直径do时，必须保证丝杠工作时，在一定的轴向载荷作用下，丝杠在运转10转后，在它的滚珠上下产生疲劳点浊现象。

这个轴向负载的最大值Cm，即为滚珠丝杠杆副所能承受的最大当量动载荷Cm

∴Cm==14908.11N

根据C

CMD4006-2.5E左，坐标直径为40mm，即外循环，齿差调隙式，一圈2.5列。

滚珠直径为39.69mm，导程为6mm，摩擦级选用5级，螺纹升角r=arctag（L/d）=arctg（6mm/×40）=arctg0.047

（3）传动功率滚轴丝杆副的传动功率为tgr/tg（r+f）=0.94

式中：

r—丝杠的螺纹升角。

滚动丝杆副的滚动摩擦因数f=0.003，摩擦角约等于10′,所以传动功率为10。

（4）稳定性验算

临界压缩载荷，对于受压的细长的滚轴丝杆，应验算其承受最大轴向压缩载荷Fmax时是否会产生纵向弯曲。

式中E——丝杆材料弹性量，对纲E=2.06×10N/m

L——丝杠两支承端距离（m