普通车床的数控化改造毕业论文

摘 要 针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、 不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性， 又不能马上被淘汰。 数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、 批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。 购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企业在 短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造， 不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成 为制造强国的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有： 1对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案； 2对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选 择，步进电机选择等进行了详细研究； 3对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改造的 性能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法； 4根据普通车床 CA6140 电气控制系统和原理图与普通车床数控化改造 CJK6140-A 的数控系统对比分析，形成普通车床数控化改造完整的电气控制技术图； 5.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型，脉冲 发生器直接与主轴间连接方法，并形成了相应的技术图； 6.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对主传动系统的进行大修，滑板贴塑与 铲刮调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量； 7.绘出相应的零件图和装备图； 8给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。 关键词：普通车床、数控、改造 ABSTRACT Most enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production, low automatization and adaptability, but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprises production. As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equipment updating step are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is: 1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle. 2. The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed. 3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming. 4. The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140s electricity control system and principle with the reforming CJK6140-As NC system. 5. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a techniquediagram. 6. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe. 7. Draw out parts diagrams and assemble diagram. 8 .Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward. Key words: General purpose lathe、 Numerical control(NC)、Reform 目目 录录 第一章 前言 -6 1.1 问题的提出 -6 1.1.1 国内外数控系统发展概况 -6 1.1.2 国内外数控技术发展趋势 -7 1.1.3 智能化新一代 PCNC 数控系统 -7 1.2 普通机床数控改造的经济性评价 -8 1.2.1 微观看改造的必要性 -8 1.2.2 宏观看改造的必要性 -9 1.3 普通机床数控化改造市场 -9 1.3.1 改造的市场 -9 1.3.2 进口设备和生产线的数控化改造市场 -10 第二章 CA6140 普通车床数控改造总体方案的设计要求 -10 2.1 设计要求 -10 2.2 主传动系统和进给系统的改造 -11 2.3 主轴脉冲发生器 -12 第三章 进给伺服系统机械部分设计与计算 -14 3.1 进给系统机械结构改造设计 -14 3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 -14 3.2.1 确定系统的脉冲当量 -15 3.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤 -15 3.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 -19 3.3.1 横向进给系统的设计计算 -19 3.3.2 滚珠丝杠设计计算 -20 3.3.3 齿轮及转矩有关计算 -22 3.4 滚珠丝杠螺母副的精度等级 -23 3.5 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧 -23 3.6 进给系统传动齿轮间隙的消除 -25 3.6.1 采用减速箱的目的及注意事项 -25 3.6.2 减少或消除空程的必要性和方法 -25 第四章 CA6140 数控改造步进电机的设计 -26 4.1 步进电机的工作方式 -26 4.2 步进电机的选择 -26 4.2.1 步进电机选用的基本原则 -26 4.2.2 CA6140 纵向进给系统步进电机的确定 -27 4.2.3 CA6140 横向进给系统步进电机的确定 -28 第五章 自动回转刀架的选型 -28 5.1 数控车床刀架的基本要求 -28 5.2 自动回转刀架的工作原理 -29 第六章 CA6140 普通车床数控化改造的数控系统 -29 6.1 数控车床及数控系统概述 -29 6.1.1 机床主机 -30 4.1.2 驱动装置 -30 4.1.3 辅助装置 -30 4.1.4 数控装置系统 -31 4.1.5 编程装置 -31 6.2 微机控制系统硬件电路设计 -31 6.2.1 控制系统的功能要求 -31 6.2.2 硬件电路的组成 -31 6.3 单板控制系统的设计 -32 6.3.1 硬件配置 -32 6.3.2 贮存器空间分配 -32 6.3.3 I/O 口地址分配 -32 6.3.4 光电隔离电路 -33 6.4 8031 单片机简介 -33 6.5 存储器扩展电路设计 -34 6.5.1 程序存储器的扩展 -34 6.5.2 数据存储器的扩展 -34 6.6 译码电路设计 -38 6.7 其他辅助电路设计设计 -38 6.7.1 8031 的时钟电路单片机的时钟的产生方式 -38 6.7.2 复位电路 -40 6.7.3 越界报警电路 -40 6.7.4 掉电保护电路 -41 第七章 安装调整中应注意的问题 -42 7.1 滚珠丝杠螺母副的选择 -42 7.2 滚珠丝杠螺母副的调整 -42 7.3 联轴器的安装 -42 7.4 主轴脉冲发生器的安装 -42 第八章 结束语 -42 致谢 -43 参考文献-44 第一章 前言 1.11.1 问题提出问题提出 数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加 工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、 批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异 的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣, 制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。 购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高，很多工厂在短时 间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时 目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机 床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差， 但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、 配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有 设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投 资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我 国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。 1.1.1 国内外数控系统发展概况 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算 机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行 柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国 家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造 系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动 控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现 柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本 性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发 展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合 了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高 精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断 和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联 网，实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智能的 机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实 际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机 构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、 进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下 根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正 CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传 统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了 CNC 向多变量智能 化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。 1.1.2 数控技术发展趋势 1 性能发展方向 (1) 高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 CPU 芯片、 RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统， 同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提 高。 (2) 柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大， 可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不 同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群 控系统的效能。 (3) 工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方 向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、 旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西 门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 (4) 实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保 任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。 科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响 应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发 展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研 究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家 控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专 家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的 综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、 速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控 制的目的。 1.1.3 智能化新一代 PCNC 数控系统 当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一 代 PCNC 数控系统已成为可能。 智能化新一代 PCNC 数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺 服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一 体，形成严密的制造过程闭环控制体系。 1.2 普通机床数控化改造经济性评价 根据对市场的调研，目前新的经济数控车床，8.5 万/台，普通新车床 CA6140， 售价 3.8 万/台，使用寿命 8-10 年，而已使用了 6-8 年的旧车床 CA6140，估价 0.5 万/台，通过改造还可使用 4-6 年。普通车床 CA6140 每台数控化改造所需价格大约 3 万，数控加工的生产率可提高 20-30%。因此需要对普通车床的数控化改造进行经 济性评价。 设备现代化改造是指应用现代技术成就和先进经验，适应生产的需要，改变 现有设备的结构（包括更换新部件、新装置、新附件等） ，改善现有设备的技术性能， 使之全部或局部达到新设备的性能。 1.2.1 微观看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来 自数控系统所包含的计算机的威力。 (1) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运 动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 (2) 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后 按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就 可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现 了“柔性自动化“。 (3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配“。 (4 ) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 (5) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间 无人看管加工。 由以上五条派生的优点：(1)降低了工人的劳动强度；(2)节省了劳动力（一个 人可以看管多台机床） ；(3)减少了工装；缩短了新产品试制周期和生产周期；(4)可 对市场需求作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控 化还是推行 FMC（柔性制造单元） 、FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算机集成制 造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和 基础技术。 1.2.2 宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、80 年代初已开始 大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业） 进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS 外，还包括在产品开发 中推行 CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS（管理信息系统） 、 CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于 采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化） ，最终使得他们 的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产 业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率） 到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已达 20.8，因此每年都有大量机电产品 进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 1.3 普通机床数控化改造市场 1.3.1 改造的市场 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国 机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年 产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20，FMC/FMS 等自动化 生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上） 。可见我们的大多 数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备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。所以必须大力提高机床的数控化率。 1.3.2 进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。 据不完全统计，从 19791988 年 10 年间，全国引进技术改造项目就有 18446 项， 大约 165.8 亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。 但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业 的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有 的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设 备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发 挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好， 但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有 的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富， 反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就 是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最 大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 第二章 CA6140 普通车床数控改造总体方案的设计要求 2.1 总体方案 总体方案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，MCS51 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 MCS51 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，还包括扩展程序存储 器，扩展数据存储器、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信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路， 此外，系统中还应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 除齿侧间隙的机构。 （8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 （9） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本缩短改 造周期。 （10）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、 调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。 总体方案设计图如 2.1 图所示 2.2 设计要求 将 CA6140 普通车床改造成经济型数控车床。要求该车床具有切削螺纹的功能， 纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm，横向：0.005mm。 设计参数如下： 最大加工直径： 在床面上400mm 在床鞍上210mm 最大加工长度：1000mm 快进速度 纵向2.4m/min 横行1.2m/min 最大切削进给速度 纵向0.5m/min 横行0.25m/min 代码制ISO 脉冲分配方式逐点比较法 输入方式增量值、绝对值通用 控制坐标数2 最小指令值 纵向0.01mm/pulse 横行0.005mm/pulse 刀具补偿量099.99mm 进给传动链间隙补偿量 纵向0.15mm 横行0.075mm 自动升降速性能有 2.3 主传动系统和进给系统的改造 CA6140 型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后的车 床则把主传动系统和进给系统的运动分离开。分别由各自的步进电机来控制，但是 为保证车床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系，所以在拆掉进给系统的 同时，必须在主轴上安装一个脉冲发生器，来实现主轴传动和进给运动之间的联系。 同时，为了提高机床的精度和效率，用滚珠丝杠来代替原机床的光杠，并且采用单 独的步进电机来控制。这样不仅提高了机床的性能和精度，还提高了机床的使用性 能。 1. 机械部分的改造 首先拆去进给箱、溜板箱；还要对车床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向小拖 板、 横向拖板，将丝杠换成滚珠丝杠，并且由一端驱动的步进电机来控制。 2. 刀架的改造 CA6140 普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。所以，必 须要换成数控自动刀架。 2.4 主轴脉冲发生器 为保持切削螺纹的功能，必须在主轴上安装脉冲发生器，采用脉冲发生器直接 与主轴由无间隙传动联轴器连接，达到传动系统结构简化，传动链短，传动刚度提 高。主轴与脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步 信号，经隔离电路以及 I/O 接口送给数控装置（CNC） ，脉冲发生器及光栅编码器安 装位置如图 光栅编码器安装位置 主轴脉冲发生器的结构及原理: 脉冲发生器的组成部分包括白炽灯、聚光镜、光栅盘、光阑板、光敏管及其光 电整形放大电路组成。光栅盘和光阑板都是玻璃材料制成，玻璃表面经过研磨抛光 后用镀膜法镀上一层不透光的铬层，透光条及用照相腐蚀法制成。在光栅盘上刻有 明暗条纹，有单条和 1024 个条两组。当平行光束经过光栅盘时，在光栅盘的另一面 就产生明暗光带，这光带通过一个光阑狭缝，照在对应的光敏管上，从而产生光电 脉冲信号，经斯密特电路整形后输出。单条纹的一组产生同步脉冲，每转发一个脉 冲；1024 条纹的一组通过光栏上两个相位差 /4 间距的狭缝，产生两组每转 1024 个脉冲组相差为 /4 的脉冲序列，供给微机处理，借以判断主轴正、反转，且可以 从 1024 个脉冲中均匀地取出 F 个脉冲，作为中断信号控制插补速度，实现 F 进给控 制的目的。 脉冲发生器的结构原理图 第三章 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 进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架 等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案： 挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。 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床尾 座端原来装轴承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作 按钮。 横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母 副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。 刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。 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。 计算简图如下图所示： 图 2.1 纵向进给 图 2.2 进给系统计算简图 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，要求纵向脉冲当量为 0.01mm/step。横向脉冲当量为 p f =0.005mm/step。 p f 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）滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副的 结构原理示意图如图所示，它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变 为旋转运动。因此，滚珠丝杠副既是传动元件，也是直线运动与旋转运动相互转换 的元件。 滚珠丝杠螺母副的结构原理图 组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器） 、螺母座等组成。 工作原理：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺 旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循 环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。 特点：传动效率高：机械效率可高达 92%98%。 摩擦力小：主要是用滚珠 的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 轴向间隙可消除：也是由于滚珠的作用， 提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 使用寿命长、制造成本高：主要采用 优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。 1）最大工作荷载计算 滚珠丝杠的工作载荷（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承 m F 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 2-1 计算 工作载荷的大小。 （3-1） () mv FKFLfFG 车削抗力分析 车削外圆时的切削抗力有，主切削力与主切削速度方向一致 x F y F z F z F 垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力与纵向进给垂直， y F 影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力与进给方向平行且相反指向，设计或 x F 校核进给系统是要用它。 切削时总切削力的分解 纵切外圆时，车床的主切削力可以用下式计算： z F （3-2） zzz zz xFyFnF zFpF FC afVK =5360(N) 由金属切削原理知： =1:0.25:0.4 （3-3） : zxy FFF 得 =1340(N) x F =2144(N) y F 因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上， 车削作业时作用在进给托板的载荷和与车刀所受到的车削抗力有对应关系。 1 F v F c F 因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出： 托板上的进给方向载荷 = =1340(N) 1 F x F 托板上的垂直方向载荷 = =5360(N) v F z F 托板上的横向载荷 = =2144(N) c F y F 因此，最大工作载荷 () mv FKFLfFG =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N) 对于三角形导轨 K=1.15, =0.030.05,选=0.04(因为是贴塑导轨)，G 是 f f 纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为 75kg,刀架重量为 15kg. 最大动载荷 C 的计算 滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca 选用，可用式 3-4 计算： （3-4） 3 mm CL f F L 为工作寿命，单位为 10r，L=60nt10;n 为丝杠转速（rmin）,n=1000vL0;v 为 最大切削力条件下的进给速度（mmin）,可取最高进给速度的 1/21/3;L0 为 丝杠的基本导程，查资料得 L0=12mm; 为运转状态系数，因为此时有冲击振动， m f 所以取=1.5. m f V 纵向=1.59mm/r1400r/min=2226mm/min n 纵向=v 纵向1/2/L0=22261/2/12=92.75r/min L=60nt/106=6092.7515000/106=83.5 则 =1.51790.68=11740（N） 3 mm CL f F 3 83.5 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大载荷 C;因此 有 CaC=11740N 另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其 另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷是 oa C 否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷 Fm,一般使=23. oa m C F 初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑 到简易经济改装，所以采用外循环。 因此初选滚珠丝杠的型号为型 CD638-3.5-E 型，主要参数为 =4.763mm, =8mm, =63mm, =2o19 ，圈数列数 3.51 w D 0 L m d 纵向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 92% （3-5） tantan2 19 tan() tan(2 1910 ) o o 2）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平 稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变 形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触 变形。 1 丝杠的拉压变形量 1 （3-6） 1 m F l EA =1790.682280/20.610(31.5)2 =0.0064mm 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 采用有预紧的方式， 因此用公式 =0.0013 （3-7） 2 2 3 m wyj F D F Z =0.0028mm 在这里 =1/3=1/31790.68=597N yj F m F 3.1463/4.763=41.53 m w d Z D 41.533.51=145.36 Z 丝杠的总变形量= + =0.0064+0.0028=0.0092mm3V 时，存储器就能可靠的保持信息。 2 D B V 第七章 安装调整中应注意的问题 7.1 滚珠丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂。都是由专业工厂按系 列化进行生产。因此在进行设备改造时，要按厂家生产标准进行选择。选择合适以 后再决定被改造设备的 其他相关部分的结构和尺寸。 7.2 滚珠丝杠螺母副的调整 利用螺母的 间隙调整装置调整丝杠副间隙时，应使调整后产生的 预紧力为丝 杠副最大负载的 1 / 3 为宜。在 实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝 杠内部仍不产生间隙或者间隙量小于 0.01mm，而且运转灵活，并以此作为螺母间隙 调整装置预紧的判断标准。 7.3 联轴器的安装 传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是因为同 一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时，往往会引起轴线的直线度误差增大， 从而使安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副 的传动性能。 7.4 主轴脉冲发生器的安装 主轴脉冲发生器的的引出轴按比例 1：1 无间隙柔性连接传动，连接后应保 证两者都有很好的同步性，安装中要注意主轴脉冲发生器是玻璃件，不能随意敲打 碰撞，使用中车床主轴转速不能超过脉冲发生器的最高许用转速。 第八章 结束语 随着微电子技术的发展，我国的机床数控化在近十年来有了很大的发展，而普 通机床的数控化改造后在满足完成同样的加工任务的前提下，可大大降低技术改造 的投资经费，在实际中得到广泛应用。基于对 CA6140 普通车床进行经济型数控改造 设计过程中，我认为普通机床的数控改造具有很多的优点、必要性及其良好的发展 趋势。 全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国的一般中小企业购置困难， 但是中小型企业为了发展生产，希望对原有机床进行改造，进行数控化、自动化、 以提高生产效率。经济型数控机床系统就是结合现实的生产实际，我国的国情，在 满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。目前我国经济型数控系统发展迅速， 研制了几十种简易 NC 系统，有力地促进了我国数控事业的发展。 改造后的车床，可手动、机动操作，操作简单，使用方便，价格低廉，其性能 价格比适中；而且还能解决复杂零件的加工精度控制问题，节约大量工装费用，减 轻工人的劳动强度，提高工人素质。 企业应用经济型数控对设备进行改造后，增强了企业应变能力，为提高企业竞 争能力创造了条件，提高了加工精度和批量生产的能力，提高了设备自身对产品更 新换代所需要的应变能力，增强了企业的竞争能力。 致谢 本此毕业设计从选题、任务书的制定，到开题报告的完成及后来的总体方 案确定，都得到了老师的细心指导，三个多月的时间，在老师的不断督促和帮 助下，终于基本完成，在此，向老师以及在这个过程中帮助过我的同学和老师 们表示衷心的感谢。短短三个多月时间的毕业设计，一方面巩固了前面学过的 基本专业知识，另一方面也学到了一些以前并没有涉及到或者认识不深的知识， 对我以后的工作和学习有很大的启示作用。同时，也感谢学校能给我这样一个 学习的机会。 最后，再次感谢老师的悉心指导和帮助。 参考文献: 1 林宋主编.现代数控机床.北京：化学工业出版社，2003. 2 方键主编.机械结构设计.北京：化学工业出版社，2006. 3 戴曙主编.金属切削机床.北京：机械工业出版社，1993. 4 濮良贵主编.机械设计.北京：高等教育出版社，2001. 5 白恩远.现代数控机床伺服及检测技术.北京：国防工业出版社，2002. 6 李洪.实用机床设计手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，1999. 7 董玉红.数控技术.北京：高等教育出版社，2004. 8 张俊生.金属切削机床与数控机床.北京：机械工业出版社，2000. 9 木兰.数控原理与系统.北京：机械工业出版社，2004. 10 王爱玲.现代数控原理及控制系统.北京：国防工业出版社，2005. 11 熊光华.数控机床.北京：机械工业出版社，2003. 12唐仲文,等.机电一体化技术应用实例.北京:机械工业出版社，1994，5-10. 13廖兆荣.数控机床电气控制.北京:高等教育出版社，2005，88-91. 14金捷,万胜前.普通机床数控化改造设计J.机械研究与应用 2005，4：25-26. 15罗永顺，曾伟民.普通机床数控化改造设计中关键问题的研究J.机床与液压 2005，6：40-43. 16罗隆满.普通机床数控化改造的刚度要求J.制造技术与机床 2003，11：35-40. 17华茂发,唐健.数控机床加工工艺北京：机械工业出版社，2000,89-120.