毕业论文（设计）
题目CA6140车床的数控改造
——进给系统的改造
英文题目The numerical control transformation
of CA6140laths
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姓名
年级
指导教师
二零零七年六月
摘要
企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。
如果将机床设备全部更新换代，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。采用数控改造技术，不但可以使改造后的机床满足了技术发展的需要，提高了生产率和产品精度，增大了设备适应能力和型面加工范围，还可以弥补定购新的数控机床交货周期长的不足。所以采用此方法对中、小型企业来说是十分理想的选择。
ＣＡ6140型车床具有性能良好、结构先进、操作轻便等特点 ,在我国机械制造行业中使用非常广泛。本设计就取其为例，主要介绍其数控化改造的方案、以及改造部位的选型与设计计算。
【关键词】：CA6140车床数控化改造进给系统刀架
Abstract
The enterprise must be changeable in the current market demand, competes in the intense environment the survival and the development needs rapidly the renewal and the development new goods come into the market the product, by the lowest price, the best quality, the shortest time satisfies the market demand the unceasing change. But the ordinary engine bed unsuitable multi- varieties, the small volume production request, the numerical control engine bed synthesized the numerical control technology, the micro electron technology, the automatic detection technology and so on the advanced technology, most is suitable processes the small batch, the high accuracy, the shape is complex, the production cycle requests the short components. When change processing object only needs to trade the components processing procedure, does not need to make any adjustment to the engine bed, therefore can satisfy the product frequent change well the processing request.
If engine bed equipment completely renewal, not only fund investment is too big, the cost is too high, moreover the original equipment will leave unused creates the enormous waste. Therefore the most economical means are carry on the ordinary engine bed the numerical control transformation. Use the numerical control transformation technology, not only was allowed to cause the transformation of the engine bed to meet the technological development needs, enhanced the productivity and the product precision,increased the equipment adaptiveness and the shape processing scope, but also was allowed to make up orders the new numerical control engine bed delivery cycle long insufficiency. Therefore uses this method to the middle and small enterprises is the extremely good choice. CA 6140 is the conventional lathe that has the good performance, the advanced structure, and the operation of it is very easy.So the uses of
it in our country machine manufacture profession are extremely wide. The design takes it is the example, mainly introduces the plan of its numerical control transformation , as well as the spot shaping of the transformation and the design calculation.
【Keywords】: CA6140laths , the numerical control transformation, design
目录
前言.............................................. 错误！未定义书签。
一 CA6140卧式车床的简介.......................... 错误！未定义书签。
1．机床的特点与用途............................ 错误！未定义书签。
2. 机床的主要结构.............................. 错误！未定义书签。
3．传动系统的分析.............................. 错误！未定义书签。二总体改造方案................................... 错误！未定义书签。三进给系统的主要设计计算.......................... 错误！未定义书签。
1.纵向进给运动的负载分析....................... 错误！未定义书签。
2．步进电机的匹配选择.......................... 错误！未定义书签。
3．滚珠丝杠的校核.............................. 错误！未定义书签。四刀架的选型...................................... 错误！未定义书签。结束语............................................. 错误！未定义书签。参考文献........................................... 错误！未定义书签。谢辞............................................... 错误！未定义书签。
前言
机械制造业在国民经济中具有十分重要的地位和作用。机械制造业提供的装备水平对国民经济各部门的技术进步有着很大的和直接的影响。机械制造业的规模的水平是反映国民经济实力和科学技术水平的重要标志。因而，世界各地都把发展机械制造业作为振兴和发展本国经济的战略重点之一。
20世纪70年代以后，由于微电子技术、控制技术、传感器技术、机电一体化技术的迅速发展，特别是计算机的广泛应用，不仅给机械制造领域带来了许多新工艺、新技术、新观念，而且使机械制造技术产生了质的飞跃，走上了一个新的台阶。我国是制造业大国，但不是强国。虽然机械制造业取得了很大的成绩，但与国家经济发展需要和世界先进水平相比还是存在着较大的差距，必须迎头赶上。
机械制造生产能力和制造水平，主要取决于机械制造装备的先进程度。机械制造装备的核心为金属加工机床。一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和技术水平。改革开放后，我国的机械制造装备业获得迅速发展，目前我国已能生产出多种精密、自动化、高效率的机床及自动生产线，例如已能生产100多种数控机床和加工中心等，并达到一定的技术水平，但与世界先进水平相比还有很大的差距，并且在我国企业中，大多真正投入生产中的还是普通机床。
随着计算机技术的飞速发展,机床的数控化已经成为现实。以数控机床为代表的现代基础机械是制造业实现生产现代化的重要设备,数控技术的水平高低和机床的数控化率是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。我国是一个发展中国家,无论从数控技术水平和机床的数控化率都落后于先进的西方发达国家,特别是从上个世纪后期,国家采取了积极的财政政策和扩大内需的方针后,作为现代基础机械的数控机床就满足不了工厂逐年增加的生产需求。
根据我国机床拥有量大、生产规模小的具体国情,采用经济型数控系统对普通机床进行数控化改造,对提高我国机械加工的数控化率,提升拥有大量普通机床的国有企业的加工能力,具有重要的意义。本文便以CA6140 型车床进行为例，利用经济型数控系统对其进行数控化改造。
第一章 CA6140卧式车床简介
1．机床的特点与用途
CA6140型卧式车床，其结构具有典型的卧式车床布局，它的通用性程度较高。加工范围较广，适合于中小型的各种轴类和盘套类零件的加工；能车削内外圆柱面、圆锥面、各种环槽、成形面及端面；能车削常用的米制、英制、模数制及径节制四种标准螺纹，也可以车削加大螺距螺纹、非标准螺距及较精密的螺纹；还可以进行钻孔、扩孔、铰孔、滚花和压光等工作。
2. 机床的主要结构
CA6140型普通车床的主要组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。
图1-1 CA6140外形结构图
1、11．床腿 2.进给箱 3.主轴箱 4.床鞍 5.中滑板 6.刀架
7．回转盘 8.小滑板 9.尾座 10.床身 12.光杠 13.丝杠 14.溜板箱主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。
进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。
丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进
行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。
溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀
架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快
速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。
3．传动系统的分析
该机床的传动系统可以分解为主运动传动链和进给运动传动链。进给运动传
动链又可分解为螺纹进给传动链、纵向机动相横向机动进给传动链，同时还有刀
架的快速移动传动链。
（1）主运动传动链
① 传动路线 CA6140型卧式车床主运动，是由主电动机经三角皮带传至
主轴箱中的轴I ，轴I 上装有一个双向多片式摩擦离合器M 1，用以控制主轴的启
动停止和换向。轴I 的运动经离合器M 1和轴II--III 间变速齿轮传至轴III ，然
后分两路传递给主轴。
a 高速传动路线 主轴VI 上的滑移齿轮Z50处于左边位置，运动经齿轮副
直接传给主轴。
b 中低速传动路线 主轴VI 上的滑移齿轮Z50处于右边位置，且使齿式离
合器M 2接合，运动经轴III-IV-V 间的背轮机构和齿轮副传给主轴。
② 主轴的转速级数与转速计算 根据传动系统图和传动路线表达式，主
轴正转可获得2?3?(2?2-1)+2?3=24级不同转速。同理，主轴反转12级。
（2）螺纹进给运动传动链
CA6140型卧式车床螺纹进给运动传动链，可以保证机床车削公制、英制、
模数制和径节制四种标准螺纹。此外，还可以车削大导程、非标准和较精密的螺
纹。不同标准的螺纹用不同的参数表示其螺距。无论车削哪一种螺纹，都必须在
加工中保证主轴每转一转，刀具准确地移动被加工螺纹一个导程的距离。
（3）机动进给传动链
实现一般车削时刀架机动进给的纵向和横向进给传动链，由主轴至进给箱中
轴XVII 的传动路线与车公制或英制常用螺纹的传动路线相同，其后运动经齿轮
副传至光杠XIX （此时离合器M 5脱开，齿轮Z 28与轴XIX 齿轮Z 56 啮合)，再由光
杠经溜板箱中的传动机构，分别传至光杠齿轮齿条机构和横向进给丝杠XXVII 。 溜板箱中的双向牙嵌式离合器M 8、M 9和齿轮传副组成的两个换向机构，分别用于
变换纵向和横向进给运动的方向。利用进给箱中的基本螺距机构和增倍机构，以及进给传动链的不同传动路线，可获得纵向和横向进给量各64种。
（4）刀架的快速移动传动路线
刀架的快速移动是使刀具机动地快速退离或接近加工部位，以减轻工人的劳动强度和缩短辅助时间。当需要快速移动时，可按下快速移动按钮，装在溜板箱中的快速电动机（0.25kW，2800r/min）的运动便经齿轮副传至轴XX，然后再经溜板箱中与机动进给相同的传动路线传至刀架，实现纵向和横向的快速移动。
图1-2 CA6140传动结构图
第二章总体改造方案
根据实际工况，CA6140型车床的数控化改造方案如下：
1 数控系统选用南京产J WK - 15T 型数控系统
一般小型机床的数控化改造多半采用开环控制方式。数控系统多数为以单板机为主控制单元的简易数控系统。因为该控制方式投资少，安装调试方便。这里我们选用南京产J WK -15T 型机床数控系统安装到CA6140车床上。经过改装后的数控机床工作原理框图如图1 所示。
图2-1 数控机床工作原理图
本系统由数控单元双 8031机、步进驱动单元、专用控制程序、功率驱动、步进电机、步进电机减速装置或转位机构和丝杠等组成。在加工零件时, 编制的数控程序数据输入 RAM(62256)中,专用控制程序 EPRAM (27256 .2764) 在中央处理单元的支持下,按照所输入的加工程序数据, 经过计算处理 , 发出一系列的组合脉冲,经过驱动功放,驱动步进电动机,拖动机械负载分别控制纵、横两个方向的运动方向、运动速度、位移长度,实现车床的微机控制。当程序执行到换刀指令时,指令只给四个霍尔元件中的一个提供电源, 并同时接通电机电源使电机正转;当转位完成,霍尔元件反馈, 控制电机反转,夹紧完成;然后执行下面的加工程序。
我们选用的J WK - 15T型机床数控系统,采用ISO国际标准数控代码编程,能自动完成车削端面、内外圆柱面、倒角、任意锥面、球面、圆弧逼近的任意曲面以及公英制的螺纹加工,并配有完备的S、M、T功能。系统采用模块化设计,
内部设有计算机、电源、接口、驱动等模块,具有体积小、重量轻、功耗低、功能多、速度高、操作维修方便等特点。
2 保留原机床的主轴旋转运动，在主轴安装一个脉冲发生器
图2-2 主轴箱改造图
在改造时，一般不改造主轴箱。因为若改造主轴箱，必然使机床改造的总费用加大，改造周期也将延长，这样会降低中、小型普通机床的改造的经济价值。在主轴加脉冲发生器，是为了保证车螺纹时严格的运动关系，在主抽上安装GD7072光电脉冲发生器，通过主轴—脉冲发生器—数控系统—步进电机的信息交换系统，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 进给系统的改造
取消原进给箱，将原丝杠换成滚珠丝杠，并在其尾端联结一对齿轮进行减速, 然后与步进电机相联。普通车床的进给传动多半为齿轮传动，随着进给变换级数的增多，齿轮对数和操纵机构显著增加。传动链的增长，不仅使进给箱结构复杂，还因齿轮间隙的多个累积，反向间隙增大，急骤地降低了反向定位精度。进给系统的改造主要是减少进给箱内的齿轮对数，缩短进给传动链。所以一般改造时，是去掉进给箱。用滚珠丝杠副代替普通丝杠副是因为滚珠丝杠副具有传动精度高、效率高、运动平稳、寿命长以及可以预紧以消除间隙并提高系统刚度，反向定位精度高等特点。
4 导轨副设计
在导轨上粘接软带。滑动导轨的静摩擦因数大，动摩擦因数随速度变化而变化，摩擦损失大，在低速时易出现爬行现象，直接影响运动部件的定位精度。在原移动部件的导轨L粘接聚四氟乙烯软带，该软带具有下述优点：摩擦因数小，
动、静摩擦因数差别小，部件运行平稳，无爬行现象，定位精度高。没有振动，提高了工件表面加工质量，延长了刀具使用寿命。软带耐磨损，且嵌入性能好，与其配合的金属导轨面不会拉伤。软带有自润滑性，当机械润滑系统出现故障时，导轨不会拉伤。
5刀架选型
综上所述，CA6140 普通车床数控化改造后的总图如下：
图2-3 CA6140 车床数控化改造方案图
第三章进给系统主要设计计算
纵向(Z)进给丝杠改用滚珠丝杠，其基本导程l0＝6mm；纵向溜板箱及横向工作台与刀架等可移动部件的总质量为400k g(实际设计时应根据图纸进行计算或拆卸称量)；脉冲当量δ取为0.01mm／step,(δ应根据被加工零件的最高精度的尺寸公差来选定，一般取其公差的二分之一);这里取工进速度为V溜＝60mm/min；快进速度取为V溜＝2m/min；步进电机的步距角0.75。/step。
1 纵向进给运动的负载分析
步进电机的负载有外力负载(切削力)、摩擦负载和惯性负载，所选步进电机必须克服这些负载才能作正常的进给驱动。
(1) 切削负载。假设采用的切削用量范围：v＝1.75m／s；a p＝5mm；f＝
0.3mm/r，则其主切削力(可根据切削原理近似公式计算)F z＝3000N(垂直向)，取
F x＝0.6 F z＝1800N(纵向)，F y＝0.5 F z＝1500N(横向)(根据机床设计手册在一般车外因时只，F
＝(0.1～0.6) F z，F、＝(0.15～0.7) F z。设计时，也可根据主电机的
x
功率来计算能承受的最大主切削力F zmax。但这样计算，F zmax往往很大，因原机床主电机功率是按最大原则选取的。还可根据机床的限用最大切削用量进行计算。
(2) 摩擦阻力。当溜板箱导轨为滑动摩擦时，取其摩擦系数μ＝0.1，因主切
＝(400×l0十3000)×0.1＝700N(g＝10m／s2时)，削力压向导轨，则摩擦阻力F
摩
(其它摩擦阻力这里未计算)。
(3) 等效转动调量计算。根据理论力学公式计算进给系统中各回转零部件的转动损量。设减速比为i，则
i＝α·l0/360·δ=0.75×6/360×0.01=1.25
故可取Z1＝20、Z 2＝25; m＝1.5(模数)，b＝20(mm)＝2(cm)(齿宽)，α＝20。；
d f1＝mZ1=30(mm)，d f2＝mZ2＝37.5(mm)，d e1＝d f1十26＝33(mm)，d e2＝d f2十2h ＝40.5(mm)。
则齿轮的转动惯量分别为(齿轮为45号钢，并将齿轮近似看作圆柱体)
J Z1＝7.8d4e1×b×10-4=7.8×3.34×2×10-4=0.185(Kgcm2)=1.85×10 -5(Kgm2) J Z2＝7.8d4e2×b×10-4=7.8×4.054×2×10-4=4.2×10 -5(Kgm2)
若根据类比法，选用CMFZD40×6—3.5—C3／1200丝杠其长度为1.2m(钢材)，直径d 0＝40mm ，则丝杠的转动惯量近似为
J Z ＝7.8×44×120×10-4＝23.96(Kgcm 2)＝2.4×10-3(Kgm 2)
设电机转子的转动惯量为4.6×10-4 (Kgm 2)(当等效到电机轴上的负载转动惯量大于电机转子转动调量一个数量级时，可以忽略，但当等效到电机轴上的负载惯量较小时，就不能轻易地忽略它。现预选电机为110BF003，其电机转子轴的转动惯量为4.6×10-4 (Kgm 2)*
根据文献【1】式(6—4)可知
[J]k =1/4π21m j M =∑i (V i /n k )2
+1n
j J =∑j (n j /n k )2 式中Vi 采用最不利于机床起动时速度，这里选用快进给速度V 溜＝2m ／min ；
则n k =n m (电机)＝V 溜α／(360×δ)＝4l 6.67(r ／min)；Mi ＝400Kg(全部直线运动
部件的总质量)；n z1＝n m ；n z2＝n z1/i ＝333.34(r ／min)。
则[J]m ＝1/4π2×400×(2／416.67)2十Jz 1十Jm 十(Jz 2十Js)／i 2
＝2.34×l0-4十4.6×10-4十1.85×10-5十(4.2×10-5十2.4×10-3)／1.252
＝2.28×l0-3(Kgm 2)
(4) 丝杠摩擦阻力矩(Tsm)的计算。由于丝杠承受袖向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩。但由于滚珠丝杠的效率高，其摩擦阻力矩相对于其它负载力矩小得多，故一般不予考虑。
(5) 等效负载转矩[T] m 。由文献【1】式(6—8)得
[T] m ＝1/2π(F 摩十Fx)×V 溜／n m 十0
＝1/2π(1800十700)×2／416.67＝1.9l(Nm)
(6) 启动惯性阻力矩(T 惯)的计算。以最不利于启动的快进速度计算时，设启动加速(或制动减速时间为t ?＝0.3s(一般在0.1～1s 之间选取)，由于电机转速ωm ＝2πn m /60＝2π×416.67／60＝43.63[1／s]，取加速曲线为等加(减)速梯形曲线，故角加速度为
εm ＝ωm /t ?＝43.63／0.3＝145.4(1/s 2)
则 T 惯＝[J]m εm ＝2.28×10-3×145.4＝0.332(Nm)
(7) 步进电机输出轴上总负载转矩的计算
T∑＝[J]m十T惯＝1.91+0.322=2.242(Nm)
2 步进电机的匹配选择
上述计算均未考虑机械系统的传动效审，当选择机械传动总效率η＝0.7时：T1∑＝T∑／η=2.242／0.7=3.2(Nm)
在车削时，由于材料的不均匀等因素约影响，会引起负载转短突然增大，为避免汁算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电机丢步，从而引起加工误差，可以适当考虑安全系数。
安全系数一般可在1.2～2之间选取。如果取安全系数尺＝1.5，则步进电机可按以下总负载转矩选取
T2∑＝K T1∑＝1.5×3.2＝4.8(Nm)
若选用上述预选的电机110BF003，其最大静转矩T jmax＝7.84Nm。在三相六拍驱动时，其步距角为0.75。／step，为保证带负载能正常加速起动和定位停止，电机的起动转矩Tq必须满足
Tq＞T2∑
由文献【1】表3—7可知，Tq／T jmax＝0．87，则Tq＝0．87×7．84＝6．82(Nm)，故选用合适。
3 滚珠丝杠的校核
如在选择滚珠丝杠时是根据原丝杠直径大小按类比法选的名义直径，就要对其负载能力进行必要的校核；若是根据承载能力选出的，则应对压杆稳定及其刚度进行必要的校核。
由于在选择丝杠时，是根据类比法选的，故应进行相应项目的进一步校核。
(1) 承载能力的校核。根据文献【1】公式(2—1)
Q f H fw Pmax＞C0。
式中L=60nT／106,取T＝15000,n＝n s＝416.67/i＝333. 3(r／min);f H=1.0 （HRC为58时),fw＝1.2(平稳或轻度冲击时)，Pmax＝Fx十F摩＝1800+700
＝2500(N)
则Q f H fw Pmax=20082(N)
查有关滚珠丝杠额定载荷C0＝79339＞Q。
(2) 压杆稳定性验算。根据文献【1】公式(2—2)
Pk＝f kπ2EI/(Kl)2> Pmax
式中f k＝2(双推一简支)，E＝2.1×108(Pa)，
I＝π/32d14＝π/32×3.544 =14.7(cm)4 (d1＝35mm) 取K＝4，l＝ls＝120cm
则Pk＝2×3.14162×2.1×108×14.7／(4×1202)=1.06×106>> Pmax
(3) 刚度的验算。根据根据文献【1】公式(2—3)
?=Pl0/ES+Ml0/2πIE (均取拉伸时)
L
式中l0＝0.6cm,E＝2.1×108Pa,S＝πd21＝3.1416×3.52＝38.5(cm2) I＝14.7cm4，M＝T jmax i＝7.84×1.25＝9.8(Nm)＝980(Ncm)
P=Pmax＝2500N
则L
?＝2500×0.6/（2.1×108×38.5）＋980×0.62/（14.7×2.1×108×2π）＝2.04×10－7mm (满足使用要求)
第四章 刀架的选型
采用南京大地数控有限公司生产的LD4－ck0620四方刀架, 安装在原机床小刀架的位置上较为合适。刀架的动作顺序如下:电动机(三相异步微型电动机)→减速机构(蜗轮蜗杆)→上升机构 (螺旋机构)→刀架旋转→电器信号确定(霍尔元件)→电机反转→粗定位(反靠盘)→刀架下降→精定位→刀架锁紧→换刀终了信号→执行加工程序。
其原理图与螺旋升降转位刀架相似 电机；2-安全离合器；3-蜗轮蜗杆副；
4-内装信号盘；5-刀架；6-螺母；7-端齿盘
螺旋升降转位刀架原理图
图4-1螺旋升降转位刀架图
图4-2 LD4－ck0620四方刀架外形及结构图
图4-3 LD4－ck0620四方刀架参数表图
型系列立式电动刀架采用涡轮蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工LD
4
作原理。具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的优点。发信转转位采用霍尔元件，使用寿命长。并且完全满足刀架设计使用的要求，即A夹紧力在4000N 以上,B需要进行四个方位的转换选择,C重复定位精度不大于0.005mm。
改造此种车床的目的：一是提高原车床的精度和自动化程度, 达到快速调整而且仍能保持车床的通用性；二是提高原车床的功能，利用数控方法准确地加工任意面的旋转体。
本设计的优点在于改造成本相对较低，操控起来相对比较简便，并且在精度上已能满足普通车床改造后加工零件的精度要求。不足之出在于：1.机床改造部分不是很全面，比如主轴箱就没进行改造；2.机床采用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构。这样就使得在精度上没能更进一步。
随着自动控制技术，计算机及集成电路技术的迅速发展，普通车床的改造将进一步完善，加工范围将进一步扩展。
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