数控机床改造毕业设计.docx

湖南铁道职业技术学院
HUNAN RAILWAY PROFESSIONAL TECHNOLOGY COLLEGE
毕业设计

题 目: CA6140普通车床的数控化改造
系 别: 机电工程系
学生姓名: 郭 柳
专业班级: 数控维修091班
指导老师: 孙贵清老师
完成时间： 2011年12月

湖南铁道职业技术学院
毕业设计评阅书

1. 指导教师评语：

签名:

年 月 日

2 . 答辩委员会综合评语:

经毕业设计(论文)答辩委员会综合评定成绩为:

答辩委员会主任(签字):

毕业设计评分标准
考核
项目
及总
分

具 体 内 容

分
值
评分标准

得
分
差
及
中
良
优
设计
过程
20
查阅资料及手册能力
5
0~2
3
3.5
4.5
5

工作态度及纪律情况
5
0~2
3
3.5
4.5
5

独立工作能力
5
0~2
3
3.5
4.5
5

基本概念、基本理论及专业知识掌握情况
5
0~2
3
3.5
4.5
5

设计
结果
40
规定任务的完成情况
10
0~5
7
8
9
10

说明书质量
10
0~5
7
8
9
10

图纸及技术文档的质量
15
0~8
10
12
13
15

设计有无独到和创新之处
5
0~2
3
3.5
4.5
5

答辩
情况
40
对设计的阐述（自述）
15
0~8
10
12
13
15

基本理论和方法问题
15
0~8
10
12
13
15

有关设计问题
10
0~2
7
8
9
10

班
级
数控维修091
学
号
2009020501111
姓
名
郭 柳
总
分

指 导 老 师签 名

考 核 小 组 专 家 签 名

毕业设计任务书
机电工程系
一、设计课题名称：CA6140车床的数控化改造
二、指导教师：孙贵清
三、设计要求：
采用数控装置和伺服装置，对CA6140车床进行数控化改造。要求能进行车削数控加工，达到或超过原车削加工性能。数控装置、伺服装置选择合理，控制系统设计简单可靠，保护措施完备。
四、设计依据：
CA6140车床控制要求、电气原理图及相关参数；数控装置型号规格参数；伺服装置型号规格参数；常用低压控制电器型号规格参数。
五、参考资料：
熊光华主编·数控机床·北京：机械工业出版社；2002
廖兆荣主编·机床电气自动控制·北京：化学工业出版社；2003
王爱玲主编·现代数控机床结构与设计·北京：兵器工业出版社；1999
余良英编著·机床数控改造设计与实例·北京：机械工业出版社；1998
白恩远主编·现代数控机床伺服及检测技术·北京：国防工业出版社；2002
袁任光编著·交流变频调速器选用手册·广州：广东科技出版社，2002
曾毅等编著·变频调速控制系统的设计与维护·济南：山东科学技术出版社，2002
编写组编·机床设计手册第5卷上、下册·北京：机械工业出版社，1979
李荣生主编·电气传动控制系统设计指导·北京：机械工业出版社，2004
姜德希编·机床电气线路图册·北京：中国农业出版社，
编写组编著·工厂常用电气设备手册上、下册·北京：中国电力出版社，1997
六、设计内容进度及工作量
(一)设计内容和进度要求

序号
进度要求
设计内容
1
1周
了解车床传动、控制、加工性能，分析国内外数控车床的结构、控制和加工要求。
经过分析、比较、计算，确定改造总体方案。
2
0．5周
对进给、主轴传动系统进行分析计算，选择拖动电动机并确定传动系统改造方案。
1周
完成进给、主轴传动系统改造图。
3
0．5周
选择伺服装置
0．5周
完成伺服系统控制设计，并完成伺服系统控制原理图。
4
0．5周
选择数控装置。
5
1周
完成电气原理图草图和电气安装接线图草图。
0．5周
完成电气原理图和电气安装接线图。
6
0．5周
伺服系统调试设计。
0．5周
数控装置调试设计。
0．5周
机床安装及调试设计。
7
2周
编写设计说明书。
8
1周
毕业设计答辩准备及答辩。
(二)工作量
设计说明书：数控化改造总体方案设计；机械部分改造设计；伺服装置选型；伺服系统控制设计；数控装置选型；电气控制系统设计；机床安装与调试设计。
图纸：机械改造图；伺服系统控制原理图；电气安装接线图；电气原理图；元器件清单；
七、说明书的格式和装订要求
（一）毕业设计封面（全系统一格式）
（二）毕业设计评阅书（全系统一格式）
（三）评分标准（全系统一格式）
（四）毕业设计任务书（指导教师下发）
（五）毕业设计明细表（全系统一格式）
（六）目录
（七）毕业设计正文
（八）设计图纸
（九）毕业设计总结
（十）参考资料
注:说明书用A4开纸打印或书写，毕业设计正文字数不少于1.5万（含空格）
八、毕业设计课题审批表
审批具体意见
审查部门负责人意见

专业负责人

时 间 年 月 日

学术负责人

时 间 年 月 日

目 录
第1章 前言 1
1.1 问题提出 1
1.2 普通车床数控化改造的好处 1
1.3 机床数控化改造的意义 2
第2章 改造总体方案 3
2.1 CA6140车床介绍 3
2.1.1 CA6140车床组成图 3
2.1.2 CA6140改造参数 4
2.2 数控化改造要求和内容 4
第3章 机械部分改造 7
3.1 主传动系统 7
3.1.1主传动系统的介绍 7
3.1.2 主轴脉冲发生器 7
3.2 进给传动系统 7
3.2.1 纵向进给的改造与计算 7
3.2.2 横向进给的改造与计算 11
3.2.3 导轨 15
第4章 辅助装置 16
4.1 刀架的改造与安装 16
第5章 数控部分 19
5.1 数控系统的选择 19
5.2 数控系统的介绍 19
5.2.1 操作面板 19
5.2.2 软件操作界面 21
5.2.3 系统参数 21
5.3 伺服驱动 22
5.4 伺服电机 24
第6章 机床的安装与调试 25
6.1 数控系统的调试 25
6.1.1 参数设置 25
6.1.2 外部状态检查 28
6.1.3 伺服电机安装调试 30
6.1.4 接通伺服电源 31
6.1.5 连接机床调试 31
6.1.6 参数的设置与系统的调试 34
6.1.7 其他参数设置及传动链注意事项 34
6.2 电气PLC的调试 34
6.3 安装调试的注意事项 35
元器件清单 36
毕业设计图纸 38
致谢 42
参考文献 43

第1章 前言
1.1 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。
所以，针对普通车床6140存在以下几个问题：
1）车床整体太破旧，机床磨损严重，加工精度达不到要求。
2)车床电气元件老化，连接线不稳固。
3)普通车床加工存在局限性，不能实现现代多种零件的加工。
4)随着机床的发展，机床也变成了数控化、人性化、效益化。而，普通车床实现一人操作多台机床，不能自动化控制。
故，据上述问题普通车床即将面临淘汰，因此，普通车床的改造势在必行。
1.2 普通车床数控化改造的好处
（1）有利于普通车床的再次利用
经改造后的车床能够再次利用，能够达到生产要求，实现数控化、人性化、效益化。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
1.3 机床数控化改造的意义
(1)节省资金。机床数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购置新机床60%的费用，并可以利用现有地基。
(2)性能稳定可靠。因为机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。
(3)提高生产效率。机床数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。并且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。

第2章 改造总体方案
2.1 CA6140车床介绍
2.1.1 CA6140车床组成图
1、CA6140车床的基本组成如图2-1所示：
图2-1 CA6140车床外形图
1-主轴箱 2-刀架 3-尾座 4-床身 5-右床腿 6-溜板箱 7-左床腿 8-进给箱

2、车床的参数
普通CA6140车床的主要参数如表2-1所示：
表2-1
床身上最大工件回转直径（mm）
400
刀架上最大工件回转直径（mm）
220
最大工件长度（mm）
750/1000/1500
主轴内孔（通孔）直径（mm）
52
主轴孔前端锥度
莫氏6号
刀架纵向的快速移动速度（mm）
≥4.5m/min
刀架横向的快速移动速度（mm）
≥1.9m/min
床身导轨长度（mm）
340
主轴转速的范围（r/min）
9～1600
电动机功率（kw）
7.5

2.1.2 CA6140改造参数
CA6140数控化改造后应达到的参数如表2-2
最大加工直径：
在床面上400mm
在横刀架以上210mm
最大加工长度：
1000mm

快进速度：
纵向2.4m/min
横向1.2m/min
最大切削进给速度：
纵向0.5m/min
横向0.25m/min
溜板及刀架重力：
纵向800N
横向600N
主电机功率：
7.5KW

控制坐标数：
2

最小指令值（脉冲当量）
纵向0.01mm/脉冲
横向0.005mm/脉冲
进给传动链间隙补偿量
纵向0.15mm
横向0.075mm

2.2 数控化改造要求和内容
1、改造要求
车床6140主要用于对中小型轴类、盘类及螺纹零件的加工，加工这些零件工艺上要求机床应该满足以下要求：
(1)能够控制主轴正反转，实现不同切削速度的主轴变速；
(2)刀架能够实现纵向和横向的进给运动，并具有在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具的功能；
(3)加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个加工螺纹的螺距或导程。
所以，根据以上要求，普通车床CA6140数控化改造后数控系统需要完成的任务。
2、改造内容
普通车床改造的目的是利用数控系统控制车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产效率。因此，在考虑机床的数控化改造具体方案时，所遵循的原则是在满足需要的前提下，对原有车床尽可能减少改动，以降低改成本。根据CA6140车床有关数据改造内容如下：
(1)机械部分
精度恢复和机械传动部分的改进。随着机床使用的役龄的增加，机床的机械传动部件，如导轨、丝杠、轴承等都有不用程度的磨损。因此，机床改造过程中的首要任务是对旧机床进行类似于通常的机床大修，以恢复机床精度，达到新机床的制造标准。
为实现机床所要求的分辨率，采用伺服电机齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。
1)主传动系统
保留原有的主传动系统和变速机构，由于添加了自动加工螺纹功能，因此，在主传动轴上安装一个脉冲发生器，这样既保留了机床原有的功能，又降低了改造工作量。如果要自动改变切削速度，可采用交流变频调速，这样改造成本较高，本次改造主传动系统不做任何改动。
2）进给传动系统
为保证进给伺服系统的传动精度、运转平稳性和机床加工精度,取消原机床的滑动丝杆螺母副,选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杆螺母副,并应用预紧机构,以提高传动刚度和消除间隙。
3）导轨
当机床加工精度要求不是很高,尤其是对于开环控制系统,一般不作导轨改造调整改造,可大为降低改造成本。
(2)辅助装置
辅助装置指的是数控机床的一些必须的配套部件。如冷却系统、排屑装置（采用原有的冷却和排屑装置）、自动换刀装置、传动机构等。
1）对刀架部分的改造，通过将原机床的手动转位刀架替换成自动转位刀架来实现换刀切削,自动转位刀架最常见的形式是螺旋型四工位刀架,由数控系统直接控制,效率高,工艺性能可靠。
2）对传动机构的改造，拆除原机床的机械传动机构,用伺服电机经齿轮机构减速驱动滚珠丝杆,带动刀架纵向或横向运动。在伺服电机转矩足够大,构件许可时,可以不用减速驱动机构,由伺服电机直接与丝杆副相连。
(3)电气部分
在这里我使用电控柜装置，在进行机床数控化改造时，原机床的电器控制部分一般只能报废，重新按数控化改造要求进行设计制作。数控机床的强电控制部分设计中要特别注意的是，数控系统各接口信号的特点和形式要相配，并且在设计过程中应尽量简化强电控制线路。实物图如下所示：

图2-1电柜箱（1）

图2-2电柜箱（2）
(4)数控部分
1)数控系统
数控系统是机床数控化改造的核心。数控改造的目的是要求机床稳定可靠,运转故障率低。在这里我采用HNC-21T数控装置
2) 伺服驱动
伺服驱动系统用于控制X和Y轴的伺服电机的转速，从而控制进给两，达到高精度的加工零件，这里我们采用和华中数控系统匹配的驱动器HSV-160B和GK6系列交流永磁伺服电机。
(5)整体调试
整机联接调试。旧机床上述各个部件的改造过程完成后，就可对组装后改造机床各个部件进行调试。一般先对电气控制部分进行调试，看单个动作是否正常，然后再进行联机调试阶段。

第3章 机械部分改造
3.1 主传动系统
3.1.1主传动系统的介绍
主轴电机采用车床原有的三相异步电动机。在主传动轴上安装一个脉冲发生器，这样既保留了机床原有的功能，又降低了改造工作量，本次改造主轴电动机不做任何改动。为了保证车螺纹时严格的运动关系，在主轴箱上安装脉冲发生器，通过主轴——脉冲发生器——数控系统——伺服电机的信息转换系统，实现主轴转一圈，刀架纵向进给一个螺纹导程的车螺纹运动。
3.1.2 主轴脉冲发生器
为了加工螺纹或丝杠，需要配置主轴及脉冲发生器作为车床位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信号，输送给数控系统。数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理,从而控制机床纵向横向伺服电机运转,实现加工螺纹的目的。根据实际需要，在这里我选用海德ISC5815-0021增量编码器。ISC5815-0021增量编码器技术参数如表3-1所示：
表3-1 ISC5815-0021增量编码器技术参数
输出波形
方波
电源电压
DC+5或512V/+1224V
消耗电流
≤150mA
工作湿度
3085 无结霜
响应频率
0～120KHZ
电源电压
980、6ms
载空比
0.5T±0.1T
冲击力
50、10
最大转速
6000rmp
抗震力
MTBF3000h
起动力矩

输出电压
高电平Vh、低电平Vh
轴最大负载

质量
0.8Kg
防护
防水、油、尘
工作温度

3.2 进给传动系统
3.2.1 纵向进给的改造与计算
1、纵向进给的改造
纵向进给滚珠丝杠必须采用三点式支承形式。伺服电机的布置，可放在丝杠的任一端。由于拆除了进给箱，可在原安装进给箱处布置伺服电机的减速齿轮，也可在滚珠丝杠的左端设计一个专用轴承支承座，而在素刚托架处布置伺服电机，机床改造常采用后一种布置方案。在丝杠左端设计一个专用轴承座，采用一个轴套式滑动轴承作为径向支承，在滑动轴承的两侧分别布置一对推力球轴承承受两个方向的轴向力，支承短轴与滚珠丝杠通过联轴套连接起来，滚球丝杠可托架上，滚珠丝杠的中间支承为滚珠螺母与床鞍直接连接。如图5-1所示。

图3-2 纵向进给传动示意图
1、4—推力球轴承 2、10—径向滑动轴承 3—左端轴承座 5—左接拉杆 6、9—联轴套 7—滚珠丝杠螺母副 8—螺母座 11—丝杠托架 12—伺服电机
（1）滚珠丝杠
纵向进给滚珠丝杠的相关参数如下表3-2：
表3-2 纵向进给滚珠丝杠的相关参数
名称
符号
公式

公称直径

38
导程

6
接触角

3°7’
钢球直径(㎜)

3.969
滚道法面半径

2.064
偏心距

0.056
螺纹升角

3°7’
螺杆外径

40
螺杆内径

36.125
螺杆纹接触直径

37.258
螺母螺纹直径

45.365
螺母内径

42.125
2、纵向进给的计算
纵向进给滚珠丝杠必须采用三点式支承形式。伺服电机的布置，可放在丝杠的任一端。在左端设计一个专用轴承支承座，而在丝杠托架处布置伺服电机和减速齿轮。如上图3-2
（1）已知条件：工作台重量W=2300N，加速时间常数t=25s，滚珠丝杠基本导程L0=6mm,快速进给速度v=98m/min.由《机床设计手册》可知,切削功率
PC=PηK （公式3-1）
式中 P——电动机功率，查机床说明书，P=4kw；
η——主传动系统总效率，一般为0.75～0.85,η=0.8;
k——进给系统功率系数，取k=0.96.
则 PC ===3.072kw
切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转矩)和最大切削转速(或转速)来计算,即
PC=或PC=
式中 ——主切削力（N）
——切削速度()
T——切削转矩(N·m)
N——主轴转速()
设按最大切削速度来计算,取 =,则主切削力
FZ===1880.8N
由《机械设计手册》可知，在外圆车削时
FX=（0.1～0.55）FZ
取 FX =0.5×FZ=0.5×1880.8N=940.4N
（2）滚珠丝杠设计计算
滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副有设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。
计算作用在丝杠上的最大动负荷首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷。
（公式3-2）
式中 FP——工作负载（N），指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杠上的轴向力；
——运转系数，一般运转系数取1.2～1.5,有冲击的运转取1.5～2.5;
——硬度系数，为60HRC时，为1；为<60HRC时，>１；
G——寿命（以转为单位１，如1.5则为150万转）。

寿命G可按下式计算：

式中 n——滚珠丝的转速（r/min）
T——使用寿命时间（h），数控机床T取15000h。
工作负载的数值可用《机床设计手册》中进给牵引力的实验公式计算，对于三角或综合导轨
（公式3-4）
式中 FX、FZ——切削分力；
W——移动部件的重力（800N）;
K——考虑颠覆力的矩影响的系数，k=1.5;
——导轨上的摩擦因数，=0.15 ～0.18,取＝0.16。
则 FP＝[+0.16(1880.8+2300)]N=1750.5 N
当机床以线速度V=98m/min,进给量f=0.3mm/r,车削直径D=80mm的我外圆时，丝杠的转速
mm/min=19.5/min
则 G=万转=17.55万转
根据工作负载、寿命G，取=12, =1，计算出滚珠丝杠副承受的最大动负荷
==5461.5N
由查滚珠丝杠地产品或《机床设计手册》，选择丝杠的型号。例如参照某厂滚珠丝杠的产品样本，选择滚珠丝杠的直径为38mm，型号为其额定动载荷是20500N，强度足够用。
(3) 效率计算
根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率为
（公式3-5）
式中 ——螺纹的螺旋升角，该丝杠为
Φ——摩擦角，Φ约等于10′
则 =0.953
（4）刚度验算
滚珠丝杠工作时受轴向力和扭转的作用，将引起基本导程的变化，因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量为

（公式3-6）
式中 E——弹性模量，对于钢，E=20.6
S——滚珠丝杠截面积（按丝杠螺纹底径确定d，若d=2.77cm），
则 S==6.023
其中，“+”用于拉伸，“-”用于压缩时
则 = =cm
丝杠1m长度上导程变形误差为
==14
因3级精度丝杠允许的螺距误差为15，故此丝杠的精度足够。
3、纵向滚珠丝杠的安装：
（1）拆下普通滑动丝杠与溜板箱，取消丝杠与主轴箱齿轮的传动联系，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置，两端采用原固定方式这样可减小改装现场，并且由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性优于以前。
（2）拆下丝杠右端的支撑座，在坐标镗床上将其孔径镗至40mm，便与伺服电动机的支撑轴相配合；
（3）车削两个轴套（分别为一长一短），长套用于连接丝杠左端和左支撑座，短套用于连接丝杠右端与伺服电机转轴；
（4）对安装螺母的配件进行刨、磨、钻、铰和攻丝等加工，使其符合安装条件；
（5）总装后，进行局部调整（如滚珠丝杠与道轨的平行度、螺母间隙和螺母上下前后位置等），力求使滚珠丝杠受力均匀，传动平稳，无传动间隙。
3.2.2 横向进给的改造与计算
1、横向进给的改造
横向滚珠丝杠也采用三点式支承形式。伺服电机一般采都安在床鞍的后部,靠近操作都一端 ，布置一根支承短轴通过一个联轴套与滚珠丝杆连接起来。利用车床原横向进给丝杆可滑动轴承作为径向支承，并对原支承处进行适当改装布置一对推力球轴承，以实现轴向支承,在远离操作者的一端，用一个联轴套和一根连接短轴把滚珠丝杠与减速箱输出轴连接起来，滚球螺母直接固定在中滑板上。车床横向传动的支承结构如5-2 所示。

图3-3 横向进给传动示意图
1-伺服电机 2-支承架 3、4、7-联轴套 5-滚珠丝杠螺母副 6-螺母座 8-支承短轴
（1）滚珠丝杠
横向进给滚珠丝杠的相关参数如下表3-3：
表3-3 横向进给滚珠丝杠的相关参数
名称
符号
公式

公称直径

25
导程

4
接触角

4°33’
钢球直径(㎜)

3.175
滚道法面半径

1.651
偏心距

0.045
螺纹升角

4°33’
螺杆外径

24.4
螺杆内径

21.78
螺杆纹接触直径

21.835
螺母螺纹直径

28.212
螺母内径

25.635
2、横向进给的计算
（1）假设已知条件：工作台重量W=2300N，时间常数t=25ms，滚珠丝杠基本导程L0=4mm(左旋)，快速进给速度=98m/min。《机床设计手册》可知,切削功率
PC=PηK （公式3-7）
式中 P——电动机功率，查机床说明书，P=4kw；
η——主传动系统总效率，一般为0.75～0.85,η=0.8;
k——进给系统功率系数，取k=0.96.
则 PC =PηK =40.80.96kw=3.072kw
切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转矩)和最大切削转速(或转速)来计算,即
PC=或PC=
式中 FZ——主切削力（N）
ν——切削速度()
T——切削转矩(N·m)
n——主轴转速()
设按最大切削速度来计算,取,则主切削力
FZ==N=1880.8N
由《机械设计手册》可知，在外圆车削时
FX=0.5×FZ ,
取 FX=0.5×1880.8N=940.4N
（2)滚珠丝杠设计计算
滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副有设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。
计算作用在丝杠上的最大动负荷:首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷。

（公式3-8）
式中 FP——工作负载（N），指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杠上的轴向力；
——运转系数，一般运转系数取1.2～１.5,有冲击的运转取１.5～2.5;
——硬度系数，为60HRC时， 为1；为<60HRC时，>１；
G——寿命（以　转为单位１，如1.5则为150万转）。

寿命G可按下式计算：
G= （公式3-9）
式中 n——滚珠丝的转速
T——使用寿命时间（h），数控机床T取15000h。
工作负载的数值可用《机床设计手册》中进给牵引力的实验公式计算，对于三角或综合导轨
（公式3-10）
式中、——切削分力；
W——移动部件的重力（800N）;
K——考虑颠覆力的矩影响的系数，k=1.5;
——导轨上的摩擦因数，f,=0.15～0.18,取f,＝０.16。
则 ＝[+0.16(1880.8+2300)]N=1750.5 N
当机床以线速度V=,进给量f=0.3mm/r,车削直径D=80mm的外圆时，丝杠的转速
mm/min=29.25r/min
则 万转=26.87万转
根据工作负载、寿命G，取=12, =1，计算出滚珠丝杠副承受的最大动负荷
N=6301.8N
（3)效率计算
根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率为
(公式3-11）
式中 ——螺纹的螺旋升角，该丝杠为4°33’
Φ——摩擦角，Φ约等于10′
则 =0.953
（4)刚度验算
滚珠丝杠工作时受轴向力和扭转的作用，将引起基本导程的变化，因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量为
（公式3-12）
式中 E——弹性模量，对于钢，E=20.6
S——滚珠丝杠截面积（按丝杠螺纹底径确定d，若d=2.77cm），
则 S==6.023cm2
其中，“+”用于拉伸，“-”用于压缩时
则 = =cm
丝杠1m长度上导程变形误差为
==14
因3级精度丝杠允许的螺距误差为15，故此丝杠的精度足够。
3、横向滚珠丝杠的安装
（1）拆下刀架、小拖板及滑动丝杠；
（2）车削一根定位芯轴，保证法兰盘孔与大拖板后孔的同轴度。定位后，配钻四个螺钉孔，并攻螺纹；
（3）车削一根手轮轴，代替原丝杠手轮轴，用于与滚珠丝杠连接；
（4）车削两个连接套，用于丝杠连接电机旋转和手轮轴；
（5）铣去大拖板上与螺母发生干涉的部位；
（6）利用车床主轴和尾座将螺母安装到丝杠上，在利用锁紧螺母进行预紧，消除间隙；
（7）总装后，用垫片调整螺母上下位置，使其传动平稳。
3.2.3 导轨
当机床加工精度要求不是很高,一般不作导轨改造调整改造,可大为降低改造成本。

第4章 刀架部分的改造
对刀架部分的改造，通过将原机床的手动转位刀架替换成自动转位刀架来实现换刀切削,自动转位刀架最常见的形式是螺旋型四工位刀架,由数控系统直接控制,效率高,工艺性能可靠。
由于传动机构的改造在主传动系统和安装调试中提到，因此在这里我主要将对刀架的改造进行叙述。
1、电动刀架的工作原理
需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上刀体逐渐抬起--上刀体与下刀体之间的端面齿慢慢脱开：与此同时，上盖圆盘也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆连接），---当转过约270°时，上盖圆盘直槽的另一端转到圆柱销的正上方，由于弹簧的作用，圆柱销落入直槽内，于是上盖圆盘就通过圆柱销使得上刀体转动起来（此时端面齿已完全脱开）。
上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，反靠销马上就落入反靠圆盘的十字槽内，至此，完成粗定位。此时，反靠销从反靠圆盘的十次槽内爬不上来，于是上刀体停止转动，开始下降，而上盖圆盘继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销的头部压入上刀体的销孔内----上盖圆盘的下表面开始与圆柱销的头部滑动。在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。
由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可稳定地工作。
2、 电动刀架的电气原理图如图

图4-1 电动刀架的电气原理图
3、 电动刀架的动作过程
数控系统调刀代码开始执行时，或行动调刀时，首先输出刀架正转信号，使刀架旋转，当接收到指定的刀具的到位信号后，关闭刀架正转信号，延迟50ms时间后，到家开始反转而进行锁紧，并开始检查紧缩信号，当接收到该信号后关闭刀架反转信号。如执行的刀号与现在的刀号（自动记录）一致时，则换刀指令立刻结束，并转入下一程序段执行。
我们根据上述描述的换刀动作过程，做了如下动作流程图如图4-2

图4-2 电动刀架动作流程图
4、电动刀架的相关参数
（1）经查国标刀架参数，我选择了下列表格（表4-1）中的刀架。
表4-1　刀架的参数
刀架型号
配车床
型号
刀位
数
电机
功率
电机
转速
夹紧力
上刀体
尺寸
下刀体
尺寸
LDB4-CA6140
CA6140
4
90W
1400
12000N
166×166mm
192×192mm

（2）刀架指标如表4-2
表4-2　刀架指标
刀架型号
配车床型号
重复定位精度
工作可靠性
换刀时间
90度
180度
270度
LDB4-CA6140
CA6140
≤0.005
＞60000次
2.4s
3.1s
3.7s

6、 电动刀架的安装
（1)电动刀架实物图和安装尺寸图如图4-3所示

图4-3 电动刀架实物图和安装尺寸图
（2）刀架尺寸如下表4-3所示：
表4-3　刀架尺寸
H1
328 mm
B
230 mm
H2
140 mm
B1
115 mm
H3
80 mm
A
90 mm
H4
20 mm
L1
379 mm

(3)电动刀架的安装步骤
1）拆下原手动刀架；
2）在小拖板上钻四个安装孔，并攻丝；
3）手动抬起电动刀架，将刀架安装在小拖板上；
4）安装后，试用MDI功能换刀，观察三相电源有无接反。

第5章 数控部分
5.1 数控系统的选择
1、 CA6140的数控化改造
1)将纵向和横向进给系统改造为用数控装置控制的、能独立运动的进给伺服系统。
2)刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都会按程序自动进行调节和更换。
3）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。
2、 数控系统选择
数控机床的价格主要由数控系统来决定，数控系统从功能上可分为低中高三档，中高档系统（如Fanuc、LBNC